CN108627688A - 一种电动车高压母线监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动车高压母线监测装置及监测方法，通过电流采样电路与采样电阻采集采样电阻电压信号，通过电压采集电路与分压电阻阵列采集分压电压信号，通过绝缘检测电路采集电容电压信号，微处理器将接收到的上述信号进行处理，并通过基准源对信号进行补偿修正，获得母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值，最后通过CAN总线收发器实现监测装置与CAN总线上连接的设备进行数据交互。本发明所述检测装置及监测方法能够同时快速准确地测量电池高压母线的电流、电压和绝缘阻值，为电池管理系统实时提供电池关键参数，提高电池安全保护能力和剩余电量估算精度。

Description

一种电动车高压母线监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及电动车电池管理技术领域，尤其涉及一种电动车高压母线监测装置及监测方法。

背景技术

电动车的动力来源于其搭载的高压电池组，动力电池组的电压、电流和绝缘阻值的测量对电池管理系统至关重要。这些参数的测量一方面作为计算电池的剩余电量的基本参数，保证计算的可靠性和准确度；另一方面可以监控电池工作是否正常，防止电池发生过充、过放、绝缘低等故障，以免影响行车安全。

现有的高压母线监测装置依据测量电流、电压、绝缘阻值等功能分类，主要有霍尔电流传感器，电压传感器，电阻分压式绝缘检测仪、电桥平衡式绝缘检测仪等。霍尔电流传感器原理是霍尔元件在聚集磁路中检测到与原边电流成比例关系的磁通量后输出霍尔电压信号，经放大电路放大后测量电流的大小；电压传感器是独立或集成在电池管理系统的模块，其原理为采用电阻分压方式测量分压后的电压值并依此计算电池组的电压；电阻分压式绝缘监测仪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；电桥平衡式绝缘检测仪利用搭建的电桥结构，检测绝缘电阻低时电桥失衡产生的电压信号，测量绝缘电阻。

上述高压母线监测装置中，霍尔电流传感器的测量精度比较低，尤其对于电流较小的情况，准确度较差；电压传感器设置的独立的电压测量模块增加了电池管理系统的成本，同时也需要占用电池空间，从而降低了电池的能量密度，并且一般情况下电压测量模块只测量电池组输出电压，对负载端关注不够；电阻分压式绝缘监测仪，常需要引入电阻，造成人为的绝缘降低，另外硬件上会比较复杂，不够便捷；电桥平衡式绝缘检测仪，无法检测动力电池系统正、负极绝缘同等下降时情况。

此外，上述监测装置中，相互独立的测量模块不能保证电流电压绝缘电阻值的同步性，即参数的测量不在同一时间段完成，这将为电池管理系统在剩余电量估算上带来原始误差。

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高压母线监测装置及监测方法，能够同时快速准确地测量电池高压母线的电流、电压和绝缘阻值，为电池管理系统实时提供电池关键参数，提高电池安全保护能力和剩余电量估算精度。

一种电动车高压母线监测装置，包括电源电路、隔离电源、微处理器、CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、采样电阻、电压采样电路、分压电阻阵列和绝缘检测电路；

所述电源电路与隔离电源相连后分别与微处理器、CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、电压采样电路和绝缘检测电路电连接；

所述微处理器分别与CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、电压采样电路和绝缘检测电路信号连接，所述微处理器内部设有定时器；

所述采样电阻串联在高压母线负极上，电流采样电路与采样电阻相连，电流采样电路将采集到的采样电阻电压信号发送至微处理器；

所述分压电阻阵列连接在高压母线正极与高压母线负极之间，且分压电阻阵列与高压母线之间设有开关，电压采样电路与分压电阻阵列相连，电压采样电路将采集到的分压电阻阵列中的分压电压信号发送至微处理器；

所述绝缘检测电路分别与高压母线正极、车身机壳、高压母线负极相连，绝缘检测电路将采集到的电容电压信号发送至微处理器；

所述基准源将基准信号发送至微处理器，微处理器接收基准信号后对所测量的母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值进行校准修正；

所述CAN总线收发器接收微处理器发送的修正后的母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值，并与CAN总线上连接的设备进行数据交互。

进一步地，所述分压电阻阵列由若干个分压串联电阻列并联组成，每个分压串联电阻列均由若干个分压电阻串联组成，所述分压串联电阻列与高压母线之间对应地串联有开关，一个分压串联电阻列通过对应的开关连通在高压母线正极与高压母线负极之间形成一个母线电压检测通道。

一种电动车高压母线监测装置的监测方法，所述监测方法具体如下：

步骤一：高压母线监测处于初始状态；

步骤二：微处理器等待其内部的定时器时间触发进入步骤三，否则在本步骤等待；

步骤三：进行电流及电压采样，并开始绝缘检测：

微处理器同时发起电流采集功能、电压采集功能和绝缘检测功能；微处理器通过电流采样电路采集采样电阻两端的采样电阻电压，并将采样电阻电压数据存储在微处理器内部相应的缓冲区内；

闭合与分压串联电阻列对应串联的开关中的一个或多个，电压采样电路分别采集各个已连通的分压串联电阻列中，与高压母线负极相连的分压电阻两端的分压电压，并将分压电压发送至微处理器，微处理器将分压电压数据存储在其内部相应的缓冲区；

当与任意一个分压串联电阻列相连的开关闭合后，绝缘检测电路中的电容开始充电，检测电路开始绝缘检测；

步骤四：微处理器计算并获得母线电流值：

根据欧姆定律I＝U_c/R_c，U_c为采样电阻两端的采样电阻电压，R_c为采样电阻阻值，根据公式可计算出母线电流值I，微处理器通过基准源对母线电流值进行补偿修正，将母线电流值I的数据存储在相应缓冲区；

步骤五：微处理器计算并获得母线电压值：

根据串联电阻分压公式U＝U_f/R_f·R_z，U为母线电压检测通道上的电压，U_f为电压采集电路采集到的分压电压值，R_f为分压电阻值，R_z为分压串联电阻列的总电阻值，微处理器计算出每个母线电压检测通道的电压值U，通过基准源对母线电压值进行补偿修正，数据存储在相应缓冲区；

步骤六：进行绝缘检测：

微处理器通过所述绝缘检测电路，控制绝缘检测电路中储存能量后的电容向绝缘电阻放电，采集电容两端的电压降，通过基准源对电压降数值进行补偿修正，数据存储在相应缓冲区；电容放电前的电压即为步骤五所测量的母线电压值，放电后的电压通过电压采集电路测量得到；

步骤七：微处理器计算并获得绝缘电阻值：

根据电容放电公式

其中ΔU为电容两端的电压降，U₀为电容放电前的电压值，e为自然常数，R为绝缘电阻值，C为储能的电容容值，t为放电时间；

微处理器计算绝缘电阻值R，并将绝缘电阻值数据存储在相应缓冲区；

步骤八：CAN总线通信：

微处理器通过CAN总线收发器向CAN总线上的其他设备发送母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值；

完成上述步骤后，返回步骤二，等待定时器时间触发，并循环执行步骤二至步骤八。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述电动车高压母线监测装置，能够同时测量电池高压母线的电流、电压、绝缘阻值等关键参数，具有低成本、集成度高的特点，解决了单独的测量模块增加电池管理系统成本和能量密度的问题。

2、本发明所述电动车高压母线监测装置的测量结果稳定、准确度高、响应速度快，为电池管理系统实时提供电池关键参数，提高电池安全保护能力和剩余电量估算精度。

3、本发明所述电动车高压母线监测方法中，采用分流器式测量方法测量电流，准确度高；采用电容对绝缘电阻放电的方法测量绝缘电阻值，解决了现有方法复杂和不能同时测量电池系统正、负极绝缘的问题；采用多路相互独立的电阻分压式测量电路测量电压，可以同时测量电池端和负载端的电压值，提高电池组的安全性能。

附图说明

图1为本发明所述电动车高压母线监测装置的结构原理框图；

图2为本发明所述电动车高压母线监测装置的应用连接示意图；

图3为本发明所述电动车高压母线监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的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

如图2所示，本发明所述电动车高压母线监测装置串联于高压母线负极，并分别与高压母线正极、车身机壳、高压母线负极相连，并通过若干个开关与高压母线正极连接，所述高压母线监测装置供电接口连接电动车的12V蓄电池。

如图1所示，本发明公开了一种电动车高压母线监测装置，包括电源电路、隔离电源、微处理器、CAN(控制器局域网)总线收发器、基准源、电流测量功能模块、电压测量功能模块以及绝缘电阻测量功能模块，其中，所述电流测量功能模块由电流采样电路与采样电阻组成，所述电压测量功能模块由电压采样电路和分压电阻阵列组成，所述绝缘电阻测量功能模块为绝缘检测电路。

所述电源电路上游的供电接口与电动车的12V蓄电池相连，电源电路下游与隔离电源相连形成隔离驱动电源，该隔离驱动电源同时为微处理器、CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、电压采样电路和绝缘检测电路提供电源，保证微处理器、CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、电压采样电路和绝缘检测电路的能量供应。

所述微处理器是系统的核心部分，微处理器分别与CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、电压采样电路和绝缘检测电路信号连接，完成整个监测装置内的数据采集和数据交互，并进行参数计算，此外，还对电流测量功能模块、电压测量功能模块以及绝缘电阻测量功能模块进行驱动；

所述微处理器内部含有一个定时器，根据定时器的时间同时发起电流电压测量，通过电流测量功能模块测量并计算获得母线电流；通过电压测量功能模块测量并计算获得母线电压；通过绝缘电阻测量功能模块测量并计算获得母线的绝缘电阻值；微处理器通过基准源对母线电流值、母线电压值、绝缘电阻值的测量和计算进行补偿修正；微处理器通过CAN总线收发器与外界进行数据交互，将修正后的母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值向外发送。

所述CAN总线收发器与微处理器连接，用于完成整个监测装置与外界的数据交互，将测量并修正后的母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值数据发送给CAN总线上连接的其他设备，并且接收CAN总线上连接的其他设备发出的数据；

所述基准源是高精度的基准模块，基准源与微处理器连接，为微处理器提供模数转换采样基准，校正电流采样电路、电压采样电路以及绝缘检测电路所造成的测量误差，以提高系统测量精度；

所述电流采样电路与采样电阻相连接组成电流测量功能模块，所述采样电阻即分流器，采样电阻串联在高压母线负极上，根据欧姆定律，电流通过采样电阻后在采样电阻两端产生采样电阻电压，电流采样电路与微处理器相连，将采集到的采样电阻电压数据发送给微处理器，微处理器再根据已知的采样电阻的阻值即可获得母线电流值。

所述电压采样电路与分压电阻阵列相连组成电压测量功能模块，所述分压电阻阵列由若干个分压串联电阻列并联组成，每个分压串联电阻列均由若干个分压电阻串联组成，所述分压串联电阻列与高压母线之间一一对应地串联有开关，即分别为开关1、开关2、开关3···开关N，N对应地为分压电阻阵列中分压串联电阻列的个数，此外，一个分压串联电阻列通过对应的开关连通在高压母线正极与高压母线负极之间形成一个母线电压检测通道，即分别形成母线电压检测通道1、母线电压检测通道2、母线电压检测通道3···母线电压检测通道N，N对应地为分压电阻阵列中分压串联电阻列的个数，由于各分压串联电阻列均并联在高压母线正极与高压母线负极之间，故各个母线电压检测通道上的电压均相等，并理论上等于待测量的母线电压，高压母线电压经分压电阻阵列分压后，待测的分压电阻两端的电压小于母线电压，电压采样电路与微处理器连接，通过电压采样电路采集分压电阻的电压并发送至微处理器，根据串联电阻分压公式，经微处理器计算即可获得母线电压值。

所述绝缘检测电路为绝缘电阻测量功能模块，本发明中所述的绝缘检测电路为已公开的专利申请号为2017109542292，名称为一种电动车高压绝缘检测方法及其检测系统中所述的绝缘检测电路，绝缘检测电路一侧与微处理器连接，另一侧分别与高压母线正极、车身机壳、高压母线负极相连，绝缘检测电路中，储存能量后的电容向绝缘电阻放电，微处理器通过一定时间后电容两端电压降可以计算出母线的绝缘电阻值。

基于上述电动车高压母线监测装置的具体组成结构，本发明还公开了一种电动车高压母线监测装置的监测方法，如图3所示，所述监测方法具体过程如下：

步骤一：高压母线监测处于初始状态；

步骤二：微处理器等待其内部的定时器时间触发，定时器预先设定时间值，如果计时达到设定时间值时，则触发并进入步骤三，否则在本步骤等待；

步骤三：进行电流及电压采样，并开始绝缘检测：

微处理器同时发起电流采集功能、电压采集功能和绝缘检测功能；如图2所示，微处理器通过电流采样电路采集采样电阻两端的采样电阻电压，并将采样电阻电压数据存储在微处理器内部相应的缓冲区内；

同时闭合连通与分压串联电阻列一一对应串联的开关1至开关N，或者，根据实际需要选择性地闭合连通与分压串联电阻列对应串联的开关，电压采样电路分别采集各个已连通的分压串联电阻列中，与高压母线负极相连的分压电阻两端的分压电压，并将分压电压发送至微处理器，微处理器将分压电压数据存储在其内部相应的缓冲区；

当与任意分压串联电阻列相连的开关闭合联通，即在高压母线正极与高压母线负极之间形成通路的母线电压检测通道后，所述检测电路中对应的电容开始充电，检测电路开始绝缘检测；如前所述，本发明所述绝缘检测功能模块中的绝缘检测电路为已公开的专利申请号为2017109542292，名称为：一种电动车高压绝缘检测方法及其检测系统中所述的绝缘检测电路，绝缘检测电路的绝缘检测方法及过程详见上述专利；

步骤四：微处理器计算并获得母线电流值：

根据欧姆定律I＝U_c/R_c，U_c为采样电阻两端的采样电阻电压，R_c为采样电阻阻值，根据公式可计算出母线电流值I，微处理器通过基准源对母线电流值进行补偿修正，将母线电流值I的数据存储在相应缓冲区；

步骤五：微处理器计算并获得母线电压值：

根据串联电阻分压公式U＝U_f/R_f·R_z，U为母线电压检测通道上的电压，U_f为分压后电压采集电路采集到的分压电压值，R_f为分压电阻值，R_z为分压串联电阻列的总电阻值，微处理器计算出每个母线电压检测通道的电压值U，通过基准源对母线电压值进行补偿修正，数据存储在相应缓冲区，设置多个母线电压检测通道一方面可分别测量电池输出端和负载端电压，另一方面也可作为安全冗余控制的参考数据，例如计算各个母线电压检测通道的电压值U的平均值，即可获得相对准确的母线电压值。实际应用中依据不同使用的方法而实现不同的功能；

步骤六：进行绝缘检测：

微处理器通过所述绝缘检测电路，控制绝缘检测电路中储存能量后的电容向绝缘电阻放电，采集该电容两端的电压降，通过基准源对电压降数值进行补偿修正，数据存储在相应缓冲区；电容放电前的电压即为步骤五所测量的母线电压值，放电后的电压通过电压采集电路测量得到。

步骤七：微处理器计算并获得绝缘电阻值：

根据电容放电公式

其中ΔU为电容两端的电压降，U₀为电容放电前的电压值，e为自然常数，R为绝缘电阻值，C为储能的电容容值，t为放电时间；

微处理器根据测量得到的一定放电时间t前后电容两端电压，可计算出绝缘电阻值R，并将绝缘电阻值数据存储在相应缓冲区；

步骤八：CAN总线通信：

微处理器通过CAN总线收发器向CAN总线上的其他设备发送母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值。

完成上述步骤后，返回步骤二，等待定时器时间触发，并循环执行步骤二至步骤八。

通过本发明上述的电动车高压母线监测装置及监测方法可以同时测量高压母线的电流、电压和绝缘电阻值，精度高，响应快，同步性好。

Claims (3)

1.一种电动车高压母线监测装置，其特征在于：

包括电源电路、隔离电源、微处理器、CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、采样电阻、电压采样电路、分压电阻阵列和绝缘检测电路；

所述电源电路与隔离电源相连后分别与微处理器、CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、电压采样电路和绝缘检测电路电连接；

所述微处理器分别与CAN总线收发器、基准源、电流采样电路、电压采样电路和绝缘检测电路信号连接，所述微处理器内部设有定时器；

所述采样电阻串联在高压母线负极上，电流采样电路与采样电阻相连，电流采样电路将采集到的采样电阻电压信号发送至微处理器；

所述分压电阻阵列连接在高压母线正极与高压母线负极之间，且分压电阻阵列与高压母线之间设有开关，电压采样电路与分压电阻阵列相连，电压采样电路将采集到的分压电阻阵列中的分压电压信号发送至微处理器；

所述绝缘检测电路分别与高压母线正极、车身机壳、高压母线负极相连，绝缘检测电路将采集到的电容电压信号发送至微处理器；

所述基准源将基准信号发送至微处理器，微处理器接收基准信号后对所测量的母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值进行校准修正；

所述CAN总线收发器接收微处理器发送的修正后的母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值，并与CAN总线上连接的设备进行数据交互。

2.如权利要求1所述一种电动车高压母线监测装置，其特征在于：

所述分压电阻阵列由若干个分压串联电阻列并联组成，每个分压串联电阻列均由若干个分压电阻串联组成，所述分压串联电阻列与高压母线之间对应地串联有开关，一个分压串联电阻列通过对应的开关连通在高压母线正极与高压母线负极之间形成一个母线电压检测通道。

3.如权利要求2所述一种电动车高压母线监测装置的监测方法，其特征在于：

所述监测方法具体如下：

步骤一：高压母线监测处于初始状态；

步骤二：微处理器等待其内部的定时器时间触发进入步骤三，否则在本步骤等待；

步骤三：进行电流及电压采样，并开始绝缘检测：

微处理器同时发起电流采集功能、电压采集功能和绝缘检测功能；微处理器通过电流采样电路采集采样电阻两端的采样电阻电压，并将采样电阻电压数据存储在微处理器内部相应的缓冲区内；

闭合与分压串联电阻列对应串联的开关中的一个或多个，电压采样电路分别采集各个已连通的分压串联电阻列中，与高压母线负极相连的分压电阻两端的分压电压，并将分压电压发送至微处理器，微处理器将分压电压数据存储在其内部相应的缓冲区；

当与任意一个分压串联电阻列相连的开关闭合后，绝缘检测电路中的电容开始充电，检测电路开始绝缘检测；

步骤四：微处理器计算并获得母线电流值：

根据欧姆定律I＝U_c/R_c，U_c为采样电阻两端的采样电阻电压，R_c为采样电阻阻值，根据公式可计算出母线电流值I，微处理器通过基准源对母线电流值进行补偿修正，将母线电流值I的数据存储在相应缓冲区；

步骤五：微处理器计算并获得母线电压值：

根据串联电阻分压公式U＝U_f/R_f·R_z，U为母线电压检测通道上的电压，U_f为电压采集电路采集到的分压电压值，R_f为分压电阻值，R_z为分压串联电阻列的总电阻值，微处理器计算出每个母线电压检测通道的电压值U，通过基准源对母线电压值进行补偿修正，数据存储在相应缓冲区；

步骤六：进行绝缘检测：

微处理器通过所述绝缘检测电路，控制绝缘检测电路中储存能量后的电容向绝缘电阻放电，采集电容两端的电压降，通过基准源对电压降数值进行补偿修正，数据存储在相应缓冲区；电容放电前的电压即为步骤五所测量的母线电压值，放电后的电压通过电压采集电路测量得到；

步骤七：微处理器计算并获得绝缘电阻值：

根据电容放电公式

其中ΔU为电容两端的电压降，U₀为电容放电前的电压值，e为自然常数，R为绝缘电阻值，C为储能的电容容值，t为放电时间；

微处理器计算绝缘电阻值R，并将绝缘电阻值数据存储在相应缓冲区；

步骤八：CAN总线通信：

微处理器通过CAN总线收发器向CAN总线上的其他设备发送母线电流值、母线电压值以及绝缘电阻值；

完成上述步骤后，返回步骤二，等待定时器时间触发，并循环执行步骤二至步骤八。