CN206788249U - 电动汽车直流高压系统绝缘电阻测量装置 - Google Patents

电动汽车直流高压系统绝缘电阻测量装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种电动汽车直流高压系统绝缘电阻测量装置，具有一高压采样及算法集成模块和一与所述高压采样及算法集成模块串联连接的绝缘电阻测量电路；所述高压采样及算法集成模块具有一控制模块，所述绝缘电阻测量电路与所述控制模块串联连接，用于得到所述电动汽车电池包中发生故障处的位置及故障处对应的绝缘电阻值。本实用新型提供一种能够精确地定位电池包中发生故障的单体电池的具体位置，且能精确地对故障处的绝缘阻值大小进行计算，计算精度高且计算速度快的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置。

Description

电动汽车直流高压系统绝缘电阻测量装置
技术领域
本实用新型涉及电动汽车高压系统绝缘电阻测量技术领域，尤其涉及一种电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置。
背景技术
国标GB/T 18384.1规定，绝缘电阻是评价电动汽车绝缘情况优劣的重要参考量，设计师应保证绝缘电阻值与电动汽车直流系统标称电压的比值大于100Ω/V，才符合安全的要求。现有的基本绝缘电阻测量原理，通过在正母线与外壳或底盘之间加入了标准偏置电阻，通过标准偏置电阻并入电路前后测得的相关测量电压值和已知的偏置电阻值得到需求的绝缘电阻值。
一般情况下，电动汽车高压动力系统的绝缘阻值的大小是兆欧级别，当电池包内的各单体电池中的某一单体电池发生短路故障时，该故障单体电池处绝缘阻值达到千欧级别。此时，如果采用现有的基本绝缘电阻测量方法计算绝缘阻值，则与真实值之间有一定的误差，因此基本绝缘电阻测量原理不再能够精确地实现对绝缘阻值大小进行计算。国内外还多种针对电动汽车高压动力系统绝缘电阻的测量方法，如以交流测量为基础的高压注入法和较为传统的平衡电桥法等。其中，平衡电桥法，存在对构建的电路精确度要求高，在正、负母线对地的绝缘性能同时降低时不能准确及时报警等缺点。高压注入法是通过向高压回路注入高压交流信号的方式来检测电动汽车高压动力系统绝缘电阻，但是该高压注入法附加的高压交流信号会影响直流高压动力系统的供电质量，且直流高压动力系统的分布电容会直接影响测量的电压值，导致分辨率较低。同时，现有的基本绝缘电阻测量方法、高压注入法和平衡电桥法等测量方法，均对故障无法进行精确地定位，无法确定具体发生短路故障的单体电池的具体位置。
发明内容
本实用新型针对现有技术中的电动汽车高压动力系统绝缘电阻测量方法存在不能精确地定位电池包中发生故障的单体电池的具体位置，且不能精确地对故障处的绝缘阻值大小进行计算等缺陷，目的在于提供一种能够精确地定位电池包中发生故障的单体电池的具体位置，且能精确地对故障处的绝缘阻值大小进行计算，计算精度高且计算速度快的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置。
实现上述目的的技术方案是：
本实用新型电动汽车直流高压系统绝缘电阻测量装置，具有一高压采样及算法集成模块和一与所述高压采样及算法集成模块串联连接的绝缘电阻测量电路；
所述高压采样及算法集成模块具有一控制模块，所述绝缘电阻测量电路与所述控制模块串联连接，用于得到所述电动汽车电池包中发生故障处的位置及故障处对应的绝缘电阻值，
所述绝缘电阻测量电路具有一由所述电动汽车电池包中若干单体电池串联组成的电源接口、一测量采样分压电路、一故障绝缘电阻Ri和一接地端；
所述测量采样分压电路具有一正端绝缘电阻Rp、一负端绝缘电阻Rn、一第一标准偏置电阻R0a、一第二标准偏置电阻R0b、一第一开关S1、一第二开关S2、不同阻值级别的依次串联连接的一采样电阻R1、一采样电阻R2、一采样电阻R3和一采样电阻R4；
所述正端绝缘电阻Rp一端与所述负端绝缘电阻Rn一端串联连接，所述正端绝缘电阻Rp的另一端分别与所述电源接口的正端、所述第一开关S1的一端串联连接，所述负端绝缘电阻Rn的另一端分别与所述电源接口的负端、所述第二开关S2的一端串联连接；所述第一开关S1的另一端依次与所述第一标准偏置电阻R0a的一端串联连接，所述第一标准偏置电阻R0a的另一端与所述第二标准偏置电阻R0b的一端串联连接，所述第二标准偏置电阻R0b的另一端与所述第二开关S2的另一端串联连接；
所述采样电阻R1的一端与所述第一开关S1的一端串联连接，另一端依次与所述采样电阻R1的一端、所述采样电阻R2的一端、所述采样电阻R3的一端和所述采样电阻R4的一端串联连接；所述采样电阻R4另一端与所述第二开关S2一端串联连接；
所述故障绝缘电阻Ri的一端与所述电源接口中发生故障的单体电池的负端串联连接，另一端与所述正端绝缘电阻Rp的一端串联连接；
所述正端绝缘电阻Rp的一端、所述第一标准偏置电阻R0a的另一端和所述采样电阻R2的另一端均与所述接地端串联连接。
所述高压采样及算法集成模块具有依次串联连接在所述绝缘电阻测量电路和所述控制模块之间的一将所述绝缘电阻测量电路输出的模拟信号转换为数字信号的模数转换器，和一将所述模数转换器输出的数字信号进行数字隔离处理的数字隔离器。
所述高压采样及算法集成模块具有串联连接在所述数字隔离器与所述模数转换器之间的一串行外设接口，所述数字隔离器与所述控制模块之间串联连接所述串行外设接口；所述数字隔离器为四通道数字隔离器。
所述高压采样及算法集成模块具有一用于对输入电压进行稳压和调压处理的稳压器，所述稳压器的输出端与所述控制模块串联连接，为所述控制模块提供直流工作电源。
所述高压采样及算法集成模块具有与所述稳压器的输出端依次串联连接的一DC/DC隔离模块和一用于实现网络通信的CAN通信接口单元；所述CAN通信接口单元可与所述控制模块进行交互。
所述绝缘电阻测量电路为可与所述控制模块进行交互的绝缘电阻测量电路。
所述控制模块为一单片机。
本实用新型的积极进步效果在于：
本实用新型的电动汽车直流高压系统绝缘电阻测量装置，通过高压采样及算法集成模块的控制模块、数字隔离器和模数转换器，及绝缘电阻测量电路，实现实时测量绝缘电阻测量电路是否发生故障，同时，能够精确地定位电池包中发生故障的单体电池的具体位置，且能精确地对故障处的绝缘阻值大小进行计算，得到绝缘阻值相对精确能够达到0.1％，从电压采样到并入偏置电阻再到绝缘滤波的绝缘电阻检测及计算过程整体时间不超过10s，即具有计算精度高且计算速度快的特点。
以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本实用新型电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置第一原理示意图；
图2为本实用新型电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置的第二原理示意图；
图3为本实用新型电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置的测量方法原理流程图。
具体实施方式
下面结合图1至图3，对本实用新型的电动汽车直流高压系统绝缘电阻测量装置进行详细的说明。
如图1所示，本实施例的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置，具有高压采样及算法集成模块10和与高压采样及算法集成模块10串联连接的绝缘电阻测量电路20。
高压采样及算法集成模块10具有用于对输入电压进行稳压和调压处理的稳压器11，与稳压器11的输出端依次串联连接的DC/DC隔离模块12、用于实现网络通信的控制器局域网络(又称CAN，Controller Area Network)通信接口单元13、与稳压器11输出端串联连接的控制模块14和用于得到电动汽车电池包中发生故障处的位置及故障处对应的绝缘电阻值的绝缘电阻测量电路20。绝缘电阻测量电路20和控制模块14之间依次串联连接将绝缘电阻测量电路20输出的模拟信号转换为数字信号的模数转换器15，和将模数转换器15输出的数字信号进行数字隔离处理的数字隔离器16。一实施例中，稳压器11为TLE4274-C-V50稳压器，控制模块14为单片机，数字隔离器16为ADM1401数字隔离器，模数转换器15为MCP3204模数转换器。
绝缘电阻测量电路20为与控制模块14进行交互的绝缘电阻测量电路20，控制模块14控制绝缘电阻测量电路20进行自检测等，同时绝缘电阻测量电路20将自检测结果反馈给控制模块14，即两者进行交互。一实施例中，稳压器11将输入的12V直流电压调压为5V直流电压输出，用于给CAN通信接口单元13及控制模块14提供5V直流工作电源。数字隔离器16与模数转换器15之间、数字隔离器16与控制模块14之间分别串联连接串行外设接口(又称SPI，Serial Peripheral Interface)17。一实施例中，数字隔离器16为四通道数字隔离器16。
如图2所示，绝缘电阻测量电路20具有与电动汽车的电池包内各单体电池对应的电源接口21、测量采样分压电路22、故障绝缘电阻Ri和接地端23。
测量采样分压电路22具有正端绝缘电阻Rp、负端绝缘电阻Rn、第一标准偏置电阻R0a、第二标准偏置电阻R0b、第一开关S1、第二开关S2、不同阻值级别的依次串联连接的采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3和采样电阻R4。
正端绝缘电阻Rp的一端与负端绝缘电阻Rn的一端串联连接，正端绝缘电阻Rp的另一端分别与电源接口21的正端、第一开关S1的一端串联连接，负端绝缘电阻Rn的另一端分别与电源接口21的负端、第二开关S2的一端串联连接；第一开关S1的另一端依次与第一标准偏置电阻R0a的一端串联连接，第一标准偏置电阻R0a的另一端与第二标准偏置电阻R0b的一端串联连接，第二标准偏置电阻R0b的另一端与第二开关S2的另一端串联连接。
采样电阻R1的一端分别与第一开关S1的一端串联连接，另一端依次与采样电阻R1的一端、采样电阻R2的一端、采样电阻R3的一端和采样电阻R4的一端串联连接；采样电阻R4另一端与第二开关S2一端串联连接；故障绝缘电阻Ri的一端与电源接口21中发生故障的单体电池的负端串联连接，另一端与正端绝缘电阻Rp的一端串联连接。正端绝缘电阻Rp的一端、第一标准偏置电阻R0a的另一端和采样电阻R2的另一端均与接地端23串联连接。
其中，V1～Vn为电池包内各单体电池电压。正端绝缘电阻Rp、负端绝缘电阻Rn分别为电源接口21的正端和负端对地的绝缘电阻。其中，U为已知的电池包中各单体电池电压；正端绝缘电阻Rp、负端绝缘电阻Rn、第一标准偏置电阻R0a、第二标准偏置电阻R0b对应的电阻值均为已知。
断开第一开关S1和第二开关S2，得到正极对地电压Vp，负极对地电压Vn，并通过测量采样分压电路22分别对采样电阻R2、采样电阻R3进行采样得到的对应的采样电压U1、U2。比较正极对地电压Vp与负极对地电压Vn的大小，如果正极对地电压Vp大于或等于负极对地电压Vn，则闭合第一开关S1，断开第二开关S2时，并通过测量采样分压电路22分别对采样电阻R2、采样电阻R3进行采样得到的对应的采样电压U1a'和U2a'。
则由电路原理可得直流高压系统的故障绝缘电阻值Ri和发生故障的第n个单体电池位置n的值，通过如下所示的公式(1)和(2)：
假设Rn∥R0b＝Rn'
即可得到：
n为电池包中发生故障的第n个单体电池位置，故障绝缘电阻Ri为故障单体电池处的故障绝缘电阻。
比较正极对地电压Vp与负极对地电压Vn的大小，如果正极对地电压Vp小于负极对地电压Vn，则断开第一开关S1，闭合第二开关S2时，并通过测量采样分压电路22分别对采样电阻R2、采样电阻R3进行采样得到的对应的采样电压U1b'和U2b'。
则由电路原理可得直流高压系统的故障绝缘电阻值Ri和发生故障的第n个单体电池位置n的值，通过如下所示的公式(3)和(4)：
假设Rp∥R0a＝Rp'
即可得到：
n为电池包中发生故障的第n个单体电池位置，故障绝缘电阻Ri为故障单体电池处的故障绝缘电阻。
如图3所示，本发明电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置的测量方法，具体如下：
Step1，首先，将绝缘电阻测量电路中的开关S1和开关S2均断开；
Step2，通过控制模块14控制绝缘电阻测量电路20进行自检测，检测是否具有故障(故障包括采样开关与并电阻开关常闭或常开失效等)，如若绝缘电阻测量电路20存在故障，则停止自检测状态，不继续动作；如若绝缘电阻测量系统20没有故障，继续Step3；
Step3，通过控制模块14测量绝缘电阻测量电路20的电源接口21正负两端电压，并判断电源接口21正端电压是否大于或等于电源接口21负端电压：
如若判断电源接口21正端电压大于或等于电源接口21负端电压，闭合第一开关S1，通过下列公式：
得到电池包中发生故障的第n个单体电池，并获得故障单体电池处的故障绝缘电阻Ri；
如若判断电源接口21正端电压小于电源接口21负端电压，闭合第二开关S2，通过下列公式：
得到电池包中发生故障的第n个单体电池，并获得故障单体电池处的故障绝缘电阻Ri；
Step4，通过控制模块14对绝缘电阻测量电路20进行绝缘滤波处理；
Step5，重新进行Step3。
以上详细描述了本实用新型的各较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置，具有一高压采样及算法集成模块和一与所述高压采样及算法集成模块串联连接的绝缘电阻测量电路；
所述高压采样及算法集成模块具有一控制模块，所述绝缘电阻测量电路与所述控制模块串联连接，用于得到所述电动汽车电池包中发生故障处的位置及故障处对应的绝缘电阻值，其特征在于；
所述绝缘电阻测量电路具有一由所述电动汽车电池包中若干单体电池串联组成的电源接口、一测量采样分压电路、一故障绝缘电阻Ri和一接地端；
所述测量采样分压电路具有一正端绝缘电阻Rp、一负端绝缘电阻Rn、一第一标准偏置电阻R0a、一第二标准偏置电阻R0b、一第一开关S1、一第二开关S2、不同阻值级别的依次串联连接的一采样电阻R1、一采样电阻R2、一采样电阻R3和一采样电阻R4；
所述正端绝缘电阻Rp一端与所述负端绝缘电阻Rn一端串联连接，所述正端绝缘电阻Rp的另一端分别与所述电源接口的正端、所述第一开关S1的一端串联连接，所述负端绝缘电阻Rn的另一端分别与所述电源接口的负端、所述第二开关S2的一端串联连接；所述第一开关S1的另一端依次与所述第一标准偏置电阻R0a的一端串联连接，所述第一标准偏置电阻R0a的另一端与所述第二标准偏置电阻R0b的一端串联连接，所述第二标准偏置电阻R0b的另一端与所述第二开关S2的另一端串联连接；
所述采样电阻R1的一端与所述第一开关S1的一端串联连接，另一端依次与所述采样电阻R1的一端、所述采样电阻R2的一端、所述采样电阻R3的一端和所述采样电阻R4的一端串联连接；所述采样电阻R4另一端与所述第二开关S2一端串联连接；
所述故障绝缘电阻Ri的一端与所述电源接口中发生故障的单体电池的负端串联连接，另一端与所述正端绝缘电阻Rp的一端串联连接；
所述正端绝缘电阻Rp的一端、所述第一标准偏置电阻R0a的另一端和所述采样电阻R2的另一端均与所述接地端串联连接。
2.如权利要求1所述的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述高压采样及算法集成模块具有依次串联连接在所述绝缘电阻测量电路和所述控制模块之间的一将所述绝缘电阻测量电路输出的模拟信号转换为数字信号的模数转换器，和一将所述模数转换器输出的数字信号进行数字隔离处理的数字隔离器。
3.如权利要求2所述的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述高压采样及算法集成模块具有串联连接在所述数字隔离器与所述模数转换器之间的一串行外设接口，所述数字隔离器与所述控制模块之间串联连接所述串行外设接口；所述数字隔离器为四通道数字隔离器。
4.如权利要求1所述的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述高压采样及算法集成模块具有一用于对输入电压进行稳压和调压处理的稳压器，所述稳压器的输出端与所述控制模块串联连接，为所述控制模块提供直流工作电源。
5.如权利要求4所述的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述高压采样及算法集成模块具有与所述稳压器的输出端依次串联连接的一DC/DC隔离模块和一用于实现网络通信的CAN通信接口单元；所述CAN通信接口单元可与所述控制模块进行交互。
6.如权利要求1所述的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述绝缘电阻测量电路为可与所述控制模块进行交互的绝缘电阻测量电路。
7.如权利要求1所述的电动汽车直流高压绝缘系统绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述控制模块为一单片机。
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