CN113655278A - 一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，该方法可以准确快速的计算出正负极绝缘阻值，在电动汽车动力电池连接的情况下，考虑了系统Y电容对采样电压的影响，采用滑动窗口内一元线性回归方程的斜率的形式，只保存滑动窗口内的采样电压数据，数据存储量小，占用内存小，更适合在车载嵌入式系统中使用；同时，该方法能够在采样电压达到平稳状态时快速确定并计算出平稳值，减小了计算误差；将平稳状态判断过程中采样得到的动力电池电压值进行算术平均值滤波，减小了动力电池电压波动对计算结果的影响，更具有实用性。

Description

一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，更具体的说是涉及一种在电动汽车动力电池连接时基于滑动窗口内一元线性回归方程斜率的绝缘阻值检测方法。

背景技术

目前，随着汽车污染物排放日益严重，电动汽车变得越来越受欢迎。锂离子电池具有较高的能量密度和功率密度，其高电压可以显著提高能量利用率。因此，大多数电动汽车使用高压锂离子电池作为动力电池。由于高压锂离子电池属于高压直流系统，因此动力电池的高压绝缘性能对于电动汽车的安全驾驶具有重要意义。电动汽车的运行条件复杂，常面临高温、高湿、高盐雾和振动碰撞等复杂环境。这些因素都会导致动力电池正负极母线和车辆电底盘之间的绝缘性能下降，使车辆底盘电位上升或下降，影响低压部件和高压部件的正常工作，危及驾乘人员的人身安全。因此对电动汽车动力电池绝缘电阻的检测至关重要，是电动汽车电气安全技术的核心内容，对整车和驾乘人员的安全具有重要意义。

不同于传统燃油车，电动汽车由众多高压部件组成，为了隔离高压母线和高压器件之间的电磁干扰，一般会在高压器件的电源入口处加入Y电容。对于电动汽车而言，一方面，车上众多高压部件附属的Y电容客观导致高压母线两极与车辆底盘之间一定会存在Y电容；另一方面，贯穿车身的高压母线线缆与底盘之间也会形成等效的Y电容。高压母线与电底盘之间跨接的系统Y电容，会使两者之间的阻抗特性发生改变，影响高压母线和地之间的绝缘性能。

传统的绝缘阻值检测方法按照是否有外接电源可以分为无源式与有源式，常用的方法主要有电桥法和信号注入法。电桥法属于无源式，其基本原理是在动力电池正负极母线和车辆电底盘之间接入限流电阻，通过电子开关改变限流电阻的大小，测量在接入不同电阻情况下被测电阻上的分压，最后通过解方程计算绝缘电阻。电桥法电路简单，可以直接计算绝缘电阻，但该方法存在较多弊端。比如电路中加入的电子开关会对高压母线引入开关噪声，再比如由于动力电池两极和电底盘之间存在Y电容，电桥法需要增加测量周期来提高绝缘电阻检测精度，因此会降低测量系统响应速度。

信号注入法属于有源式，其基本原理是通过车辆电底盘向高压系统注入检测信号，通过测量采样电阻上的电压信号来计算绝缘阻值。与电桥法相比，该方法没有在高压母线上引入开关噪声。目前，基于低频信号的注入法在电动汽车绝缘检测中得到了广泛应用。但是，动力电池两极和电底盘之间存在Y电容，由于Y电容的充放电过程，过短的信号周期会导致采样电压达不到平稳值，使绝缘阻值的测量结果偏小，引起系统误报警，信号周期过长则会降低测量系统响应速度。且Y电容值易受车辆零部件更换、环境温度湿度变化等外部因素的影响，进一步影响绝缘阻值测量精度和测量周期。此外，电动汽车的工况非常复杂，信号容易受到噪声的干扰，进一步导致测量精度的降低。

不难发现，现有的电动汽车动力电池绝缘阻值检测方法检测精度较低、时效性差且检测效率难以保证，无法满足实际使用需求。

因此，如何提供一种高效、精确的电动汽车动力电池绝缘电阻值检测方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，该方法基于滑动窗口内一元线性回归方程斜率的绝缘阻值检测算法，能够准确判断出采样电压是否达到平稳值，消除Y电容对测量结果的影响，并快速准确的计算出绝缘阻值的大小，有效解决了现有的绝缘阻值检测方法检测精度较低、时效性差且检测效率难以保证等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，该方法包括：

S1：构建含有Y电容的动力电池连接时的绝缘检测电路模型，并获取所述绝缘检测电路中各时刻的采样电压；

S2：采用滑动窗口内一元线性回归方程斜率的形式判断采样电压是否达到平稳值，并在采样电压达到平稳值后，分别获取正半周期和负半周期采样电压的平稳值；

S3：将采样电压平稳值判定过程中采样得到的动力电池电压进行算术平均值滤波，得到对应的动力电池电压值；

S4：根据所述正半周期和负半周期采样电压的平稳值以及所述动力电池电压值，计算得到绝缘阻值。

进一步地，所述S1中，含有Y电容的动力电池连接时的绝缘检测电路模型包括电动汽车高压系统等效电路和绝缘检测电路；

所述电动汽车高压系统等效电路包括动力电池、正极绝缘电阻、负极绝缘电阻、正极Y电容、负极Y电容以及电底盘，所述动力电池的正极分别与所述正极绝缘电阻和所述正极Y电容电连接，所述动力电池的负极分别与所述负极绝缘电阻和所述负极Y电容电连接，所述正极绝缘电阻、负极绝缘电阻、正极Y电容和负极Y电容均与所述电底盘电连接；

所述绝缘检测电路包括第一限流电阻、第二限流电阻、采样电阻以及脉冲信号发生器，所述第一限流电阻一端与所述动力电池的正极电连接，所述第二限流电阻的一端与所述动力电池的负极电连接，所述第一限流电阻的另一端和所述第二限流电阻的另一端均与所述采样电阻电连接，所述脉冲信号发生器与所述电底盘电连接，所述脉冲信号发生器和所述采样电阻均接地。

本发明中上述绝缘检测电路模型工作时，脉冲信号发生器产生幅值为U_s的方波信号，通过电底盘注入到汽车高压系统等效电路中，经过电动汽车的正极绝缘电阻、负极绝缘电阻以及正极Y电容和负极Y电容，流回到绝缘检测电路中，信号经过采样电路上的第一限流电阻和第二限流电阻，回到采样电阻。

设采样电阻上第k时刻的采样电压值为U_f(k)，将脉冲信号发生器在发生正负半周期转变的时刻定为0时刻。在正半周期内，从0时刻开始，采样电压值逐渐下降，并趋于平稳；在负半周期内，从0时刻开始，采样电压值逐渐上升，并趋于平稳。在进行绝缘阻值的计算时，如果采样电压仍在上升和下降的过程中，会导致计算得到的绝缘阻值偏小，因此需要在采样电压达到平稳时进行绝缘阻值的计算，这就涉及到了S2中平稳值的判定过程。

进一步地，所述S2，具体包括：

初始化：设置滑动窗口，并设置判断是否平稳的参数ε；

比较采样电压个数与滑动窗口大小：判断所述采样电压的个数是否大于滑动窗口的大小，如果采样电压值的个数大于滑动窗口的大小，则进行下一步，否则继续采集下一时刻的采样电压；

计算电压均值：计算滑动窗口内采样电压的均值

计算公式为：

其中，w为滑动窗口的大小，k为采样电压的个数，U_f(i)为滑动窗口内i时刻的采样电压值；

计算时间均值：计算滑动窗口内时间k-w+1至时间k的均值

计算公式为：

计算斜率：计算滑动窗口内采样电压数据关于时间的一元线性回归方程的斜率b，计算公式如下：

判断平稳值：判断采样电压数据是否达到平稳值，将斜率b的绝对值与参数ε的大小进行比较，若斜率b的绝对值小于参数ε，则认为采样电压已经达到平稳值，否则将滑动窗口向前移一位，返回比较采样电压个数与滑动窗口大小步骤继续进行迭代，直至采样电压达到平稳值；当采样电压达到平稳值后，脉冲信号发生器发生正负方波信号的转变，时间重新从0时刻开始计时；

获取正负半周期采样电压的平稳值：当脉冲信号发生器在正半周期产生值为U_s+的阶跃电压时，根据得到的采样电压达到平稳值的时刻，将计算得到的滑动窗口内采样电压的均值

作为正半周期采样电压的平稳值U_f+；当脉冲信号发生器在负半周期产生值为U_s-的阶跃电压时，根据得到的采样电压达到平稳值的时刻，将计算得到的滑动窗口内采样电压的均值

作为负半周期采样电压的平稳值U_f-。

本发明通过设置合适的判断采样电压平稳的依据，能够在采样电压达到平稳状态的时候能够快速确定并计算出平稳值，减小了计算误差。

更进一步地，所述S2中，初始化步骤之后，比较采样电压个数与滑动窗口大小步骤之前，还包括

数据滤波：对所述采样电压进行滑动平均值滤波处理。

在实际的电动汽车上，存在很多干扰，导致采样电压信号包含很严重的噪声，进一步影响平稳值的判断，因此，本发明增设了数据滤波步骤，可以有效提高平稳值判定过程的可靠性。

进一步地，所述S4中，绝缘阻值包括动力电池正极相对于汽车电底盘的绝缘阻值和动力电池负极相对于汽车电底盘的绝缘阻值；

所述动力电池正极相对于汽车电底盘的绝缘阻值的计算公式为：

所述动力电池负极相对于汽车电底盘的绝缘阻值的计算公式为：

其中，R为限流电阻阻值，R_f为采样电阻值，U为动力电池电压值，U_s+为脉冲信号发生器在正半周期产生的阶跃电压值，U_s-为脉冲信号发生器在负半周期产生的阶跃电压值，U_f+为正半周期采样电压的平稳值，U_f-为负半周期采样电压的平稳值。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，该方法可以准确快速的计算出正负极绝缘阻值，在电动汽车动力电池连接的情况下，考虑了系统Y电容对采样电压的影响，采用滑动窗口内一元线性回归方程的斜率的形式，只保存滑动窗口内的采样电压数据，数据存储量小，占用内存小，更适合在车载嵌入式系统中使用；同时，该方法能够在采样电压达到平稳状态时快速确定并计算出平稳值，减小了计算误差；将平稳状态判断过程中采样得到的动力电池电压值进行算术平均值滤波，减小了动力电池电压波动对计算结果的影响，更具有实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法的实现流程示意图；

图2为本发明实施例中在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法的实现原理示意图；

图3为含有Y电容的动力电池连接时的绝缘检测电路模型结构示意图；

图4为受Y电容影响的采样电压波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1和图2，本发明实施例公开了一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，该方法包括：

S1：构建含有Y电容的动力电池连接时的绝缘检测电路模型，并获取绝缘检测电路中各时刻的采样电压。

考虑到动力电池两极与车辆电底盘之间的Y电容对绝缘阻值测量的影响，本实施例在低频注入法检测原理的基础上构建了含有Y电容的动力电池连接时的绝缘检测电路模型，如图3所示，该含有Y电容的动力电池连接时的绝缘检测电路模型包括电动汽车高压系统等效电路和绝缘检测电路。

其中，左侧为电动汽车高压系统等效电路原理图，电动汽车高压系统等效电路包括动力电池、正极绝缘电阻、负极绝缘电阻、正极Y电容、负极Y电容以及电底盘，动力电池的正极分别与正极绝缘电阻和正极Y电容电连接，动力电池的负极分别与负极绝缘电阻和负极Y电容电连接，正极绝缘电阻、负极绝缘电阻、正极Y电容和负极Y电容均与电底盘电连接。

图3中，U为动力电池电压，R_p、R_n分别为正极绝缘电阻阻值和负极绝缘电阻阻值，C_p、C_n分别为正极Y电容值和负极Y电容值。

右侧为绝缘检测电路等效原理图，绝缘检测电路包括第一限流电阻、第二限流电阻、采样电阻以及脉冲信号发生器，第一限流电阻一端与动力电池的正极电连接，第二限流电阻的一端与动力电池的负极电连接，第一限流电阻的另一端和第二限流电阻的另一端均与采样电阻电连接，脉冲信号发生器与电底盘电连接，脉冲信号发生器和采样电阻均接地。

图3中，U_s为脉冲信号发生器，负责发射方波信号，脉冲信号发生器在正负半周期内产生的电压值分别为U_s+和U_s-，R₁、R₂分别为第一限流电阻阻值和第二限流电阻阻值，且R₁＝R₂＝R，R_f为采样电阻阻值。

该电路模型的具体检测原理为：脉冲信号发生器产生幅值为U_s的方波信号，通过电底盘注入到汽车高压系统，经过电动汽车的正负极绝缘电阻R_p、R_n和正负极Y电容C_p、C_n，流回到检测电路，信号经过采样电路上的第一限流电阻R₁和第二限流电阻R₂，回到采样电阻R_f。由于系统Y电容的存在，导致采样电阻R_f上的采样电压U_f不再是方波信号，U_f的波形如图4所示。

当脉冲信号发生器在正半周期产生值为U_s+的阶跃电压时，采样电阻上会产生相应的电压信号，信号波形如图4中0至1.5秒时间段所示的采样电压。

同理，当脉冲信号发生器在负半周期产生值为U_s-的阶跃电压时，采样电阻上也会产生相应的电压信号，信号波形如图4中1.5至3秒时间段所示的采样电压。

设采样电阻上第k时刻的采样电压值为U_f(k)。将脉冲信号发生器在发生正负半周期转变的时刻定为0时刻。在正半周期内，从0时刻开始，采样电压值逐渐下降，并趋于平稳；在负半周期内，从0时刻开始，采样电压值逐渐上升，并趋于平稳。在进行绝缘阻值的计算时，如果采样电压仍在上升和下降的过程中，会导致计算得到的绝缘阻值偏小，因此需要在采样电压达到平稳时进行绝缘阻值的计算。另外，在实际的电动汽车上，存在很多干扰，导致采样电压信号包含很严重的噪声，进一步影响平稳值的判断。

S2：采用滑动窗口内一元线性回归方程斜率的形式判断采样电压是否达到平稳值，并在采样电压达到平稳值后，分别获取正半周期和负半周期采样电压的平稳值。

本发明实施例采用滑动窗口内一元线性回归方程斜率的形式来判断采样电压是否达到平稳值，共有以下八个步骤。

S201：设置滑动窗口，其大小为w，设置判断是否平稳的参数ε，当斜率的绝对值小于ε时，认为采样电压已经达到平稳值。

S202：对采样电压数据进行滑动平均值滤波处理，去除一部分噪声的干扰。

S203：判断k是否大于w，即采样电压值的个数是否大于滑动窗口的大小。如果大于w，则进行下一步，否则继续进行下一时刻采样电压信号的采样。

S204：计算滑动窗口内采样电压数据[U_f(k-w+1),...,U_f(k)]的均值

计算公式如下：

S205：计算滑动窗口内时间[k-w+1,...,k]的均值

计算公式如下：

S206：计算滑动窗口内采样电压数据[U_f(k-w+1),...,U_f(k)]关于时间[k-w+1,...,k]的一元线性回归方程的斜率b，计算公式如下：

S207：判断采样电压数据是否达到平稳值。具体为：在S206计算出k时刻的滑动窗口内采样电压数据关于时间的一元线性回归方程的斜率b后，比较b与ε的大小关系。若b的绝对值小于ε，则认为采样电压已经达到平稳值，否则将滑动窗口向前移一位，返回S202继续进行迭代，直至采样电压达到平稳值。当采样电压达到平稳值后，脉冲信号发生器发生正负方波信号的转变，时间重新从0时刻开始。

S208：当脉冲信号发生器在正半周期产生值为U_s+的阶跃电压时，通过上述七个步骤得到采样电压达到平稳值的时刻，并将S204计算得到的滑动窗口内采样电压的均值

作为正半周期采样电压的平稳值U_f+。

当脉冲信号发生器在负半周期产生值为U_s-的阶跃电压时，通过上述七个步骤得到采样电压达到平稳值的时刻，并将S204计算得到的滑动窗口内采样电压的均值

作为负半周期采样电压的平稳值U_f-。

S3：将采样电压平稳值判定过程中采样得到的动力电池电压进行算术平均值滤波，得到对应的动力电池电压值。

由于电动汽车的加速和制动过程，动力电池电压会有上下波动。在本发明实施例中，通过计算滑动窗口内一元线性回归方程的斜率，在采样电压达到平稳状态的时候能够快速确定。而且采样电压达到平稳的过程时间较短，在较短的时间内，动力电池电压的波动可以看作均值为一个定值的随机过程。因此，将平稳值判定过程中采样得到的动力电池电压值进行算术平均值滤波，即将一个信号周期内的动力电池电压进行算术平均值滤波，以消除电压波动带来的影响，得到对应的动力电池电压值U。

S4：根据正半周期和负半周期采样电压的平稳值以及动力电池电压值，计算得到绝缘阻值。

于是，动力电池正极相对于汽车电底盘的绝缘阻值计算公式为：

动力电池负极相对于汽车电底盘的绝缘阻值计算公式为：

本发明的要点在于实际考虑了电动汽车高压系统中Y电容对测量过程的影响，通过分析采样电压波形，采用滑动窗口内一元线性回归方程斜率的形式来判断采样电压是否达到平稳值，最后通过采样电压的平稳值来计算出绝缘阻值大小。本发明在低频信号注入法的基础上，将一元线性回归方程运用在绝缘检测中，消除了Y电容对测量结果的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，其特征在于，包括：

S1：构建含有Y电容的动力电池连接时的绝缘检测电路模型，并获取所述绝缘检测电路中各时刻的采样电压；

S2：采用滑动窗口内一元线性回归方程斜率的形式判断采样电压是否达到平稳值，并在采样电压达到平稳值后，分别获取正半周期和负半周期采样电压的平稳值；

S3：将采样电压平稳值判定过程中采样得到的动力电池电压进行算术平均值滤波，得到对应的动力电池电压值；

S4：根据所述正半周期和负半周期采样电压的平稳值以及所述动力电池电压值，计算得到绝缘阻值。

2.根据权利要求1所述的一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，其特征在于，所述S1中，含有Y电容的动力电池连接时的绝缘检测电路模型包括电动汽车高压系统等效电路和绝缘检测电路；

所述电动汽车高压系统等效电路包括动力电池、正极绝缘电阻、负极绝缘电阻、正极Y电容、负极Y电容以及电底盘，所述动力电池的正极分别与所述正极绝缘电阻和所述正极Y电容电连接，所述动力电池的负极分别与所述负极绝缘电阻和所述负极Y电容电连接，所述正极绝缘电阻、负极绝缘电阻、正极Y电容和负极Y电容均与所述电底盘电连接；

所述绝缘检测电路包括第一限流电阻、第二限流电阻、采样电阻以及脉冲信号发生器，所述第一限流电阻一端与所述动力电池的正极电连接，所述第二限流电阻的一端与所述动力电池的负极电连接，所述第一限流电阻的另一端和所述第二限流电阻的另一端均与所述采样电阻电连接，所述脉冲信号发生器与所述电底盘电连接，所述脉冲信号发生器和所述采样电阻均接地。

3.根据权利要求1所述的一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，其特征在于，所述S2，具体包括：

初始化：设置滑动窗口，并设置判断是否平稳的参数ε；

比较采样电压个数与滑动窗口大小：判断所述采样电压的个数是否大于滑动窗口的大小，如果采样电压值的个数大于滑动窗口的大小，则进行下一步，否则继续采集下一时刻的采样电压；

计算电压均值：计算滑动窗口内采样电压的均值

计算公式为：

其中，w为滑动窗口的大小，k为采样电压的个数，U_f(i)为滑动窗口内i时刻的采样电压值；

计算时间均值：计算滑动窗口内时间k-w+1至时间k的均值

计算公式为：

计算斜率：计算滑动窗口内采样电压数据关于时间的一元线性回归方程的斜率b，计算公式如下：

判断平稳值：判断采样电压数据是否达到平稳值，将斜率b的绝对值与参数ε的大小进行比较，若斜率b的绝对值小于参数ε，则认为采样电压已经达到平稳值，否则将滑动窗口向前移一位，返回比较采样电压个数与滑动窗口大小步骤继续进行迭代，直至采样电压达到平稳值；当采样电压达到平稳值后，脉冲信号发生器发生正负方波信号的转变，时间重新从0时刻开始计时；

获取正负半周期采样电压的平稳值：当脉冲信号发生器在正半周期产生值为U_s+的阶跃电压时，根据得到的采样电压达到平稳值的时刻，将计算得到的滑动窗口内采样电压的均值

作为正半周期采样电压的平稳值U_f+；当脉冲信号发生器在负半周期产生值为U_s-的阶跃电压时，根据得到的采样电压达到平稳值的时刻，将计算得到的滑动窗口内采样电压的均值

作为负半周期采样电压的平稳值U_f-。

4.根据权利要求3所述的一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，其特征在于，所述S2中，初始化步骤之后，比较采样电压个数与滑动窗口大小步骤之前，还包括

数据滤波：对所述采样电压进行滑动平均值滤波处理。

5.根据权利要求1所述的一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，其特征在于，所述S4中，绝缘阻值包括动力电池正极相对于汽车电底盘的绝缘阻值和动力电池负极相对于汽车电底盘的绝缘阻值。

6.根据权利要求5所述的一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，其特征在于，所述动力电池正极相对于汽车电底盘的绝缘阻值的计算公式为：

其中，R为限流电阻阻值，R_f为采样电阻值，U为动力电池电压值，U_s+为脉冲信号发生器在正半周期产生的阶跃电压值，U_s-为脉冲信号发生器在负半周期产生的阶跃电压值，U_f+为正半周期采样电压的平稳值，U_f-为负半周期采样电压的平稳值。

7.根据权利要求5所述的一种在电动汽车动力电池连接时的绝缘阻值检测方法，其特征在于，所述动力电池负极相对于汽车电底盘的绝缘阻值的计算公式为：

其中，R为限流电阻阻值，R_f为采样电阻值，U为动力电池电压值，U_s+为脉冲信号发生器在正半周期产生的阶跃电压值，U_s-为脉冲信号发生器在负半周期产生的阶跃电压值，U_f+为正半周期采样电压的平稳值，U_f-为负半周期采样电压的平稳值。

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