CN107478908B - 一种电动车绝缘检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动车绝缘检测装置及其检测方法，所述检测装置的绝缘检测电路中，第一检测单元、第一二极管和第二检测单元依次串联于动力电池组的正极与车身地之间，第三检测单元、第二二极管和第四检测单元依次串联于动力电池组的负极与车身地之间，第一电容连接于第一检测单元与第一二极管阳极之间的任一点和动力电池组的正极；第二电容连接于第三检测单元与第二二极管阴极之间的任一点和动力电池组的负极，其中，所述检测单元由电阻和开关串联组成；所述检测方法通过绝缘检测电路测量电容充电过程中两端的电压差，进而获得动力电池对车身地之间的绝缘阻值。本发明能够快速高效地检测电池高压系统与车身之间绝缘阻值，提高人车的安全性。

Description

一种电动车绝缘检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于电动车安全检测技术领域，具体涉及一种电动车绝缘检测装置及其检测方法。

背景技术

电动车以动力电池为能源，常用的电动车动力电池电压一般在300V以上。动力电池工作电压越高，则对电池高压系统和车身系统之间的绝缘性能的要求也越高。高压电缆绝缘介质老化或受潮湿环境因素等的影响都会导致高电压电路和车身系统之间的绝缘性能下降，这会对乘客的人身安全造成威胁，同时会影响车内控制器的性能。因此，动力电池系统需要有非常可靠的绝缘性，以保证电动车辆的正常运行和使用者的安全。

现有的绝缘检测方法主要有“电阻分压法”和“注入信号法”。电阻分压法通过在高压系统正负极对车身之间引入电阻，根据电阻分压的原理计算绝缘电阻阻值；注入信号法是通过对车身或高压系统注入电压信号，然后测量该电压信号因绝缘阻值所造成的信号衰减，以计算绝缘电阻。

上述绝缘检测方法中，注入信号法需要注入电压信号，因此在产生信号的硬件和软件方面比较繁琐，同时有可能对车辆原有系统造成影响，可靠性较低；而电阻分压法常需要引入电阻，人为造成绝缘降低，而且硬件上会比较复杂，操作上不够便捷。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种电动车绝缘检测装置及其检测方法，以实现快速高效地检测电池高压系统与车身之间绝缘阻值，防止高压电系统在绝缘故障情况下运行，以提高人车的安全性。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种电动车绝缘检测装置，所述检测装置由微控制器、绝缘检测电路、开关控制模块、电压测量模块以及通信模块组成；

所述绝缘检测电路连接在动力电池组和车身地之间，所述绝缘检测电路由第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管和四组检测单元组成；

所述检测单元由电阻和开关串联组成；

第一检测单元的一端连接动力电池组的正极，第一检测单元的另一端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第二检测单元的一端连接，第二检测单元的另一端连接车身地；

第三检测单元的一端连接动力电池组的负极，第三检测单元的另一端与第二二极管的阴极连接，第二二极管的阳极与第四检测单元的一端连接，第四检测单元的另一端连接车身地；

第一电容C1连接于第一检测单元与第一二极管D1阳极之间的任一点和动力电池组B的正极；第二电容C2连接于第三检测单元与第二二极管D2阴极之间的任一点和动力电池组B的负极。

进一步地，所述开关为普通开关、MOS管、光耦或磁耦。

一种电动车绝缘检测装置的检测方法：

步骤一：微控制器通过开关控制模块控制四组检测单元所对应的第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4均断开，绝缘检测处于初始状态，并准备进入第一状态；

步骤二：绝缘检测开始进行第一状态，微控制器通过开关控制模块控制第一开关S1和第三开关S3闭合，且第二开关S2和第四开关S4断开，此时，第一电容C1和第一电阻R1形成回路，第二电容C2和第三电阻R3形成回路，第一电容C1和第二电容C2均放电，微控制器通过电压测量模块分别实时检测第一电容C1和第二电容C2两端的电压，直至第一电容C1和第二电容C2两端的电压均为0，绝缘检测结束第一状态，并准备进入第二状态；

步骤三：绝缘检测开始进行第二状态，微控制器通过开关控制模块控制第二开关S2闭合，且第一开关S1、第三开关S3和第四开关S4断开，此时，动力电池组B、第一电容C1、第一二极管D1、第二电阻R2以及电池组负极对车身地绝缘电阻Rn形成回路，第一电容C1充电，微控制器检测到第一电容C1充电时间为t₂，微控制器通过电压测量模块检测第一电容C1两端的充电电压为U₂，微控制器对充电时间t₂和充电电压U₂进行记录，绝缘检测结束第二状态，并准备进入第三状态；

步骤四：绝缘检测开始进行第三状态，微控制器通过开关控制模块控制第四开关S4闭合，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3断开，此时，动力电池组B、第二电容C2、第二二极管D2、第四电阻R4以及电池组正极对车身地绝缘电阻Rp形成回路，第二电容C2充电，微控制器检测到第二电容C2充电时间为t₃，微控制器通过电压测量模块检测第二电容C2两端的充电电压为U₃，微控制器对充电时间t₃和充电电压U₃进行记录，绝缘检测结束第三状态，并准备进入计算和通信状态；

步骤五：进入计算和通信状态，根据电容的充电公式计算获得相应的绝缘电阻值，或根据已标定的的不同电压对应的绝缘阻值，通过查表获得相应的绝缘电阻值。

进一步地，所述步骤五中根据电容的充电公式计算获得相应的绝缘电阻值的具体过程为：

根据电容的充电电压公式：

得到经过步骤三后的第一电容C1两端的电压公式为：

经反向推导得出：

得到经过步骤四后的第二电容C2两端的电压公式为：

经反向推导得出：

上述公式中：U₀为动力电池组电压；U₂为第一电容充电电压；t₂为第一电容充电时间；U₃为第二电容充电电压；t₃为第二电容充电时间；e为自然常数；C1为第一电容的电容量；R2为第二电阻的阻值；R4为第四电阻的阻值；Rp为电池组正极对车身地绝缘电阻；Rn为电池组负极对车身地绝缘电阻。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过简单、低成本的方法实现电动车的绝缘检测功能，通过选择合适的电容值，可以得到稳定、准确度高、响应速度快的测量结果；

2、本发明所述电动车绝缘检测方法中电容的充电能量来源于电池组，因此在进行绝缘检测时的电容电压等级与电池组相当，不会引入高于电池组电压的信号，对车辆原有高低压系统影响小；

3、本发明所述电动车绝缘检测方法在系统关闭绝缘检测功能或断电时，所有开关断开，车辆的高低压系统之间不会因检测系统引入额外的绝缘电阻；

4、本发明所述电动车高压绝缘检测系统通过电容的放电和充电，可以分别测量电池组正极和负极对车身地的绝缘电阻值，并且在正负极绝缘同时下降的情况下，也能得到准确的结果，便于绝缘下降后车辆的诊断和维修；

5、本发明所述的电动车高压绝缘检测系统中，采用第一二极管D1、第二二极管D2可以防止第一电容C1、第二电容C2充电过程中电流反向流动，消除因电流反向造成的误差和干扰，使测量结果更准确、可靠。

附图说明

图1为本发明所述一种电动车绝缘检测装置中，绝缘检测电路的原理图；

图2为本发明所述一种电动车绝缘检测装置的结构框图；

图3为本发明所述一种电动车绝缘检测装置的检测方法流程框图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明所述的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

本发明提供了一种电动车绝缘检测装置，如图2所示，所述检测装置由带有定时器的微控制器、绝缘检测电路、开关控制模块、电压测量模块以及通信模块组成；微控制器分别与绝缘检测电路、开关控制模块、电压测量模块和通信模块信号连接；其中，所述微控制器用于根据测量量进行记录和计算，以及根据需要对系统其他元件进行控制；所述绝缘检测电路用于实现绝缘检测操作过程；所述开关控制模块用于控制系统内开关的闭合或断开；所述电压测量模块用于对系统内电压进行测量；所述通信模块用于与系统外部的控制器进行通信，报告绝缘电阻值等系统信息。

如图1所示，所述绝缘检测电路连接在动力电池组B和车身地GND之间，电池组正极对车身地的绝缘电阻为Rp，电池组负极对车身地的绝缘电阻为Rn，所述绝缘检测电路由第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2和四组由电阻R和开关S串联组成的检测单元组成；其中，第一检测单元由第一电阻R1和第一开关S1串联组成；第二检测单元由第二电阻R2和第二开关S2串联组成；第三检测单元由第三电阻R3和第三开关S3串联组成；第四检测单元由第四电阻R4和第四开关S4串联组成；第一电阻R1的一端连接动力电池组B的正极，第一电阻R1的另一端与第一开关S1的一端连接，第一开关S1的另一端与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与第二开关S2的一端连接，第二开关S2的另一端连接车身地GND，第一电容C1连接于第一开关S1与第一二极管D1阳极之间的任一点和动力电池组B的正极；第三电阻R3的一端连接动力电池组B的负极，第三电阻R3的另一端与第三开关S3的一端连接，第三开关S3的另一端与第二二极管D2的阴极连接，第二二极管D2的阳极与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与第四开关S4的一端连接，第四开关S4的另一端连接车身地GND；第二电容C2连接于第三开关S3与第二二极管D2阴极极之间的任一点和动力电池组B的负极；

所述第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4采用普通开关、MOS管、光耦、磁耦等具有开关功能的器件。

如图3所示，根据上述电动车绝缘检测装置，本发明还提供了电动车绝缘检测装置的检测方法，所述检测方法具体如下：

步骤一：微控制器通过开关控制模块控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4均断开，绝缘检测处于初始状态，并准备进入第一状态；

步骤二：绝缘检测开始进行第一状态，微控制器通过开关控制模块控制第一开关S1和第三开关S3闭合，且第二开关S2和第四开关S4断开，此时，第一电容C1和第一电阻R1串联形成回路，电流从第一电容C1的一端流出，经过第一电阻R1后，流回第一电容C1的另一端，第一电容C1放电；与此同时，第二电容C2和第三电阻R3也串联形成回路，电流从第二电容C2的一端流出，经过第一电阻R3后，流回第二电容C2的另一端，第二电容C2放电；在第一电容C1和第二电容C2放电的过程中，微控制器通过电压测量模块分别实时检测第一电容C1和第二电容C2两端的电压，直至第一电容C1和第二电容C2两端的电压均为0，绝缘检测结束第一状态，并准备进入第二状态；

步骤三：绝缘检测开始进行第二状态，微控制器通过开关控制模块控制第二开关S2闭合，且第一开关S1、第三开关S3和第四开关S4断开，此时，动力电池组B、第一电容C1、第一二极管D1、第二电阻R2以及电池组负极对车身地绝缘电阻Rn形成回路，第一电容C1充电，在电流从动力电池组B正极流出，流经第一电容C1、第一二极管D1、第二电阻R2和电池组负极对车身地绝缘电阻Rn后，流回动力电池组B的负极的过程中，微控制器通过定时器检测到第一电容充电所经过的时间为第二状态时间t₂，微控制器通过电压测量模块检测第一电容C1两端的电压达到第二状态电压U₂，微控制器对第二状态时间t₂和第二状态电压U₂进行记录，绝缘检测结束第二状态，并准备进入第三状态；

步骤四：绝缘检测开始进行第三状态，微控制器通过开关控制模块控制第四开关S4闭合，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3断开，此时，动力电池组B、第二电容C2、第二二极管D2、第四电阻R4以及电池组正极对车身地绝缘电阻Rp形成回路，在电流从动力电池组B正极流出，流经电池组正极对车身地绝缘电阻Rp、第四电阻R4、第二二极管D2和第二电容C2后，流回动力电池组B的负极的过程中，微控制器通过定时器检测到所经过的时间为第三状态时间t₃，微控制器通过电压测量模块检测第二电容C2两端的电压达到第三状态电压U₃，微控制器对第二状态时间t₃和第二状态电压U₃进行记录，绝缘检测结束第三状态，并准备进入计算和通信状态；

步骤五：进入计算和通信状态，根据电容的充电电压公式：

得到经过步骤三后的第一电容C1两端的电压公式为：

经反向推导得出：

得到经过步骤四后的第二电容C2两端的电压公式为：

经反向推导得出：

上述公式中：U₀为动力电池组电压；U₂为第二状态后第一电容两端的充电电压，即前述第二状态电压；t₂为第二状态时间，即第一电容充电时间；U₃为第三状态后第二电容两端的充电电压，即前述第三状态电压；t₃为第三状态时间，即第二电容充电时间；e为自然常数；C1为第一电容的电容量；R2为第二电阻的阻值；R4为第四电阻的阻值；Rp为电池组正极对车身地绝缘电阻；Rn为电池组负极对车身地绝缘电阻；

上述公式中，除Rp和Rn以外，其他量均为已知量，通过上述公式计算即可获得电池组正极对车身地绝缘电阻Rp和电池组负极对车身地绝缘电阻Rn，进而即可检测并判断动力电池组B与车身地GND之间的绝缘状态；

微控制器通过通信模块向系统外部的其他控制器报告动力电池组B的绝缘状态，通信方式为控制器局域网(CAN)总线，或串行通信接口(SCI)等。

上述步骤五中，是通过电容的放电电压公式计算出相应的绝缘电阻值，此外，还可以根据已经测得的不同状态下的电容两端电压，通过查表的方法查到不同电压对应的绝缘阻值。

Claims (5)

1.一种电动车绝缘检测装置，其特征在于：

所述检测装置由微控制器、绝缘检测电路、开关控制模块、电压测量模块以及通信模块组成；

所述绝缘检测电路连接在动力电池组和车身地之间，所述绝缘检测电路由第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管和四组检测单元组成；

所述检测单元由电阻和开关串联组成，其中，第一检测单元由第一电阻R1和第一开关S1串联组成；第二检测单元由第二电阻R2和第二开关S2串联组成；第三检测单元由第三电阻R3和第三开关S3串联组成；第四检测单元由第四电阻R4和第四开关S4串联组成；

第一检测单元的一端连接动力电池组的正极，第一检测单元的另一端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第二检测单元的一端连接，第二检测单元的另一端连接车身地；

第三检测单元的一端连接动力电池组的负极，第三检测单元的另一端与第二二极管的阴极连接，第二二极管的阳极与第四检测单元的一端连接，第四检测单元的另一端连接车身地；

第一电容C1连接于第一检测单元与第一二极管D1阳极之间的任一点和动力电池组B的正极；第二电容C2连接于第三检测单元与第二二极管D2阴极之间的任一点和动力电池组B的负极。

2.如权利要求1所述一种电动车绝缘检测装置，其特征在于：

所述微控制器根据测量量进行记录和计算，并根据需要对装置其他元件进行控制；所述开关控制模块用于控制装置内开关的闭合或断开；所述电压测量模块用于对装置内电压进行测量；所述通信模块用于与装置外部的控制器进行通信，报告绝缘电阻值。

3.如权利要求1所述一种电动车绝缘检测装置，其特征在于：

所述开关为普通开关、MOS管、光耦或磁耦。

4.如权利要求1所述一种电动车绝缘检测装置的检测方法，其特征在于：

步骤一：微控制器通过开关控制模块控制四组检测单元所对应的第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4均断开，绝缘检测处于初始状态，并准备进入第一状态；

步骤二：绝缘检测开始进行第一状态，微控制器通过开关控制模块控制第一开关S1和第三开关S3闭合，且第二开关S2和第四开关S4断开，此时，第一电容C1和第一电阻R1形成回路，第二电容C2和第三电阻R3形成回路，第一电容C1和第二电容C2均放电，微控制器通过电压测量电路分别实时检测第一电容C1和第二电容C2两端的电压，直至第一电容C1和第二电容C2两端的电压均为0，绝缘检测结束第一状态，并准备进入第二状态；

步骤三：绝缘检测开始进行第二状态，微控制器通过开关控制模块控制第二开关S2闭合，且第一开关S1、第三开关S3和第四开关S4断开，此时，动力电池组B、第一电容C1、第一二极管D1、第二电阻R2以及电池组负极对车身地绝缘电阻Rn形成回路，第一电容C1充电，微控制器检测到第一电容C1充电时间为t₂，微控制器通过电压测量电路检测第一电容C1两端的充电电压为U₂，微控制器对充电时间t₂和充电电压U₂进行记录，绝缘检测结束第二状态，并准备进入第三状态；

步骤四：绝缘检测开始进行第三状态，微控制器通过开关控制模块控制第四开关S4闭合，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3断开，此时，动力电池组B、第二电容C2、第二二极管D2、第四电阻R4以及电池组正极对车身地绝缘电阻Rp形成回路，第二电容C2充电，微控制器检测到第二电容C2充电时间为t₃，微控制器通过电压测量电路检测第二电容C2两端的充电电压为U₃，微控制器对充电时间t₃和充电电压U₃进行记录，绝缘检测结束第三状态，并准备进入计算和通信状态；

步骤五：进入计算和通信状态，根据电容的充电公式计算获得相应的绝缘电阻值，或根据已标定的的不同电压对应的绝缘阻值，通过查表获得相应的绝缘电阻值。

5.如权利要求4所述一种电动车绝缘检测装置的检测方法，其特征在于：

所述步骤五中根据电容的充电公式计算获得相应的绝缘电阻值的具体过程为：

根据电容的充电电压公式：

得到经过步骤三后的第一电容C1两端的电压公式为：

经反向推导得出：

得到经过步骤四后的第二电容C2两端的电压公式为：

经反向推导得出：

上述公式中：U₀为动力电池组电压；U₂为第一电容充电电压；t₂为第一电容充电时间；U₃为第二电容充电电压；t₃为第二电容充电时间；e为自然常数；C1为第一电容的电容量；R2为第二电阻的阻值；R4为第四电阻的阻值；Rp为电池组正极对车身地绝缘电阻；Rn为电池组负极对车身地绝缘电阻。

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