CN115308539B - 一种动力系统绝缘故障定位的方法及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动力系统绝缘故障定位的方法及车辆，包括绝缘检测定位仪，绝缘检测定位仪包括检测信号发生器，检测信号发生器并联于高压母线上且与车辆底盘相连；各个高压负载对应设置有用于检测该高压负载处漏电流的电流检测装置；还包括控制器，控制器执行指令实现如下绝缘故障定位方法：控制所述检测信号发生器向高压母线输出检测电流；通过电流检测装置检测各高压负载处的漏电流；将各高压负载处的漏电流与设定阈值比较，大于设定阈值的漏电流所对应的高压负载处存在绝缘故障。本发明实现了高压绝缘故障的快速检测，能够快速定位电动汽车中的绝缘失效点，并准确给出检测值。

Description

一种动力系统绝缘故障定位的方法及车辆

技术领域

本发明涉及一种动力系统绝缘故障定位的方法及车辆，属于电动汽车绝缘故障检测领域。

背景技术

在电动汽车的整个系统中，从电气层面来看，电动汽车包含两个电气系统：

(1)以车辆底盘(比如12V、24V、48V电池负极)为电压基准的低压系统；

(2)以动力电池总负极为电压基准的高压系统；

在车辆正常运行，车况良好时，系统间存在着电气隔离，但是当电气隔离失效或者发生裂化时，高压系统可能与低压系统建立电流回路，容易产生人员触电及其他风险。

因为系统间的绝缘电阻值可以在一定程度上表现系统间的隔离情况并且能够将其量化表达，所以电动汽车必须具有绝缘电阻的检测能力，才能够对潜在绝缘故障风险进行监测与应对。

现有技术中针对绝缘检测的主流方法是通过电桥法。如图1，平衡电桥法因为人为并入上下桥臂的电阻阻值相等，所以引入电路的改变是平衡的。当绝缘电阻出现上下不相等的情况时，会造成电路上下分压不一致，平衡电桥法就是通过检测这个不一致性来定性判断绝缘电阻。但是这种方法具有一定的局限性：不能准确测量出绝缘电阻的阻值；当绝缘电阻发生同比例变化时，接地等情况也不能准确识别。

为解决绝缘电阻出现上下不相等的情况，又进化出了不平衡电桥的方法。如图2，不平衡电桥并入上下桥臂的电阻包含不相等的情况，能够改进平衡平衡电桥的缺点，但是在没有高压接入时无法测量到绝缘电阻的具体阻值。

为解决没有高压接入无法测量到绝缘电阻的具体组织的情况，采用了交流注入法的方法，如图3。与国际规定的平衡电桥等直流法相比较，交流注入法一个明显的优势是在没有高压接入时也可以准确测量到绝缘电阻。特别是在电动汽车启动过程中，在闭合电池包主接触之前就可以测出整车的绝缘电阻值；当整车的绝缘状态不佳时，也可以通过软件策略控制整车不上高压电。但是此方法无法定位故障发生的位置，排查时需要将负载从电路中隔离起来，需要单独测量绝缘，给检修带来很大困难。

同时申请公布号为CN106353646 A的中国专利公布文件公开了一种基于高压直流供电系统的绝缘检测控制方法，方案具体介绍了一种基于高压直流供电系统的绝缘监测控制方法，在单线电压异常时，采用平衡电桥方法进行测算和判断；在双线电压同时发生电压变动时，采用不平衡电桥方法进行测算和判断。但是所述方法并不能对绝缘故障进行准确定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力系统绝缘故障定位的方法及车辆，用于解决绝缘故障检测不能准确定位问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种动力系统绝缘故障定位的方法及车辆。

一种动力系统绝缘故障定位的车辆，包括车辆底盘和设置在车辆底盘上的高压系统，高压系统包括动力电池、与动力电池相连的高压母线和若干高压负载；各个高压负载通过对应的动力线并联于高压母线上；还包括绝缘检测定位仪，绝缘检测定位仪包括检测信号发生器，检测信号发生器并联于高压母线上且与车辆底盘相连；各个高压负载对应设置有用于检测该高压负载处漏电流的电流检测装置；还包括控制器，控制器执行指令实现如下绝缘故障定位方法：

1)控制所述检测信号发生器向高压母线输出检测电流；

2)通过电流检测装置检测各高压负载处的漏电流；

3)根据各高压负载处的漏电流，判断对应的高压负载处是否存在绝缘故障。

本发明的方案在高压系统中连接设置在车辆底盘的各个高压负载的高压线路上设置了电流检测装置，通过对各高压负载的漏电流的检测，实现了高压绝缘故障的快速检测，能够快速定位电动汽车中的绝缘失效点，并准确给出检测值。

进一步地，在上述车辆中，步骤1)中，检测信号发生器周期向高压母线的正极和负极发送检测电流。

本发明先后向与动力电池正极相连的高压母线的正极和与动力电池负极相连的高压母线的负极通入检测电流，能够分别检测动力电池正极等电位处的绝缘故障和动力电池负极等电位处的绝缘故障。

进一步地，在上述车辆中，步骤3)中，根据各高压负载处的漏电流计算对应的各高压负载的绝缘电阻值，将绝缘电阻值与设定阈值比较，小于设定阈值的绝缘电阻值所对应的高压负载存在绝缘故障。

这样做的有益效果是：利用漏电流计算绝缘阻值，方案简单可靠。

进一步地，在上述车辆中，存储多个周期的采样数据并分析获得噪声特征，利用噪声特征对所述绝缘电阻值进行小波分析法降噪。

这样做的有益效果是：本发明采用小波分析法降噪能够获取更加准确的绝缘电阻值，降低电阻绝缘故障的误报率。

进一步地，在上述车辆中，高压母线上还设置有电流感应器。

进一步地，在上述车辆中，检测信号发生器与车辆底盘相连的线路上还设置有检测电阻。

通过在与动力电池相连的高压母线上设置电流感应器，能够得到高压系统的总漏电流，可以用于高压系统绝缘故障的预判断，在判断出高压系统存在绝缘故障时，再启动各高压负载支路上设置的电流检测装置，进行具体的绝缘故障位置的判断；若根据电压感应器判断出高压系统不存在绝缘故障，则不需要启动各个电流检测装置，能够延长系统寿命，节约电量。

进一步地，在上述车辆中，电流检测装置采用无线电流钳，无线感应线圈或者霍尔传感器。

这样做的有益效果是：本发明采用分布式无线电流钳采集漏电流，能够快速准确的获取各个高压负载的漏电流；减少高压系统绝缘检测线缆的使用，提高了安全性和便利性。

进一步地，在上述车辆中，控制器为检测信号发生器中的单片机模块。

进一步地，在上述车辆中，检测信号发生器为方波发生器。

本发明还提供一种动力系统绝缘故障定位的方法，采用了以上所述的一种动力系统绝缘故障定位的车辆中的绝缘故障定位方法。

附图说明

图1为背景技术中平衡电桥法测量绝缘电阻原理图；

图2为背景技术中不平衡电桥法测量绝缘电阻原理图；

图3为背景技术中交流注入法绝缘检测方案的等效原理图；

图4为本发明系统实施例中直流不接地系统的正极对地的绝缘故障定位原理图；

图5为本发明系统实施例中直流不接地系统的负极对地的绝缘故障定位原理图；

图6为小波变换降噪的流程图；

图7为小波系数分解结构；

图8为绝缘检测小波滤波数据存储池数据调度方法；

图9为绝缘检测及滤波流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

车辆实施例：

为了解决纯电动或混合动力车辆上负载电路绝缘阻值的不接触检测和快速定位的问题，提出了一种通过绝缘检测定位仪向电池正极和整车地之间(或者电池负极和整车地之间)注入高压检测信号，然后利用电流检测装置检测各个负载回路漏电流，当检测回路漏电流大于预设的门限值时，报警并断开回路控制开关，实现对电路各个负载的绝缘值不接触检测和快速定位。

车辆上包括高压系统1和低压系统(车辆底盘)2，低压系统(车辆底盘)2采用车辆底盘框架作为负极，高压系统1部件包括动力电池31，以及驱动电机等高压负载都固定安装于车辆底盘上，这些高压负载对车辆底盘的绝缘若出现问题则会导致背景技术中提到的绝缘故障风险。在高压系统(高压负载)的绝缘出现问题时，为了准确检测到这种绝缘问题的具体位置，实现绝缘故障定位，本发明采用如下方案。

如图4所示，包括高压系统1、低压系统负极(车辆底盘)2，高压系统1包括动力电池31、高压负载11、高压负载12、高压负载13、高压负载14，其中高压负载11的绝缘阻值由R1表示，高压负载12的绝缘阻值由R2表示，高压负载13的绝缘阻值由R3表示，高压负载14的绝缘阻值由R4表示。

动力电池31给高压系统1供电，高压负载11、高压负载12、高压负载13、高压负载14并联挂接在高压母线正极3和高压母线负极4上(高压负载为车辆高压系统用电设备，如驱动电机、压缩机、加热器等，本实施例中高压负载11～14仅作示例性说明，并不限定高压负载的数量和类型)，高压负载设置在车辆底盘上，同时车辆底盘与绝缘检测定位仪5相连接，作为漏电流的回流通道，该线路上还可以设置检测电阻R0，用于测量总的漏电流。绝缘检测定位仪5中的方波发生器与高压系统1中的高压母线并联。高压母线正极3和高压母线负极4上设置了一个电流感应器I0，每个高压负载通过对应的动力线并联于高压母线上，同时每个高压负载的动力线上设置了一个电流检测装置(I1、I2、I3、I4)，电流检测装置(I1、I2、I3、I4)用于检测出动力线束内的电流值，若存在绝缘故障，则会产生导入车辆底盘的漏电流，电流检测装置(I1、I2、I3、I4)即可检测到对应高压负载处的漏电流大小。

除了检测电阻R0，还可以通过电流感应器I0感应出整个高压系统的漏电流的电流值，通过漏电流电流值的大小判断整个高压系统是否发生绝缘故障；R0也是为了测量整个系统的漏电流，通过对整个系统漏电流的检测也能判断整个高压系统是否发生绝缘故障。若发生故障，则电流检测装置(I1、I2、I3、I4)检测到的各个高压负载的漏电流的电流值，通过绝缘检测定位仪5计算出的各个高压负载的绝缘阻值与阈值进行比较，得以准确定位；若没有发生故障，则正常运行。

本实施例中采用的电流检测装置(I1、I2、I3、I4)和电流感应器I0为无线电流钳，作为其他实施例，电流检测装置(I1、I2、I3、I4)也可以采用无线感应线圈或者霍尔传感器。

无线电流钳可以固定设置在车上也可以在车辆维护时安装在车上，一个高压负载的动力线束上设置一个无线电流钳，设置无线电流钳时会对应高压负载对无线电流钳进行编号，绝缘检测定位仪5通过无线网络获取每一个无线电流钳感应的电流大小时同时获得该无线电流钳的编号(即将获得的电流大小与负载对应起来)，便于在发生绝缘故障时能够准确的定位到高压负载。

如图4直流不接地系统的正极对地的绝缘故障定位原理图，可以检测每一个挂接在高压母线正极3上的负载的正极等电位处是否发生绝缘故障。直流不接地系统的正极对地的绝缘故障检测过程为：绝缘检测定位仪5中的方波发生器发送脉冲信号到动力电池31的正极。电流感应器I0采集整个高压系统的漏电流，通过漏电流电流值的大小判断整个高压系统是否出现绝缘故障。在出现故障的情况下，通过如下方法进行具体定位：

开关S1、S2闭合，在正常情况下，流入高压负载11正极的电流通过开关S2所在的线路，流入高压负载11负极的电流通过开关S1所在的线路，若二者大小相等，方向相反，此时无线电流钳I1检测到的漏电流为0；在绝缘失效的情况下，流入高压负载正极的电流和流入高压负载负极的电流大小不等，则漏电流会从失效点流出，此时无线电流钳I1能检测到漏电流的电流值不为0。绝缘检测定位仪5中的单片机模块(MCU)根据每个高压负载的漏电流计算各个通道的绝缘电阻初值，再利用绝缘数据存储池，采用小波算法实现消除噪音，输出滤波之后的各个通道的绝缘电阻值，绝缘检测定位仪5根据预设的阈值(该阈值可根据需要自行设定)与计算的绝缘电阻值进行比较判断，若超出阈值则进行报警并且显示故障所在位置。

如图5所示直流不接地系统的负极对地的绝缘故障定位原理图，可以检测每一个挂接在高压母线负极4上的负载的负极等电位处是否发生绝缘故障。直流不接地系统的负极对地的绝缘故障检测过程为：绝缘检测定位仪5中的方波发生器发送脉冲信号到动力电池31的负极。电流感应器I0采集整个高压系统的漏电流，通过漏电流电流值的大小判断整个高压系统是否出现绝缘故障。在出现故障的情况下，通过如下方法进行具体定位：

开关S3、S4闭合，在正常情况下，流入高压负载12负极的电流通过开关S3所在的线路，流入高压负载12正极的电流通过开关S4所在的线路，若二者大小相等，方向相反，此时无线电流钳I2检测到的漏电流为0；在绝缘失效的情况下，流入高压负载正极的电流和流入高压负载负极的电流大小不等，则漏电流会从失效点流出，此时无线电流钳I2能检测到漏电流的电流值不为0。绝缘检测定位仪31中的单片机模块(MCU)根据每个高压负载的漏电流计算各个通道的绝缘电阻初值，再利用绝缘数据存储池，采用小波算法实现消除噪音，输出滤波之后的各个通道的绝缘电阻值，绝缘检测定位仪5根据预设的阈值(该阈值可根据需要自行设定)与计算的绝缘电阻值进行比较判断，若超出阈值则进行报警并且显示故障所在通道。

在绝缘故障检测过程中，各个负载上的开关S均闭合，高压负载所对应的无线电流钳可以对各个高压负载的漏电流进行实时监测。通过绝缘检测定位仪5中的单片机模块(MCU)根据预设的阈值(该阈值可根据需要自行设定)与绝缘电阻值进行比较判断，超出阈值就进行报警并显示不同的高压负载所对应的无线电流钳的编号，实现了准确定位，并提示维护人员检修。

在车辆实际运行中，通过绝缘检测定位仪5得到的数据常常是含有噪声的。噪声可能来自获取数据的过程，也可能来自环境影响，噪声的存在往往会掩盖信号本身所要表现的信息，所以在实际的信号处理中，常常需要对信号进行预处理，而预处理最主要的一个步骤就是降噪。

小波分析是一种源于傅立叶分析的信号处理工具，小波(wavelet)即小区域的波，仅仅在非常有限的一段区间有非零值，而不是像正弦波和余弦波那样无始无终。小波可以沿时间轴前后平移，也可按比例伸展和压缩以获取低频和高频小波，构造好的小波函数可以用于滤波或压缩信号，从而可以提取出已含噪声信号中的有用信号。

如图6将信号通过小波变换(采用Mallat算法)后，信号产生的小波系数含有信号的重要信息，将信号经小波分解后小波系数较大，噪声的小波系数较小，并且噪声的小波系数要小于信号的小波系数，通过选取一个合适的阈值，大于阈值的小波系数被认为是有信号产生的，应予以保留，小于阀值的则认为是噪声产生的，置为零从而达到去噪的目的。

一个含噪的模型可以表示如下：

S(k)＝f(k)+ε*e(k) k＝0,1,2...n-1

其中，f(k)为有用信号，s(k)为含噪声信号，e(k)为噪声，ε为噪声系数的标准偏差。

假设，e(k)为高斯白噪声，通常情况下有用信号表现为低频部分或是一些比较平稳的信号，而噪声信号则表现为高频的信号，我们对s(k)信号进行小波分解的时候，则噪声部分通常包含在HL、LH、HH中，如图7所示，只要对HL、LH、HH作相应的小波系数处理，然后对信号进行重构即可以达到消噪的目的。

小波去噪的原理类似以往我们常见的低通滤波器的方法，但是由于小波去噪保留了特征提取的部分，所以性能上是优于传统的去噪方法的。

为了将小波实时应用到本发明中，假设绝缘阻值采样时间为Tj，j＝0,1,2,…n，j代表对应的不同高压负载。数据上传周期为Tk，则Tk内的数据量的计算公式为：

为了提高绝缘监测的实时性，小波滤波周期应尽可能小，这导致滤波周期内的数据偏少；

为了尽可能挖掘噪音的特点，使滤波效果更优，小波算法需要尽可能多的数据来进行小波分解；

为了调和这一对矛盾，本发明设计了一种快速高效小波滤波器，如图8采用数据存储池的概念，数据存储池采用先进先出的管理模式，存储池中包含过去一个周期时间内的新数据，也包含前m个周期内的数据，利用数据存储池中多个周期内的数据提取噪声特征，并利用多个周期数据提取的噪声特征对当前获得的绝缘电阻信号(绝缘电阻初值)进行去噪。

将数据存储池对应的滤波周期设定为：

TL＝(m+1)×Tk

则滤波的数据量为：

本专利中m＝50，Tj＝2s,Tk＝10s,则NL＝255，改值足够大，能够充分挖掘出噪音的特点，并且滤波重构后效果良好。这样就解决了上面的这一对矛盾。

方法实施例：

本实施例的车辆采用了动力系统绝缘故障定位方法，动力系统绝缘故障定位方法已在车辆案例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。

如图9，本发明在整个车辆的高压系统与低压系统之间，新安装电流检测装置，然后配置电流检测装置的编号，绝缘检测定位仪中的方波发生器对动力电池的正极和负极发送诊断脉冲信号，无线电流检测装置检测漏电流，绝缘监测装置定位仪中的单片机模块(MCU)根据漏电流计算各个高压负载的绝缘电阻值初值，再利用绝缘数据存储池，采用小波算法实现消除噪音，输出滤波之后的各个高压负载的绝缘电阻值，判断绝缘电阻值是否正常，若超出阈值(该阈值可根据需要自行设定)，则报警并准确显示故障所在编号。

Claims (7)

1.一种动力系统绝缘故障定位的车辆，其特征在于，包括车辆底盘和设置在车辆底盘上的高压系统，所述高压系统包括动力电池、与动力电池相连的高压母线和若干高压负载；各个高压负载通过对应的动力线并联于高压母线上；

还包括绝缘检测定位仪，所述绝缘检测定位仪包括检测信号发生器，所述检测信号发生器并联于高压母线上且与车辆底盘相连；

各个高压负载对应设置有用于检测该高压负载处漏电流的电流检测装置；

还包括控制器，所述控制器执行指令实现如下绝缘故障定位方法；

1)控制所述检测信号发生器周期向高压母线的正极和负极输出检测电流；

2)通过电流检测装置检测各高压负载处的漏电流；

3)根据各高压负载处的漏电流计算对应的高压负载的绝缘电阻初值，再利用绝缘数据存储池存储多个周期的采样数据，具体是：

所述数据存储池采用先进先出的管理模式，包含过去一个周期时间内的新数据，也包含前m个周期内的数据，将数据存储池对应的滤波周期设定为：

TL＝(m+1)×Tk

其中Tk为数据上传周期，m为过去一个周期之前的周期数，TL为数据存储池对应的滤波周期；

则滤波的数量为：

m为过去一个周期之前的周期数，N1为数据上传周期为Tk内的数据量；Tk为数据上传周期，Tj为绝缘阻值采样时间，j代表对应的不同高压负载，j＝0,1,2,…n，NL为滤波的数据量；

利用数据存储池中多个周期内的数据提取噪声特征，并利用多个周期数据提取的噪声特征对当前获得的绝缘电阻初值进行小波分析法去噪，输出滤波之后的各高压负载的绝缘电阻值，将绝缘电阻值与设定阈值比较，判断对应的高压负载处是否存在绝缘故障，其中小于设定阈值的绝缘电阻值所对应的高压负载存在绝缘故障。

2.根据权利要求1所述的动力系统绝缘故障定位的车辆，其特征在于，所述高压母线上还设置有电流感应器。

3.根据权利要求2所述的动力系统绝缘故障定位的车辆，其特征在于，所述检测信号发生器与车辆底盘相连的线路上还设置有检测电阻。

4.根据权利要求3所述的动力系统绝缘故障定位的车辆，其特征在于，所述电流检测装置采用无线电流钳，无线感应线圈或者霍尔传感器。

5.根据权利要求4所述的动力系统绝缘故障定位的车辆，其特征在于，控制器为检测信号发生器中的单片机模块。

6.根据权利要求5所述的动力系统绝缘故障定位的车辆，其特征在于，所述检测信号发生器为方波发生器。

7.一种动力系统绝缘故障定位的方法，其特征在于，采用如权利要求1～6任一项所述的动力系统绝缘故障定位的车辆中的绝缘故障定位的方法进行高压系统绝缘故障定位。