CN204269735U - 一种动力电池包的绝缘故障检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动力电池包的绝缘故障检测电路，包括测量电桥，基准电压源，及第一和第二电压检测端；基准电压源的电源负极与动力电池包的负极连接；测量电桥包括连接在基准电压源的基准电压输出端与第一电压检测端之间的第一桥臂电阻，连接在第一电压检测端与车身之间的第二桥臂电阻，连接在基准电压输出端与第二电压检测端之间的第三桥臂电阻，及连接在第二电压检测端与车身之间的第四桥臂电阻，其中，第一桥臂电阻与第二桥臂电阻间的阻值比和第三桥臂电阻与第四桥臂电阻间的阻值比不相等。本实用新型电路在动力电池包不存在绝缘故障时不会形成电流回路，因此不会造成电能浪费，并且适于进行动力电池包任意点与车身间的绝缘故障检测。

Description

一种动力电池包的绝缘故障检测电路

技术领域

本实用新型涉及电动汽车电池管理技术领域，尤其涉及一种动力电池包的绝缘故障检测电路。

背景技术

由于电动汽车的动力电池包电压通常高达几百伏，因此，为了确保驾乘人员的安全，必须通过电池管理系统监控动力电池包的高压安全，其中动力电池包的正极、负极、内部各点与车身间的绝缘电阻就是需要监控的重要参数。

目前各大主流厂商在对绝缘电阻检测方案上普遍采用的是平衡电桥法、高压注入法等，图1示出了一种基于平衡电桥法的现有绝缘电阻检测电路，该电路包括串联连接于动力电池包的正极B+与车身GND之间的电阻R2′和电阻R4′，串联连接于动力电池包的负极B-与车身GND之间的电阻R3′和电阻R5′，为了能够通过该电路检测如图2所示的正极B+与车身GND之间的绝缘电阻R+，及负极B-与车身GND之间的绝缘电阻R-，该电路还需要设置与电阻R2′并联连接的可选电路，该可选电路包括串联连接的电阻R6′和继电器KB1的触点，这样，电池管理系统的微控制单元通过开关控制信号Detect-EN控制触点的通断，即可改变图1所示绝缘电阻检测电路的电桥结构，进而，微控制器单元便可在图2所示的等效电路结构的基础上，通过读取检测点Detect-2对负极B-的电压及检测点Detect-1对负极B-的电压，计算上述绝缘电阻R+和绝缘电阻R-。

现有的该种基于平衡电桥法的现有绝缘电阻检测电路存在的主要缺陷为：1、绝缘电阻检测电路在任何工况下均与动力电池包形成电流回路，因此会造成动力电池包电能的浪费；2、需借助电阻搭建的桥式电路连接动力电池包的高压部分与车身，因此，该种绝缘电阻检测电路人为地降低了动力电池包正极、负极及内部各点与车身之间的绝缘电阻；3、由于正极B+的电位高于车身GND，而负极B-的电位低于车身GND，因此，动力电池包内部存在与车身GND电位相等的点，因此，该种绝缘电阻检测电路将无法检测该点与车身间的绝缘电阻，进而导致该种绝缘电阻检测电路对于单点绝缘电阻检测失效。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种可供电池管理系统判断动力电池包任意点与车身之间是否存在绝缘故障的绝缘故障检测电路。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种动力电池包的绝缘故障检测电路，包括测量电桥，用于输出基准电压的基准电压源，及用于输出第一电压信号的第一电压检测端和用于输出第二电压信号的第二电压检测端；所述基准电压源的电源负极与所述动力电池包的负极电性连接；所述测量电桥包括连接在所述基准电压源的基准电压输出端与第一电压检测端之间的第一桥臂电阻，连接在所述第一电压检测端与车身之间的第二桥臂电阻，连接在所述基准电压输出端与第二电压检测端之间的第三桥臂电阻，及连接在所述第二电压检测端与所述车身之间的第四桥臂电阻，其中，所述第一桥臂电阻与所述第二桥臂电阻间的阻值比大于或者小于所述第三桥臂电阻与所述第四桥臂电阻间的阻值比。

优选的是，所述基准电压源为第一电压跟随器。

优选的是，所述第一电压跟随器包括第一运算放大器和连接于工作电源与所述动力电池包的负极之间的分压电路，所述第一运算放大器的电源正极和电源负极分别与所述工作电源和所述动力电池包的负极电性连接，所述第一运算放大器的同相输入端与所述分压电路的一分压点电性连接，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端电性连接，所述第一运算放大器的输出端为所述基准电压源的基准电压输出端。

优选的是，所述绝缘故障检测电路还包括继电器，所述继电器的触点与所述测量电桥串联连接在所述基准电压输出端与所述车身之间；所述继电器的线圈连接在继电器控制回路中。

优选的是，所述继电器的线圈与开关管串联连接在所述继电器控制回路中，所述开关管的控制端与用于接收开关控制信号的开关控制信号输入端电性连接。

优选的是，所述第一桥臂电阻与第四电容并联连接，所述第三桥臂电阻与第五电容并联连接。

优选的是，所述第一桥臂电阻和所述第二桥臂电阻间的第一电位点经第二电压跟随器与所述第一电压检测端电性连接，所述第三桥臂电阻和所述第四桥臂电阻间的第二电位点经另一所述第二电压跟随器与所述第二电压检测端电性连接。

优选的是，每个所述第二电压跟随器的同相输入端均连接一保护器件，所述保护器件包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管正向连接于对应第二电压跟随器的同相输入端与工作电源之间，所述第二二极管正向连接于所述动力电池包的负极与对应第二电压跟随器的同相输入端之间。

本实用新型的有益效果在于，由于本实用新型的绝缘故障检测电路本身并未连接在动力电池包的正、负极与车身之间，因此，不会因绝缘故障检测电路的作用而使动力电池包内部的某点与车身电位相等，进而使得本实用新型的单独绝缘故障检测电路适于进行动力电池包任意点与车身间的绝缘故障检测，而且不会因本实用新型的绝缘电阻检测电路人为地降低动力电池包任意点与车身之间的绝缘电阻；另外，由于本实用新型的绝缘故障检测电路直接由基准电压源提供工作电源，并且将测量电桥连接在基准电压源的基准电压输出端与车身之间，因此，本实用新型的绝缘故障检测电路在动力电池包不存在绝缘故障时不会形成电流回路，即不会造成动力电池包电能的浪费。

附图说明

图1示出了基于平衡电桥法的现有绝缘电阻检测电路的电路结构示意图；

图2示出了利用图1所示绝缘电阻检测电路进行绝缘电阻检测的电路结构示意图；

图3示出了根据本实用新型的动力电池包的绝缘故障检测电路的一种实施方式的电路结构示意图；

图4示出了利用图3所示绝缘故障检测电路检测电池包负极绝缘故障的电路结构示意图；

图5示出了利用图3所示绝缘故障检测电路检测电池包内部任意点绝缘故障的电路结构示意图；

图6示出了利用图3所示绝缘故障检测电路检测电池包正极绝缘故障的电路结构示意图。

附图标记说明：

B+：动力电池包的正极；        B-：动力电池包的负极；

KB1、KB2：继电器；            GND：车身；

R+:动力电池包的正极与车身之间的绝缘电阻；

R-:动力电池包的负极与车身之间的绝缘电阻；

Rp：动力电池包的内部任意点与车身之间的绝缘电阻；

R2′、R3′、R5′、R6′：电阻；  Detect-1、Detect-2：检测点；

Detect-EN-开关控制信号；     3：动力电池包；

2：检测使能单元；            5：测量电桥；

4：基准电压源；              7：输出单元；

6：输出保护单元；            UB1：第一运算放大器；

VCC：工作电源；              RB8：第一桥臂电阻；

RB3、RB5：第二桥臂电阻；     RB7：第三桥臂电阻；

RB4、RB6：第四桥臂电阻；     CB1、CB2：电容；

CB4：第四电容；              CB5：第五电容；

RB1、RB2、RB9、RB10：电阻；  UB2：第二运算放大器；

DB1、DB2：保护器件；         ITRLY：开关控制信号输入端；

ITLVAL：第一电压检测端；     ITHVAL：第二电压检测端。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型为了解决现有基于平衡电桥的绝缘电阻检测电路存在的耗电、人为降低动力电池包任意点与车身间绝缘电阻及存在检测盲点的问题，提供一种可以检测动力电池包正极、负极和内部任意点是否存在绝缘故障的绝缘故障检测电路。如图3所示，该绝缘故障检测电路包括测量电桥5，用于输出基准电压的基准电压源4，及用于输出第一电压信号的第一电压检测端ITLVAL和用于输出第二电压信号的第二电压检测端ITHVAL，电池管理系统可分别通过该第一电压检测端ITLVAL和第二电压检测端ITHVAL获取第一电压信号和第二电压信号，并根据比较第一电压信号与第二电压信号判断动力电池包是否出现绝缘故障；该基准电压源4的电源负极与动力电池包3的负极B-电性连接，以在动力电池包3存在绝缘故障时，可与绝缘故障检测电路构成电流回路；该测量电桥5包括连接在基准电压源4的基准电压输出端41与第一电压检测端ITLVAL之间的第一桥臂电阻RB8，连接在第一电压检测端ITLVAL与车身GND之间的第二桥臂电阻(在图3所示的实施例中，该第二桥臂电阻包括串联连接的电阻RB3和电阻RB5)，连接在基准电压输出端41与第二电压检测端ITHVAL之间的第三桥臂电阻RB7，及连接在第二电压检测端ITHVAL与车身GND之间的第四桥臂电阻(在图3所示的实施例中，该第四桥臂电阻包括串联连接的电阻RB4和电阻RB6)，其中，第一桥臂电阻RB8与第二桥臂电阻间的阻值比大于或者小于第三桥臂电阻RB7与第四桥臂电阻间的阻值比，即要求第一桥臂电阻RB8与第二桥臂电阻间的阻值比和第三桥臂电阻RB7与第四桥臂电阻间的阻值比不相等。

利用本实用新型的绝缘故障检测电路进行绝缘故障检测的原理为：

如图3所示，在动力电池包不存在绝缘故障时，动力电池包各点与车身GND间的绝缘电阻为理想状态，相当于动力电池包各点与车身间均为断路，此时绝缘故障检测电路无法形成电流回路，因此，经第一电压检测端ITLVAL输出的第一电压信号的电压值等于基准电压源4输出的基准电压，且经第二电压检测端ITHVAL输出的第二电压信号的电压值也等于该基准电压，因此，如果检测到的第一电压信号与第二电压信号的电压值相等、且等于该基准电压即可判定动力电池包3未出现绝缘故障。

在动力电池包3的负极B-与车身GND之间的绝缘电阻R-出现偏低的绝缘故障时，如图4所示，基准电压源4经过测量电桥5、车身GND及绝缘电阻R-形成电流回路，电流方向如图4中箭头所示，此时，基准电压经过了测量电桥5及绝缘电阻R-后，会在测量电桥5上形成分压，而由于第一桥臂电阻RB8与第二桥臂电阻间的阻值比和第三桥臂电阻RB7与第四桥臂电阻间的阻值比不相等，将导致经第一电压检测端ITLVAL输出的第一电压信号的电压值与经第二电压检测端ITHVAL输出的第二电压信号的电压值不相等，且均小于该基准电压。因此，如果检测到的第一电压信号与第二电压信号的电压值不相等、且均低于该基准电压，即可判定动力电池包3的负极出现绝缘故障。

在动力电池包3的内部任意点与车身GND之间的绝缘电阻Rp出现偏低的绝缘故障时，如图5所示，动力电池包3的该内部任意点至负极B-的部分经过车身GND、测量电桥5和基准电压源4形成电流回路，电流方向如图5中箭头所示，此时，电流流经测量电桥5后，会在测量电桥5上产生压降，而由于第一桥臂电阻RB8与第二桥臂电阻间的阻值比和第三桥臂电阻RB7与第四桥臂电阻间的阻值比不相等，将导致经第一电压检测端ITLVAL输出的第一电压信号的电压值与经第二电压检测端ITHVAL输出的第二电压信号的电压值不相等，且均高于该基准电压。因此，如果检测到的第一电压信号与第二电压信号的电压值不相等、且均高于该基准电压，即可判定动力电池包3的内部任意点出现绝缘故障。

在动力电池包3的正极B+与车身GND之间的绝缘电阻R+出现偏低的绝缘故障时，如图6所示，动力电池包3经过车身GND、测量电桥5和基准电压源4形成电流回路，电流方向如图6中箭头所示，此时，电流流经测量电桥5后，会在测量电桥5上产生压降，而由于第一桥臂电阻RB8与第二桥臂电阻间的阻值比和第三桥臂电阻RB7与第四桥臂电阻间的阻值比不相等，将导致经第一电压检测端ITLVAL输出的第一电压信号的电压值与经第二电压检测端ITHVAL输出的第二电压信号的电压值不相等，且均高于该基准电压。因此，如果检测到的第一电压信号与第二电压信号的电压值不相等、且均高于该基准电压，即可判定动力电池包3的正极B+出现绝缘故障。

综上所述，在利用本实用新型的绝缘故障检测电路进行绝缘故障检测时，如果检测到第一电压信号的电压值与第二电压信号的电压值相等，则可判定动力电池包3未出现绝缘故障；如果检测到第一电压信号的电压值与第二电压信号的电压值不相等，且均低于基准电压，则可判定动力电池包3的负极出现了绝缘故障；如果检测到第一电压信号的电压值与第二电压信号的电压值不相等，且均高于基准电压，则可判定动力电池包3的正极及/或内部任意点出现了绝缘故障。在此基础上，通过将图5中的绝缘电阻Rp设定为0，则可获得第一电压信号和第二电压信号在绝缘电阻Rp偏低时的最高电压值，同理，通过将图6中的绝缘电阻R+设定为0，则可获取第一电压信号和第二电压信号在绝缘电阻R+偏低时的最高电压值，根据两种不同情况下的最高电压值，能够在第一电压信号的电压值与第二电压信号的电压值不相等，且均高于基准电压的大部分情况下，分析出具体是动力电池包3的正极出现了绝缘故障，还是内部任意点出现了绝缘故障。

由于本实用新型的绝缘故障检测电路本身并未连接在动力电池包3的正、负极与车身GND之间，因此，不会因绝缘故障检测电路的作用而使动力电池包3内部的某点与车身GND电位相等，进而使得本实用新型的单独绝缘故障检测电路适于进行动力电池包3任意点(包括正极B+、负极B-及动力电池包3内部任意点)与车身GND间的绝缘故障检测，而且不会因本实用新型的绝缘电阻检测电路人为地降低动力电池包3任意点与车身之间的绝缘电阻；另外，由于本实用新型的绝缘故障检测电路直接由基准电压源4提供工作电源，并且将测量电桥5连接在基准电压源4的基准电压输出端与车身GND之间，因此，本实用新型的绝缘故障检测电路在动力电池包不存在绝缘故障时不会形成电流回路，即不会造成动力电池包电能的浪费。

为了提高基准电压源4的带载能力，该基准电压源4可以采用第一电压跟随器。如图3所示，该第一电压跟随器可包括第一运算放大器UB1和连接于工作电源VCC与动力电池包3的负极B-之间的分压电路，第一运算放大器UB1的电源正极和电源负极分别与工作电源VCC和动力电池包3的负极B-电性连接，第一运算放大器UB1的同相输入端与分压电路的一分压点电性连接，第一运算放大器UB1的反相输入端与第一运算放大器的输出端电性连接，该第一运算放大器UB1的输出端即为基准电压源4的基准电压输出端。由于运算放大器在输出电压为输出满量程的一半附近时会表现出最佳的信噪比，因此，在工作电源VCC为5V的情况下，可采用阻值相等的电阻RB9和电阻RB10串联形成该分压电路，使基准电压源4输出2.5V的基准电压。

为了使绝缘故障检测只有在满足设定条件时才会开启，如图3所示，本实用新型的绝缘故障检测电路还可以包括继电器KB2，继电器KB2的触点与测量电桥5串联连接在基准电压输出端41与车身GND之间；该继电器KB2的线圈连接在继电器控制回路中。

该继电器KB2的线圈具体可与开关管QB1串联连接在继电器控制回路中，而该开关管QB1(例如采用场效应管或者三极管，图3所示实施例中采用的开关管QB1为N沟道增强型场效应管)的控制端与用于接收开关控制信号的开关控制信号输入端ITRLY电性连接，该控制回路及继电器KB2的触点构成本实用新型绝缘故障检测电路的检测使能单元2。另外，该继电器KB2的线圈也可直接连接在用于接收开关控制信号的开关控制信号输入端ITRLY与动力电池包3的负极之间。这样，电池管理系统可以通过开关控制信号输入端ITRLY输出开关控制信号来控制绝缘故障检测的开启与关闭。在此，为了防止开关管QB1在开关控制信号输入端ITRLY悬空时出现误动作，可在开关管QB1的作为控制端的栅极与负极B-之间连接一电阻RB2。为了防止开关管QB1损坏，可在开关管QB1的漏极上连接保护器件DB1，该保护器件DB1例如为BAV99，具体为BAV99的共端与开关管QB1的漏极连接，其余一个正极端悬空，一个负极端经电阻RB1与工作电源VCC连接，这样，流经开关管QB1的漏极的电压信号中高于工作电源VCC的部分会被释放到工作电源，进而可以防止开关管QB1损坏。

为了提高第一电压信号和第二电压信号的稳定性，该第一桥臂电阻RB8可与第四电容CB4并联连接，该第三桥臂电阻RB7可与第五电容CB5并联连接。

为了使经第一电压检测端ITLVAL输出的第一电压信号不受后级阻抗影响，可使第一桥臂电阻和第二桥臂电阻间的第一电位点经第二电压跟随器与第一电压检测端ITLVAL电性连接；同理，可使第三桥臂电阻和第四桥臂电阻间的第二电位点经另一第二电压跟随器与第二电压检测端ITHVAL电性连接。在图3所示的实施例中，该第二电压跟随器采用电压放大倍数基本等于1的电压跟随器，即第二运算放大器UB2的同相输入端直接与第一电位点或者第二电位点电性连接，第二运算放大器UB2的反相输入端直接与第二运算放大器UB2的输出端电性连接。上述两个第二电压跟随器及第一电压检测端ITLVAL和第二电压检测端ITHVAL构成本实用新型绝缘故障检测电路的输出单元7。

为了保护第二电压跟随器不受损坏，可在每个第二电压跟随器的同相输入端(即第二运算放大器UB2的同相输入端)均连接一保护器件DB2，该保护器件DB2包括第一二极管和第二二极管，第一二极管正向连接于对应第二电压跟随器的同相输入端与工作电源VCC之间，此处的“正向”即指第一二极管的正极与对应第二电压跟随器的同相输入端和工作电源VCC中的前者连接，而第二二极管正向连接于动力电池包3的负极B-与对应第二电压跟随器的同相输入端之间，该保护器件DB2例如是BAV99。这样，第二电压跟随器的同相输入端上的电压信号中高于工作电源VCC的部分会被释放到工作电源，低于负极B-的部分会被释放到负极B-，进而可以防止第二电压跟随器损坏。上述两个保护器件DB2构成本实用新型绝缘故障检测电路的输出保护单元6。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种动力电池包的绝缘故障检测电路，其特征在于，包括测量电桥，用于输出基准电压的基准电压源，及用于输出第一电压信号的第一电压检测端和用于输出第二电压信号的第二电压检测端；所述基准电压源的电源负极与所述动力电池包的负极电性连接；所述测量电桥包括连接在所述基准电压源的基准电压输出端与第一电压检测端之间的第一桥臂电阻，连接在所述第一电压检测端与车身之间的第二桥臂电阻，连接在所述基准电压输出端与第二电压检测端之间的第三桥臂电阻，及连接在所述第二电压检测端与所述车身之间的第四桥臂电阻，其中，所述第一桥臂电阻与所述第二桥臂电阻间的阻值比大于或者小于所述第三桥臂电阻与所述第四桥臂电阻间的阻值比。

2.根据权利要求1所述的绝缘故障检测电路，其特征在于，所述基准电压源为第一电压跟随器。

3.根据权利要求2所述的绝缘故障检测电路，其特征在于，所述第一电压跟随器包括第一运算放大器和连接于工作电源与所述动力电池包的负极之间的分压电路，所述第一运算放大器的电源正极和电源负极分别与所述工作电源和所述动力电池包的负极电性连接，所述第一运算放大器的同相输入端与所述分压电路的一分压点电性连接，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端电性连接，所述第一运算放大器的输出端为所述基准电压源的基准电压输出端。

4.根据权利要求1所述的绝缘故障检测电路，其特征在于，所述绝缘故障检测电路还包括继电器，所述继电器的触点与所述测量电桥串联连接在所述基准电压输出端与所述车身之间；所述继电器的线圈连接在继电器控制回路中。

5.根据权利要求4所述的绝缘故障检测电路，其特征在于，所述继电器的线圈与开关管串联连接在所述继电器控制回路中，所述开关管的控制端与用于接收开关控制信号的开关控制信号输入端电性连接。

6.根据权利要求1所述的绝缘故障检测电路，其特征在于，所述第一桥臂电阻与第四电容并联连接，所述第三桥臂电阻与第五电容并联连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的绝缘故障检测电路，其特征在于，所述第一桥臂电阻和所述第二桥臂电阻间的第一电位点经第二电压跟随器与所述第一电压检测端电性连接，所述第三桥臂电阻和所述第四桥臂电阻间的第二电位点经另一所述第二电压跟随器与所述第二电压检测端电性连接。

8.根据权利要求7所述的绝缘故障检测电路，其特征在于，每个所述第二电压跟随器的同相输入端均连接一保护器件，所述保护器件包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管正向连接于对应第二电压跟随器的同相输入端与工作电源之间，所述第二二极管正向连接于所述动力电池包的负极与对应第二电压跟随器的同相输入端之间。