CN107290671A - 一种电动汽车电池的绝缘监测模块 - Google Patents

一种电动汽车电池的绝缘监测模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车电池的绝缘监测模块，其用于对电动汽车的电池进行绝缘监测，其包括：两组电阻桥，其分别并联于待测电池的正极与接地端形成正桥臂，以及待测电池的负极与接地端之间形成负桥臂，所述电阻桥中分别包括采样电阻、可变电阻和固定电阻，其中，可变电阻和固定电阻相互串联后与采样电阻并联，调节改变可变电阻的阻值，从而改变可变电阻和固定电阻的分压；通过改变监控模块内部的两个桥臂的电阻，使电阻桥进入不平衡状态，再由16位高精度ADC对监控模块内部的两个桥臂进行电压采集，建立电阻桥平衡方程。再通过数学方程组求解出电池组正负极对车身地的绝缘电阻值。

Description

一种电动汽车电池的绝缘监测模块
技术领域
本发明涉及电动汽车，特别是指电动汽车电池的绝缘监测模块。
背景技术
低压型的电动车辆由于电压等级低，对人体相对安全，不需要进行绝缘监控。但需要的电流大，要求线缆及接触器的负载能力高。该类车型的能量损耗大，成本较高，适用于小电流、低功率的电动车辆。
高压型的电动车，电压等级较高，需要的电流小，能量损耗减少、线缆成本较低。高压型电动车一般都需要对电池组进行绝缘监控，确保高压电池组对人体是安全的。目前市场上电池组的绝缘监控技术可分为漏电流检测和端电压检测。漏电流检测是采用漏电流传感器通过检测电池组正负极对车身地的漏电电流来实现漏电检测，这种方法简单便捷，但是成本高，测量精度差，容易受车身环境干扰。端电压检测是通过测量电池组正负极对车身地的电压，比较两个电压的不平衡度来实现漏电监控。这种办法只适合用于单端非平衡漏电的情况，且不能准确估算绝缘电阻，局限性很大。
因此需要设计一款成本低，可以精确测量绝缘电阻的绝缘监控设备来保证电池组对人身的安全。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种新型的绝缘监控模块，采用电阻桥平衡法来实现绝缘电阻的精确测量。
本发明提供了一种电动汽车电池的绝缘监测模块，其用于对电动汽车的电池进行绝缘监测，其包括：两组电阻桥，其分别并联于待测电池的正极与接地端形成正桥臂，以及待测电池的负极与接地端之间形成负桥臂，所述电阻桥中分别包括采样电阻、可变电阻和固定电阻，其中，可变电阻和固定电阻相互串联后与采样电阻并联，调节改变可变电阻的阻值，从而改变可变电阻和固定电阻的分压；
数模转换模块，与电阻桥电连接，用于将待测电池的正极和负极电阻值分别由模拟信号转换成数字信号；
中央处理器，与数模转换模块电连接，用于将待测电池的正负极电阻值与初始电阻值进行比较，若当前电池正负极电阻值小于初始电阻值，则判定待测电池漏电，若当前电池正负极电阻值等于初始电阻值，则判定待测电池没有漏电。
通过调节改变可变电阻的阻值来改变可变电阻和固定电阻的分压，通过以下计算公式计算获得可变电阻和固定电阻的电阻值，其中，电阻桥中的固定电阻(Rp1、Rn1)，可变电阻(Rp2、Rn2)，采样电阻为(Rp3、Rn3)，当可变电阻(Rp2、Rn2)均为2MΩ时，采样电阻(Rp3、Rn3)的分压为(Up1、Un1)，当可变电阻(Rp2、Rn2)其中一个改变为0Ω时，采样电阻(Rp3、Rn3)的分压为(Up2、Un2)，所述电池组正极对地的绝缘电阻(Rp)和电池组负极对地的(Rn)为：
A、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)＝采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
400Up2/(Rp//4)=600Un2/(Rp//6)，解得Rn＝Rp；
B、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)>采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
解得
C、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)<采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
解得
所述绝缘监测模块进一步包括光藕隔离模块，其与数模转换模块电连接，用于将经数模转换模块转换后的数字信号以光信号传送至中央处理器进行处理分析。
所述绝缘监测模块进一步包括滤波器，其设置于电阻桥与数模转换模块之间，用于滤除电池组冲放电时的脉冲干扰、其他设备的高频串扰信号和光藕开关时的干扰信号，将采样电压信号过滤成稳定的电压信号。优选地，所述滤波器为有源二阶低通滤波器。
所述电阻桥中，可变电阻的阻值范围是0-2MΩ，固定电阻的阻值是4MΩ，采样电阻的阻值为10K。所述检测电压的范围为60～600V。
在所述每个电阻桥中分别设置高压开关，分别控制电阻桥的通断。
一种采用所述绝缘监测模块的漏电检测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)电动汽车电池管理系统巡检，周期性地启动绝缘监控模块测量电池组正负极对地的绝缘电阻值；
2)启动绝缘监测，打开高压开关，若正桥臂阻值改变，将改变的阻值通过数模转换模块转换成数字信号并记录，若负桥臂阻值改变，将改变的阻值通过数模转换模块转换成数字信号并记录；
3)通过计算得出待测电池的电阻值，若所述待测电池的电阻值小于初始电阻值，则判定待测电池漏电，若待测电池的电阻值等于初始电阻值，则判定待测电池没有漏电。
与现有技术相比，本发明电动汽车的电池绝缘监控模块通过高压控制开关引入电池组的高压电以及车身地，监控模块内部设置了由电池正负极分别对地的两个电阻桥臂，每个桥臂都是由一个采样电阻、一个固定电阻和一个可变电阻组成，与外部正极对车身地绝缘电阻、负极对车身地电阻组成一个4臂电阻桥，由BMS控制测量。通过改变监控模块内部的两个桥臂的电阻，使电阻桥进入不平衡状态，再由16位高精度ADC对监控模块内部的两个桥臂进行电压采集，建立电阻桥平衡方程。再通过数学方程组求解出电池组正负极对车身地的绝缘电阻值。监控模块通过改变内置两个电阻桥臂的阻值，通过一个高精度ADC采集电压数据，建立数学方程模型，便可以精确计算出绝缘电阻值。方法简单，成本低，实用性很强。
附图说明
图1为本发明一种电动汽车电池的绝缘监测模块的电路图；
图2为本发明一种电动汽车电池的绝缘监测模块的电路框图；
图3为本发明一种电动汽车电池的绝缘监测模块的绝缘监测流程图。
具体实施方式
参照图1-3所示，本发明提供了一种电动汽车电池的绝缘监测模块，其用于对电动汽车的电池进行绝缘监测，其包括：两组电阻桥1，其分别并联于待测电池的正极与接地端形成正桥臂，以及待测电池的负极与接地端之间形成负桥臂，所述电阻桥1中分别包括采样电阻Rp3、Rn3、可变电阻Rp2、Rn2和固定电阻Rp1、Rn1，其中，可变电阻Rp2、Rn2和固定电阻Rp1、Rn1相互串联后与采样电阻Rp3、Rn3并联，调节改变可变电阻Rp2、Rn2的阻值，从而改变可变电阻Rp2、Rn2和固定电阻Rp1、Rn1的分压；
数模转换模块2，与电阻桥1电连接，用于将待测电池的正极和负极电阻值分别由模拟信号转换成数字信号；
中央处理器3，与数模转换模块2电连接，用于将待测电池的正负极电阻值与初始电阻值进行比较，若当前电池正负极电阻值小于初始电阻值，则判定待测电池漏电，若当前电池正负极电阻值等于初始电阻值，则判定待测电池没有漏电。
其中，电阻桥1中，固定电阻Rp1、可变电阻Rp2和采样电阻Rp3相互串联，三者串联后与电池组正极对地的绝缘电阻(Rp)相并联；同样地，固定电阻Rn1、可变电阻Rn2和采样电阻Rn3相互串联，三者串联后与电池组负极对地的电阻(Rn)相并联；通过两个电阻桥分别测定电池组正极和负极分别对地的电阻值。在所述每个电阻桥中分别设置高压开关，分别控制电阻桥的通断。
计算电池组的正极和负极电阻时，通过调节改变可变电阻的阻值来改变可变电阻和固定电阻的分压，通过以下计算公式计算获得可变电阻和固定电阻的电阻值，其中，电阻桥中的固定电阻(Rp1、Rn1)，可变电阻(Rp2、Rn2)，采样电阻为(Rp3、Rn3)，当可变电阻(Rp2、Rn2)均为2MΩ时，采样电阻(Rp3、Rn3)的分压为(Up1、Un1)，当可变电阻(Rp2、Rn2)其中一个改变为0Ω时，采样电阻(Rp3、Rn3)的分压为(Up2、Un2)，所述电池组正极对地的绝缘电阻(Rp)和电池组负极对地的(Rn)为：
A、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)＝采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
400Up2/(Rp//4)=600Un2/(Rp//6)，解得Rn＝Rp；
B、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)>采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
解得
C、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)<采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
解得
通过调整可变电阻的阻值，获得采样电阻(Rp3、Rn3)的分压(Up2、Un2)，从而计算得出电池组正极对地的绝缘电阻(Rp)和电池组负极对地的(Rn)。所述电阻桥中，可变电阻的阻值范围是0-2MΩ，固定电阻的阻值是4MΩ，采样电阻的阻值为10K。所述检测电压的范围为60～600V。
优选地，所述绝缘监测模块进一步包括光藕隔离模块4，其与数模转换模块4电连接，用于将经数模转换模块4转换后的数字信号以光信号传送至中央处理器3进行处理分析。
优选地，所述绝缘监测模块进一步包括滤波器5，其设置于电阻桥1与数模转换模块2之间，用于滤除电池组冲放电时的脉冲干扰、其他设备的高频串扰信号和光藕开关时的干扰信号，将采样电压信号过滤成稳定的电压信号。优选地，所述滤波器5为有源二阶低通滤波器。
本发明还提供了一种采用所述绝缘监测模块的漏电检测方法，其包括以下步骤：
1)电动汽车电池管理系统巡检，周期性地启动绝缘监控模块测量电池组正负极对地的绝缘电阻值；
2)启动绝缘监测，打开高压开关，若正桥臂阻值改变，将改变的阻值通过数模转换模块转换成数字信号并记录，若负桥臂阻值改变，将改变的阻值通过数模转换模块转换成数字信号并记录；
3)通过计算得出待测电池的电阻值，若所述待测电池的电阻值小于初始电阻值，则判定待测电池漏电，若待测电池的电阻值等于初始电阻值，则判定待测电池没有漏电。
模块上电后，处于系统参数设定的定时检测状态，其它时间处于待机状态。当绝缘检测时间到时，电动汽车电池管理系统(BMS)控制绝缘模块的高压开关处于打开状态，引入电池组的高压电，内置两臂电阻桥电阻固定且相等，并能将模拟信号转为数字信号，分别采集内置桥臂上采样电阻的电压Up1、Un1，建立方程式1；根据电压Up1与Un1的值来改变正、负桥臂的阻值，再分别采集采样电阻上的电压Up2及Un2，建立方程式2，通过求解这两个方程得出绝缘电阻值。

Claims (9)

1.一种电动汽车电池的绝缘监测模块，其用于对电动汽车的电池进行绝缘监测，其特征在于包括：
两组电阻桥，其分别并联于待测电池的正极与接地端形成正桥臂，以及待测电池的负极与接地端之间形成负桥臂，所述电阻桥中分别包括采样电阻、可变电阻和固定电阻，其中，可变电阻和固定电阻相互串联后与采样电阻并联，调节改变可变电阻的阻值，从而改变可变电阻和固定电阻的分压；
数模转换模块，与电阻桥电连接，用于将待测电池的正极和负极电阻值分别由模拟信号转换成数字信号；
中央处理器，与数模转换模块电连接，用于将待测电池的正负极电阻值与初始电阻值进行比较，若当前电池正负极电阻值小于初始电阻值，则判定待测电池漏电，若当前电池正负极电阻值等于初始电阻值，则判定待测电池没有漏电。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电池的绝缘监测模块，其特征在于：通过调节改变可变电阻的阻值来改变可变电阻和固定电阻的分压，通过以下计算公式计算获得可变电阻和固定电阻的电阻值，其中，电阻桥中的固定电阻(Rp1、Rn1)，可变电阻(Rp2、Rn2)，采样电阻为(Rp3、Rn3)，当可变电阻(Rp2、Rn2)均为2MΩ时，采样电阻(Rp3、Rn3)的分压为(Up1、Un1)，当可变电阻(Rp2、Rn2)其中一个改变为0Ω时，采样电阻(Rp3、Rn3)的分压为(Up2、Un2)，所述电池组正极对地的绝缘电阻(Rp)和电池组负极对地的(Rn)为：
A、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)＝采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
400Up2/(Rp//4)＝600Un2/(Rp//6)，解得Rn＝Rp；
B、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)>采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
解得
C、当采样电阻(Rp3)的分压(Up1)<采样电阻(Rn3)的分压(Un1)时，改变可变电阻(Rp2)的阻值为0Ω，则
解得
3.根据权利要求1所述电动汽车电池的绝缘监测模块，其特征在于：所述绝缘监测模块进一步包括光藕隔离模块，其与数模转换模块电连接，用于将经数模转换模块转换后的数字信号以光信号传送至中央处理器进行处理分析。
4.根据权利要求1所述电动汽车电池的绝缘监测模块，其特征在于：所述绝缘监测模块进一步包括滤波器，其设置于电阻桥与数模转换模块之间，用于滤除电池组冲放电时的脉冲干扰、其他设备的高频串扰信号和光藕开关时的干扰信号，将采样电压信号过滤成稳定的电压信号。
5.根据权利要求4所述电动汽车电池的绝缘监测模块，其特征在于：所述滤波器为有源二阶低通滤波器。
6.根据权利要求1所述电动汽车电池的绝缘监测模块，其特征在于：所述电阻桥中，可变电阻的阻值范围是0-2MΩ，固定电阻的阻值是4MΩ，采样电阻的阻值为10K。
7.根据权利要求1所述电动汽车电池的绝缘监测模块，其特征在于：在所述每个电阻桥中分别设置高压开关，分别控制电阻桥的通断。
8.根据权利要求1所述电动汽车电池的绝缘监测模块，其特征在于：所述检测电压的范围为60～600V。
9.一种采用所述绝缘监测模块的漏电检测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)BMS巡检，周期性地启动绝缘监控模块测量电池组正负极对地的绝缘电阻值；
2)启动绝缘监测，打开高压开关，若正桥臂阻值改变，将改变的阻值通过数模转换模块转换成数字信号并记录，若负桥臂阻值改变，将改变的阻值通过数模转换模块转换成数字信号并记录；
3)通过计算得出待测电池的电阻值，若所述待测电池的电阻值小于初始电阻值，则判定待测电池漏电，若待测电池的电阻值等于初始电阻值，则判定待测电池没有漏电。
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