CN109917186B - 一种车辆高压直流系统绝缘监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆高压直流系统绝缘监测装置及监测方法，能够兼容满足系统上高压电状态下或者未上高压电状态下的绝缘性能检测要求，并且能够在系统绝缘检测功能被使能之前通过内置标准电阻进行内部自检测，确认绝缘检测功能的有效性，从而避免绝缘监测装置的漏警和虚警。在系统未上高压电时，通过切换开关分别将正母线和负母线独立接入绝缘检测电路，并选择阻值范围最接近的标准电阻准确测量等效绝缘电阻的阻值。在系统已上高压电时，通过两个内置标准电阻及其串联开关制造两种电路状态，根据两次测量结果计算正母线对车体机壳等效绝缘电阻和负母线对车体机壳等效绝缘电阻的整体并联值。根据绝缘电阻的测量结果，评估车辆绝缘性能。

Description

一种车辆高压直流系统绝缘监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及采用高压直流系统的纯电动车辆或混合动力车辆的高压直流系统绝缘监测或者漏电检测领域。

背景技术

纯电动汽车或者混合动力车辆内含有高压部件，包括高压动力电池组、高压配电盒、电机控制器、以及电动压缩机和DC/DC等高压负载。这些高压部件都会涉及到绝缘问题，且电动汽车工作环境复杂，振动、温度、湿度以及部件老化等都会使整车绝缘性能逐渐下降。

当系统中只有单点绝缘性能下降，暂时对系统不会产生明显影响，但由于此时车辆壳体金属部位带电，对乘员、维修人员存在潜在的触电风险，同时也影响电器的正常工作；当出现多点绝缘失效，则漏电流可能形成回路，不但影响电器设备工作，还可能会引发电弧和火灾。

国标GB-T 18384-2015电动汽车安全要求中规定，直流电路绝缘电阻最低要求为100Ω/V；国外标准SAE J1766中规定在系统标称电压下，直流电路绝缘电阻最低要求为≥500Ω/V。在2018年1月工信部公示《电动汽车安全要求》强制标准征求稿中对于绝缘警示作了进一步说明，要求参照GB7258-2017《机动车运行安全技术条件》相关条例措施，强制要求具有绝缘电阻监测功能，在整车绝缘电阻低于规定要求时，应通过一个明显的信号装置提醒驾驶人。

目前车辆高压直流系统绝缘监测方法主要包括电流传感法、低频信号注入法、桥式电阻法等。电流传感法直接检测漏电流大小但无法确定绝缘失效程度和失效位置，当只发生单点绝缘性能下降时，由于不形成漏电流回路，因此无法检测单点绝缘故障。

低频信号注入法会使直流系统纹波增大，影响供电质量，而且系统的分布电容会直接影响测量结果精度，因此绝缘检测精度较低。

桥式电阻法要求高压直流系统必须上电后才能进行系统绝缘性能检测，因此适合并广泛应用于高压电池包内部正负母线对壳体绝缘性能监测。当高压电池包内部继电器未闭合时，车辆中其他部件处于未上高压电状态。车辆高压直流系统未上高压电时，也需要检测系统绝缘性能，一方面是从安全性考虑避免上高压电后出现潜在漏电风险；另一方面是在车辆维修和维护模式下为检修人员提供便利。

除此之外，目前已有车辆高压直流系统绝缘监测技术不具有内部自检测(Built-in-test，BIT)功能。当绝缘监测装置自身发生故障时，发生虚警则影响整车运行。若绝缘监测装置不能检测绝缘故障发生漏警，则存在潜在风险。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种车辆高压直流系统绝缘监测装置及监测方法，能够兼容满足系统上高压电状态下或者未上高压电状态下的绝缘性能检测要求，并且能够在系统绝缘检测功能被使能之前进行内部自检测，确认绝缘检测功能的有效性，从而避免绝缘监测装置的漏警和虚警。

技术方案：一种车辆高压直流系统绝缘监测装置，包括绝缘检测电路、正母线检测切换开关、负母线检测切换开关、第一电压检测电路、第二电压检测电路、微控制器；所述绝缘检测电路包括低压激励电源V_CC、第一标准电阻、第二标准电阻、第三标准电阻、第四标准电阻、第一标准电阻切换开关、第二标准电阻切换开关，第三标准电阻一端接于低压激励电源V_CC负极，第三标准电阻另一端作为绝缘检测电路负检测端子，第四标准电阻一端接于低压激励电源V_CC正极，第四标准电阻另一端作为绝缘检测电路正检测端子，第一标准电阻与第一标准电阻切换开关串联后接入绝缘检测电路正检测端子和负检测端子之间，第二标准电阻与第二标准电阻切换开关串联后接入绝缘检测电路正检测端子和负检测端子之间；所述车辆高压直流系统绝缘监测装置包括三个检测输入端，分别为高压直流系统正母线、高压直流系统负母线和车体机壳，高压直流系统正母线通过正母线检测切换开关接入绝缘检测电路正检测端子，高压直流系统负母线通过负母线检测切换开关接入绝缘检测电路正检测端子，车体机壳与绝缘检测电路负检测端子直接相连；所述第一电压检测电路检测高压直流系统正母线和高压直流系统负母线的电压差，所述第二电压检测电路检测第三标准电阻上的电压；第一电压检测电路和第二电压检测电路的输出连接微控制器。

一种车辆高压直流系统绝缘监测装置的监测方法，包括在系统未上高压电时进行绝缘电阻检测步骤、系统已上高压电时进行绝缘电阻检测步骤；其中：

系统未上高压电时进行绝缘电阻检测步骤包括如下具体步骤：分别通过正母线检测切换开关和负母线检测切换开关将高压直流系统正母线或高压直流系统负母线接入绝缘检测电路正检测端子，测量第三标准电阻上的电压，根据第三标准电阻上的电压的范围，选择阻值范围最接近的标准电阻测量等效绝缘电阻的阻值；

系统已上高压电时进行绝缘电阻检测步骤包括如下具体步骤：断开正母线检测切换开关，闭合负母线检测切换开关，只将高压直流系统负母线接入绝缘检测电路正检测端子，分别只接通第一标准电阻切换开关或只接通第二标准电阻切换开关，并分别测量第三标准电阻上的电压，并根据两次第三标准电阻上的电压测量结果计算高压直流正母线对车体机壳等效绝缘电阻和高压直流负母线对车体机壳等效绝缘电阻的整体并联值。

进一步的，通过高压直流系统正母线和高压直流系统负母线的电压差判断系统高压电上电状态；当所述电压差小于5％母线额定电压时，认为系统未上高压电；当所述电压差大于10％母线额定电压时，认为系统已上高压电。

进一步的，系统已上高压电时进行绝缘电阻检测步骤中，在得到高压直流正母线对车体机壳等效绝缘电阻和高压直流负母线对车体机壳等效绝缘电阻的整体并联值后，在系统断开高压电时，再通过系统未上高压电时的所述绝缘电阻检测步骤确定正母线对地绝缘性能下降还是负母线对地绝缘性能下降。

进一步的，还包括绝缘检测功能自检步骤，具体包括如下步骤：断开正母线检测切换开关和负母线检测切换开关，利用第一标准电阻和第二标准电阻分别接入绝缘检测电路，测量第三标准电阻上的电压是否在允许误差范围内实现自检测；当自检通过时则认为绝缘检测功能有效，自检测不通过时则认为绝缘检测功能失效。

进一步的，根据所述等效绝缘电阻的阻值或所述等效绝缘电阻的整体并联值评估车辆绝缘性能，并根据测量得到的阻值或整体并联值的大小将车辆绝缘性能依次划分等级为：绝缘性能正常、绝缘性能下降、绝缘性能严重下降、严重漏电故障，并通过通讯总线上传至整车配电系统控制器或整车控制器。

进一步的，所述第一标准电阻选取范围为2MΩ至500kΩ，第二标准电阻选取范围为100kΩ至50kΩ。

一种车辆高压直流系统高压配电盒，包括若干配电分支路和配电开关以及熔断器，高压配电盒壳体接于车体底盘或金属结构，所述绝缘监测装置设置在车辆高压直流系统配电盒中，绝缘监测装置检测高压配电盒的高压直流输入和配电盒壳体绝缘性能，并将绝缘检测结果通过通讯总线发送给高压配电盒内部的高压配电控制器，并传送到整车CAN总线。

有益效果：(1)能够兼容满足系统上高压电状态下或者未上高压电状态下的绝缘性能检测要求；能够在系统上高压电在线运行时监测系统绝缘性能，提高车辆安全性。也能够在系统未上高压电状态下监测系统绝缘性能，当不满足绝缘性能指标时，可利用整车高压互锁功能避免高压电接通，同时为维护人员进行检修车辆时提供了便利。

(2)能够在系统绝缘检测功能被使能之前进行内部自检测，确认绝缘检测功能的有效性，从而避免绝缘监测装置的漏警和虚警，提高了安全性和车辆驾驶体验。

(3)通过判定等效绝缘电阻所在大小的区间，选择阻值范围最接近的标准电阻准确测量等效绝缘电阻的阻值，从而提高测量精度。

本发明的技术方案可广泛应用于纯电动汽车或者混合动力车辆高压直流系统，也能够拓展应用于飞机高压直流系统。

附图说明

图1是绝缘监测装置的实施例原理框图；

图2是绝缘监测方法总流程图；

图3是具有绝缘监测功能的高压配电盒实施例框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1和图2所示，对于某电动车辆采用高压直流500V系统，车辆高压直流系统绝缘监测装置包括绝缘检测电路、正母线检测切换开关S_0A、负母线检测切换开关S_0B、第一电压检测电路、第二电压检测电路、微控制器。

绝缘检测电路包括低压激励电源V_CC、第一标准电阻R₁、第二标准电阻R₂、第三标准电阻R₃、第四标准电阻R₄、第一标准电阻切换开关S₁、第二标准电阻切换开关S₂。第三标准电阻R₃一端接于低压激励电源V_CC负极，第三标准电阻R₃另一端作为绝缘检测电路负检测端子COM-，第四标准电阻R4一端接于低压激励电源V_CC正极，第四标准电阻R₄另一端作为绝缘检测电路正检测端子COM+。第一标准电阻R₁与第一标准电阻切换开关S₁串联后接入绝缘检测电路正检测端子COM+和负检测端子COM-之间，第二标准电阻R₂与第二标准电阻切换开关S₂串联后接入绝缘检测电路正检测端子COM+和负检测端子COM-之间。为提高对绝缘电阻的测量精度，R₁取值优选为2MΩ～500kΩ；R₂取值优选为100kΩ～50kΩ；R₃和R₄取值相等，记为R，取值优选范围为100kΩ～250kΩ；低压激励电源V_CC优选范围是12～28V。

车辆高压直流系统绝缘监测装置包括三个检测输入端，分别为高压直流系统正母线、高压直流系统负母线和车体机壳，高压直流系统正母线通过正母线检测切换开关S_0A接入绝缘检测电路正检测端子COM+，高压直流系统负母线通过负母线检测切换开关S_0B接入绝缘检测电路正检测端子COM+，车体机壳与绝缘检测电路负检测端子COM-直接相连。第一电压检测电路检测高压直流系统正母线和高压直流系统负母线的电压差V_BUS，第二电压检测电路检测第三标准电阻R₃上的电压；第一电压检测电路和第二电压检测电路的输出连接微控制器。

监测方法包括如下步骤：

步骤1：绝缘检测功能自检步骤。

(1.1)S_0A和S_0B断开、S₁闭合、S₂断开，R₁接入电路，测得标准电阻R₃上的电压为V_{BIT_1}，V_{BIT_1}的理论计算值为

(1.2)S_0A和S_0B断开、S₁断开、S₂闭合，R₂接入电路，测得标准电阻R₃上的电压为V_{BIT_2}，V_{BIT_2}的理论计算值为

(1.3)由于存在检测电路误差，因此利用相对误差Δ₁和Δ₂进行自检测。当Δ₁≤0.05且Δ₂≤0.05时自检测通过，认为绝缘检测功能有效。否则自检测不通过，认为绝缘检测功能失效。其中Δ₁和Δ₂的计算方法如下。

步骤2：系统高压电上电状态判断。

当测得高压直流系统正母线和高压直流系统负母线的电压差V_BUS小于5％母线额定电压时，认为系统未上高压电，可能是高压电池组继电器未闭合，或者高压直流母线输入断开，执行步骤3。

当测得高压直流系统正母线和高压直流系统负母线的电压差V_BUS大于10％母线额定电压时，认为系统已上高压电，执行步骤4。

当测得高压直流系统正母线和高压直流系统负母线的电压差V_BUS在5％～10％母线额定电压之间时，表明高压直流系统处于短暂的上电过程中，车辆高压直流系统绝缘监测装置不作任何判断。

步骤3：系统未上高压电时绝缘监测。

(3.1)测量正母线对车体机壳等效绝缘电阻Rx。

具体方法为：S_0A闭合、S_0B断开、S₁和S₂均断开，测得标准电阻R₃上的电压为V_{OFF_1}。根据V_{OFF_1}的大小，选择阻值范围最接近的标准电阻R₁或R₂准确测量等效绝缘电阻的阻值，从而提高测量精度。

若V_{OFF_1}≤V_{BIT_1}时，则

若V_{OFF_1}≥V_{BIT_2}时，则

若V_{BIT_1}＜V_{OFF_1}＜V_{BIT_2}时，则

(3.2)测量负母线对车体机壳等效绝缘电阻Ry。

具体方法为：S_0A断开、S_0B闭合、S₁和S₂均断开，测得标准电阻R₃上的电压为V_{OFF_2}。

若V_{OFF_2}≤V_{BIT_1}时，则

若V_{OFF_2}≥V_{BIT_2}时，则

若V_{BIT_1}＜V_{OFF_2}＜V_{BIT_2}时，则

步骤4：系统已上高压电时绝缘监测。

在系统已经上高电状态下，由于高压直流电源已经接入绝缘电阻测量电路中，相当于该电路中又多了一个激励电源，因此步骤3中不上高压电情况下的计算方法不再适用。但可以利用开关S₁和S₂，人为制造两种不同的电路状态，从而实现等效绝缘电阻测量。

设当S_0A断开、S_0B闭合、S₁闭合、S₂断开时，测得标准电阻R₃上的电压为V_{ON_1}。当S_0A断开、S_0B闭合、S₁断开、S₂闭合时，测得标准电阻R₃上的电压为V_{ON_2}。

经过电路理论分析，可以计算得出正母线对车体机壳等效绝缘电阻Rx和负母线对车体机壳等效绝缘电阻Ry的并联值Rxy。计算公式如下：

由于Rxy是Rx和Ry的并联数值，因此体现的正母线和负母线共同车体机壳的等效绝缘电阻。而车辆在上高压电情况下实际只需知道绝缘性能下降，从而采取相应的安全性措施，因此能够满足实际应用需要。在系统未上高压电时，再通过步骤3的方法进一步确定究竟时正母线对地绝缘性能下降还是负母线对地绝缘性能下降。

步骤5：判断车辆绝缘性能是否下降并告警。

例如对于车辆高压直流500V系统，按照国家标准GB-T 18384-2015的最低绝缘电阻阈值为50kΩ，按照国际标准SAE J1766的最低绝缘电阻阈值为250kΩ。而车辆绝缘良好的情况下，绝缘电阻一般均在1MΩ～2MΩ以上。因此设计多个绝缘电阻阈值确定。

(5.1)当Rxy大于500kΩ、Rx和Ry均大于1MΩ时，认为绝缘性能正常。

(5.2)当Rx或者Ry中任意之一处于250kΩ～1MΩ之间时，或者当Rxy处于125kΩ～500kΩ之间时，认为绝缘性能下降，应在合适时机进行检修维护，但允许车辆继续使用。

(5.3)当Rx或者Ry中任意之一处于50kΩ～250k之间时，或者当Rxy处于25kΩ～125kΩ之间时，认为绝缘性能严重下降，车辆应当降功率运行或在限定工况下使用，并在合适时机进行检修维护。

(5.4)当Rx或者Ry中任意之一小于50kΩ时，或者Rxy小于25kΩ时，认为发生严重漏电故障，应停止车辆使用并安全停车，并在合适时机进行检修维护。

如图3所示，本发明的绝缘检测装置可设置在车辆高压配电盒内。高压配电盒包括若干配电分支路和配电开关以及熔断器，高压配电盒壳体接于车体底盘或金属结构，绝缘监测装置设置在车辆高压直流系统配电盒中，绝缘监测装置检测高压配电盒的高压直流输入和配电盒壳体绝缘性能，并将绝缘检测结果，即Rx、Ry和Rxy可通过I2C通讯总线发送给高压配电盒内部的高压配电控制器，并传送到整车CAN总线。由整车控制器按照具体实施例中步骤5确定绝缘状况或者故障程度，并进一步决定采取何种措施。

例如当Rx或者Ry中任意之一小于50kΩ时，或者Rxy小于25kΩ时，认为发生严重故障，此时应首先在安全区域停止车辆运行，然后高压配电盒中配电开关全部关闭、切断所有负载，接着高压动力电池包内部继电器全部断开。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.根据车辆高压直流系统绝缘监测装置的监测方法，其特征在于，所述车辆高压直流系统绝缘监测装置包括绝缘检测电路、正母线检测切换开关S_0A、负母线检测切换开关S_0B、第一电压检测电路、第二电压检测电路、微控制器；所述绝缘检测电路包括低压激励电源V_CC、第一标准电阻R₁、第二标准电阻R₂、第三标准电阻R₃、第四标准电阻R₄、第一标准电阻切换开关S₁、第二标准电阻切换开关S₂，第三标准电阻R₃一端接于低压激励电源V_CC负极，第三标准电阻R₃另一端作为绝缘检测电路负检测端子COM-，第四标准电阻R4一端接于低压激励电源V_CC正极，第四标准电阻R₄另一端作为绝缘检测电路正检测端子COM+，第一标准电阻R₁与第一标准电阻切换开关S₁串联后接入绝缘检测电路正检测端子COM+和负检测端子COM-之间，第二标准电阻R₂与第二标准电阻切换开关S₂串联后接入绝缘检测电路正检测端子COM+和负检测端子COM-之间；所述车辆高压直流系统绝缘监测装置包括三个检测输入端，分别为高压直流系统正母线、高压直流系统负母线和车体机壳，高压直流系统正母线通过正母线检测切换开关S_0A接入绝缘检测电路正检测端子COM+，高压直流系统负母线通过负母线检测切换开关S_0B接入绝缘检测电路正检测端子COM+，车体机壳与绝缘检测电路负检测端子COM-直接相连；所述第一电压检测电路检测高压直流系统正母线和高压直流系统负母线的电压差V_BUS，所述第二电压检测电路检测第三标准电阻R₃上的电压；第一电压检测电路和第二电压检测电路的输出连接微控制器；

包括在系统未上高压电时进行绝缘电阻检测步骤、系统已上高压电时进行绝缘电阻检测步骤；其中：

系统未上高压电时进行绝缘电阻检测步骤包括如下具体步骤：分别通过正母线检测切换开关S_0A和负母线检测切换开关S_0B将高压直流系统正母线或高压直流系统负母线接入绝缘检测电路正检测端子COM+，测量第三标准电阻R₃上的电压，根据第三标准电阻R₃上的电压的范围，选择阻值范围最接近的标准电阻测量等效绝缘电阻的阻值；

(1.1)正母线检测切换开关S_0A和负母线检测切换开关S_0B断开、第一标准电阻切换开关S₁闭合、第二标准电阻切换开关S₂断开，第一标准电阻R₁接入电路，测得第三标准电阻R₃上的电压为V_{BIT_1}，V_{BIT_1}的理论计算值为

(1.2)正母线检测切换开关S_0A和负母线检测切换开关S_0B断开、第一标准电阻切换开关S₁断开、第二标准电阻切换开关S₂闭合，第二标准电阻R₂接入电路，测得第三标准电阻R₃上的电压为V_{BIT_2}，V_{BIT_2}的理论计算值为

(1.3)由于存在检测电路误差，因此利用相对误差Δ₁和Δ₂进行自检测；当Δ₁≤0.05且Δ₂≤0.05时自检测通过，认为绝缘检测功能有效；否则自检测不通过，认为绝缘检测功能失效；其中Δ₁和Δ₂的计算方法如下；

系统已上高压电时进行绝缘电阻检测步骤包括如下具体步骤：断开正母线检测切换开关S_0A，闭合负母线检测切换开关S_0B，只将高压直流系统负母线接入绝缘检测电路正检测端子COM+，分别只接通第一标准电阻切换开关S₁或只接通第二标准电阻切换开关S₂，并分别测量第三标准电阻R₃上的电压，并根据两次第三标准电阻R₃上的电压测量结果计算高压直流正母线对车体机壳等效绝缘电阻和高压直流负母线对车体机壳等效绝缘电阻的整体并联值。

2.根据权利要求1所述的车辆高压直流系统绝缘监测装置的监测方法，其特征在于，通过高压直流系统正母线和高压直流系统负母线的电压差V_BUS判断系统高压电上电状态；当所述电压差V_BUS小于5％母线额定电压时，认为系统未上高压电；当所述电压差V_BUS大于10％母线额定电压时，认为系统已上高压电。

3.根据权利要求1或2所述的辆高压直流系统绝缘监测装置的监测方法，其特征在于：系统已上高压电时进行绝缘电阻检测步骤中，在得到高压直流正母线对车体机壳等效绝缘电阻和高压直流负母线对车体机壳等效绝缘电阻的整体并联值后，在系统断开高压电时，再通过系统未上高压电时的所述绝缘电阻检测步骤确定正母线对地绝缘性能下降还是负母线对地绝缘性能下降。

4.根据权利要求1或2所述的辆高压直流系统绝缘监测装置的监测方法，其特征在于：还包括绝缘检测功能自检步骤，具体包括如下步骤：断开正母线检测切换开关S_0A和负母线检测切换开关S_0B，利用第一标准电阻R₁和第二标准电阻R₂分别接入绝缘检测电路，测量第三标准电阻R₃上的电压是否在允许误差范围内实现自检测；当自检通过时则认为绝缘检测功能有效，自检测不通过时则认为绝缘检测功能失效。

5.根据权利要求1或2所述的辆高压直流系统绝缘监测装置的监测方法，其特征在于：根据所述等效绝缘电阻的阻值或所述等效绝缘电阻的整体并联值评估车辆绝缘性能，并根据测量得到的阻值或整体并联值的大小将车辆绝缘性能依次划分等级为：绝缘性能正常、绝缘性能下降、绝缘性能严重下降、严重漏电故障，并通过通讯总线上传至整车配电系统控制器或整车控制器。

6.根据权利要求3所述的辆高压直流系统绝缘监测装置的监测方法，其特征在于：所述第一标准电阻R₁选取范围为2MΩ至500kΩ，第二标准电阻R₂选取范围为100kΩ至50kΩ。

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