CN208000342U

CN208000342U - 一种基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置

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Publication number: CN208000342U
Application number: CN201820493743.0U
Authority: CN
Inventors: 刘金松; 刘道坦; 姜欢; 吴志威; 夏诗忠; 刘长来
Original assignee: Camel Group Wuhan Optics Valley R & D Center Co Ltd
Current assignee: Camel Group Wuhan Optics Valley R & D Center Co Ltd
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2028-04-09

Abstract

本实用新型的名称为一种基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置。属于直流系统母线对地绝缘监测技术领域。它主要是解决现有测量存在不具备自适应能力和无法确保测量可靠性的问题。它的主要特征是：包括由第一支路、第二支路、主控单片机及与该主控单片机连接的信号调理电路和开关阵列；第一支路与第二支路并联，两端分别连接有第六开关、第七开关；第一开关与第三传感器、第二开关与第四传感器之间的连接点均与第五开关连接；第一至第四传感器与信号调理电路电连接；信号调理电路还连接有第五传感器；所述开关阵列分别与第一至第七开关电连接。本实用新型主要用于BMS系统或者有类似需求的高低压直流系统中直流系统正、负极对低压地（外壳地）的绝缘阻抗。

Description

一种基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置

技术领域

本实用新型属于直流系统母线对地绝缘监测技术领域。具体涉及一种基于非平衡电桥监测新能源动力电池系统直流母线对地绝缘状态的测量装置。

背景技术

非平衡电桥法测量直流系统母线对地绝缘电阻时，容易出现测量误差大、测量慢、以及系统容易损坏、测量结果容易受干扰，并且测量过程会降低当前直流母线对地的绝缘状态，本实用新型通过测量电路和测量算法，大大改善了上述问题。

国标中规定了一种测试的方法，更多信息可参考《GB/T 18384.1 电动汽车-安全要求第一部分》，具体原理如下：绝缘电阻值是为了满足安全目的而确定的一个足够的值；为了进行测量，动力蓄电池（包括动力蓄电池所有的外部附件，例如：电热器、监测装置）应与车辆电底盘断开；在整个试验过程中，动力蓄电池的开路电压应等于或高于其标称电压值，动力蓄电池的两极应与动力装置断开；试验用的伏特表应能测量直流电压，其内阻应大于10 MΩ；测量应在（23±5）℃的环境温度下按以下步骤进行：

.按图1所示电路测试开路负极电压V₁；按图2所示电路测试开路正极电压V₁₁；如果V₁＞V₁₁，按图3所示电路测试负极电压V₂；如果V₁＜V₁₁，按图4所示电路测试正极电压V₂₂；图中R₀为100Ω/V-500Ω/V之间的标准电阻（按动力蓄电池的标称电压计算）。

.如果V₁＞V₁₁，绝缘电阻R_i按下式计算：

R_i=（V₁- V₂）/ V₂×R₀

.如果V₁＜V₁₁，绝缘电阻R_i按下式计算：

R_i=（V₁₁- V₂₂）/ V₂₂×R₀

以上方法是标准的计算方法。

如果以附录A（提示的附录）给出的推导方法为基础，可以选择使用下列公式：

R_i=（V₁- V₂）/ V₂×R₀×（1+ V₁₁/ V₁）

R_i=（V₁₁- V₂₂）/ V₂₂×R₀×（1+ V₁/ V₁₁）

现有的测量方法存在以下不足：1. 不具备自适应能力，无法确保测量可靠性；2.未能量化寄生电容对测量的影响，无法达到测量速度、测量精度的最佳匹配；3. 未能考虑到在特定场景下对测量系统进行保护；4. 采用的算法能降低外部绝缘突变导致的系统参数计算异常；5. 未能考量非平衡电桥在测量过程中，对系统绝缘电阻的影响；6. 基本不具备自诊断性，从而导致误报。

发明内容

本实用新型为解决以上缺点，提出一种用于新能源动力电池系统的直流母线对地绝缘状态测量的基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置。

本实用新型的技术解决方案是：一种基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置，其特征在于：包括由第一电阻、第一传感器、第一开关、第三传感器、第三开关和第三电阻依次串联的第一支路，由第二电阻、第二传感器、第二开关、第四传感器、第四开关和第四电阻依次串联的第二支路，还包括主控单片机及与该主控单片机连接的信号调理电路和开关阵列；其中，第一电阻与第三电阻阻值相同，第二电阻与第四电阻阻值相同；第一支路与第二支路并联，两端分别连接有第六开关、第七开关；第一开关与第三传感器、第二开关与第四传感器之间的连接点均与第五开关连接；第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器与信号调理电路电连接；信号调理电路还连接有第五传感器；所述开关阵列分别与第一至第七开关电连接。

本实用新型的技术解决方案中所述的第六开关、第七开关分别与带负载的直流系统的正极、负极连接，第五开关连接与电底盘或低压地连接；第五传感器连接在带负载的直流系统的正极、负极之间。

本实用新型的技术解决方案中所述的第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器和第五传感器均为阻值远小于第一至第四电阻的精密电阻；所述的信号调理电路包括第一至第五信号调理电路，第一至第四信号调理电路均由精密电阻、运算放大器、模拟-数字转换器、数字隔离通信电路和隔离电源构成，第四信号调理电路由第一分压电阻、精密电阻、第二分压电压、运算放大器、模拟-数字转换器、数字隔离通信电路和隔离电源构成；第一至第四信号调理电路分别与第一至第四传感器连接；第五信号调理电路与第五传感器连接，第五传感器的两端分别与第一分压电阻、第二分压电阻连接；所述的开关阵列为多路IO扩展芯片，第一至第七开关采用PhotoMos开关管。

本实用新型的技术解决方案中所述的第一至第七开关均为常断开关；第一至第七开关的组合开关状态包括五种工作模式；关机模式：系统不带电，所有开关均处于关断状态；测量模式一：第二开关、第四至第七开关处于闭合状态，第一开关、第三开关处于断开状态；测量模式二：第二至第七开关处于闭合状态，第一开关处于断开状态；测量模式三：第一开关、第二开关、第四至第七开关处于闭合状态，第三开关处于断开状态；空闲模式：第六开关、第七开关处于闭合状态，第一至第五开关处于断开状态。

本实用新型具有以下特点：1. 具备自适应能力，可以通过一系列标定过程来确保测量的参数确定可靠的测量；2. 可以达到速度和精度的最佳匹配；3. 可以确保这些场景下测量系统的安全可靠和寿命；4. 可避免这种情况发生；5. 最大化减少对系统绝缘特性的影响；6.具备自诊断性，通过计算过程判断数据和电路的是否失效，符合当前汽车电子部件设计的功能安全要求。

本实用新型主要用于BMS系统或者有类似需求的高低压直流系统中，采用了非平衡电桥方式进行检测，检测结果为直流系统正、负极对低压地（外壳地）的绝缘阻抗。

附图说明

图1为现有方法测试开路负极电压电路图。

图2为现有方法测试开路正极电压电路图。

图3为现有方法测试负极电压电路图。

图4为现有方法测试负极电压电路图。

图5为本实用新型的检测电路原理图。

图6为图5的开关组合状态一的电路图。

图7为图5的开关组合状态二的电路图。

图8为图5的开关组合状态三的电路图。

图9为本实用新型实施例的电路图。

图10为本实用新型实施例第一信号调理电路图。

图11为本实用新型实施例第五信号调理电路图。

图12为本实用新型实施例开关阵列电路图。

图13为本实用新型实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例作进一步详述。

本实用新型的检测电路原理图如图5至图8所示。检测电路如图5所示，包括由第一电阻R1、第一开关KG1、第三开关KG3和第三电阻R3依次串联的第一支路，由第二电阻R2、第二开关KG2、第四开关KG4和第四电阻R4依次串联的第二支路。其中，第一电阻R1与第三电阻R3阻值相同，第二电阻R2与第四电阻R4阻值相同。第一支路与第二支路并联，两端分别连接有第六开关KG6、第七开关KG7。第一开关KG1与第三开关KG3、第二开关KG2与第四开关KG4之间的连接点均与第五开关KG5连接。第六开关KG6与直流系统的正极B+及负载的一端连接，第七开关KG7与直流系统的负极B-及负载的另一端连接，第五开关KG5连接与电底盘或低压地连接。Rp、Rn表示直流系统正极、负极对地（电底盘、低压地，也同时是绝缘电阻的参考地）的电阻，Cp、Cn表示正极、负极对地的电容，本电路原理是通过检测电路得到Rp、Rn的值。Up表示第一电阻R1和第一开关KG1两端的电压值，Un表示第三电阻R3和第三开关KG3两端的电压值。首先操作开关，让电路分别处于如下各种开关组合状态，相应测出不同开关组合状态同时刻内的Up、Un电压值。根据不同时刻内的Up、Un的电压值组合计算出Rp、Rn的阻值。

第一种电路开关组合状态如图6所示。第一开关KG1、第三开关KG3断开，其他开关均闭合。此时，Up 电压为Up1，Un电压为Un1。

第二种电路开关组合状态如图7所示。第三开关KG3断开，其他开关均闭合。此时，Up 电压为Up2，Un电压为Un12。

第三种电路开关组合状态如图8所示。第一开关KG1断开，其他开关均闭合。此时，Up 电压为Up3，Un电压为Un3。

令

则，根据第一种、第二种状态可得到的公式1为：

根据第一种、第三种状态可得到公式2为：

实施例如图9至图13所示，本实用新型实施例与图5的不同是，还包括微型控制器及与该微型控制器连接的信号调理电路和开关阵列。第一电阻R1与第一开关KG1之间、第二电阻R2与第二开关KG2之间、第三开关KG3与第三电阻R3之间、第四开关KG4与第四电阻R4之间分别设有第一传感器R_X1、第二传感器R_X2、第三传感器R_X3、第四传感器R_X4。信号调理电路包括第一至第五信号调理电路。其中，第一至第四信号调理电路相同，如图10所示，均由运算放大器、模拟-数字转换器ADC、数字隔离通信电路和隔离电源构成，为常规信号调理电路。第一传感器R_X1、第二传感器R_X2、第三传感器R_X3和第四传感器R_X4分别与第一至第四信号调理电路电连接。第二信号调理电路由运算放大器、模拟-数字转换器ADC、数字隔离通信电路和隔离电源构成，为常规信号调理电路。第五信号调理电路如图11所示，与第五传感器R_X5连接，第五传感器R_X5的两端分别与第一分压电阻、第二分压电阻连接。第一传感器R_X1、第二传感器R_X2、第三传感器R_X3、第四传感器R_X4和第五传感器R_X5均为阻值远小于第一至第四电阻R1、R2、R3、R4的精密电阻R_X。开关阵列如图12所示，分别与第一至第七开关KG1、KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7电连接。开关阵列为多路IO扩展芯片，如图12所示，第一至第七开关KG1、KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7采用PhotoMos开关管。第一至第七开关KG1、KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7均为常断开关。第五传感器R_X5的一端与直流系统的正极B+及负载的一端连接，另一端与直流系统的负极B-及负载的另一端连接。

第一传感器R_X1、第二传感器R_X2、第三传感器R_X3和第四传感器R_X4用于检测Up、Un，第五传感器R_X5用于测量电池电压。Up是第一电阻R1（或者第二电阻R2）上的电压，Un是第三电阻R3（或者第四电阻R4）上的电压。

第一至第四传感器R_X4和第一至第四信号调理电路如下：

通过精密电阻Rx（远小于R1~R4），和R1~R4的阻值，可得到分压比例为：

P = Rx/ R （R 为R1~R4的阻值）

微型控制器U通过运算放大器得到精密电阻的电压为Ux，则

Up = Ux * P。

第五传感器R_X5和第五信号调理电路如下：

令第一分压电阻、第二分压电阻的电阻为Rs1、Rs2，精密电阻阻值为Rx，

则分压比例为Ps = (Rs1 + Rs2) / Rx

微型控制器通过ADC（模拟-数字转换器）得到电压为Ux5，则

电池电压U5 = Ux5 * Ps。

开关管实现方式为数字信号驱动的开关管（直接采用PhotoMos开关管），多路IO（输入/输出）扩展芯片主要是为了节省微控制器的IO资源，微控制器通过IO扩展芯片控制开关管1~N（对应于KG1~KG7）。

检测方法：

通过微型控制器和开关阵列去控制第一至第七开关KG1~KG7，使得电路处于不同的模式，并通过第一传感器和第二传感器对Up和Un进行测量，测量信号通过信号调理电路进入最终被微型控制器得到。

第一至第七开关KG1、KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7的组合开关状态包括五种工作模式；关机模式：系统不带电，所有开关均处于关断状态；测量模式一：第二开关KG2、第四至第七开关KG4、KG5、KG6、KG7处于闭合状态，第一开关KG1、第三开关KG3处于断开状态；测量模式二：第二至第七开关KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7处于闭合状态，第一开关KG1处于断开状态；测量模式三：第一开关KG1、第二开关KG2、第四至第七开关KG4、KG5、KG6、KG7处于闭合状态，第三开关 KG3处于断开状态；空闲模式：第六开关KG6、第七开关KG7处于闭合状态，第一至第五开关KG1、KG2、KG3、KG4、KG5处于断开状态。

系统外部绝缘Rp、Rn稳定系数K1、K2、K3，用于确定Rp、Rn是否处于可计算状态。

要求：模式之间切换所有开关操作时间小于特定时间Ts；采样精度达到1‰；时间要求为Tm（与系统Cp、Cn有关），取Tm > 2 * R2 * (Cp+Cn)。

达到上述条件的情况下，测量方法为：

1、系统上电。

2、工作模式切换到模式2，该状态下停留时间Tm。

3、采样得到Up1、Un1，U51。

4、工作模式切换到模式3，该状态下停留时间Tm。

5、采样得到Up2、Un2，U52。

6、工作模式切换到模式4，该状态下停留时间Tm。

7、采样得到Up3，Un3，U53。

8、计算系统关键参数K1，K2，K3（由Up1、Up2、Up3、Un1、Un2、Un3计算得到）。

若e1~e3 > 0.1，则认为本次计算失效，跳转到（13），

若连续出现计算失效超出5次，停止计算过程，上报采样故障。

9、若K1、K2、K3任意一个超出设定阈值范围，则认为Rp、Rn处于不可计算状态，跳转到步骤12。

令上一次k1/k2/k3的值为k01，k02，k03，

Abs((k01-k1)/k1) < 0.05

Abs((k02-k2)/k2) < 0.05

Abs((k03-k3)/k3) < 0.05

若k1/k2/k3的值与上一次的值进行比较，任意一个的变化率超过了5%，则认为系统阻抗状态不稳定，外部状态不稳定导致无法计算。

10、若Rp和Rn处于稳定状态，根据电路参数值（R1~R4）和测量参数值（Up1~Up3，Un1~Un3）计算得到Rp、Rn。

计算公式参考前文的计算公式1、公式2。

若Up1 > Un1，则采用公式1计算的结果，否则采用公式2的计算结果。

11、工作模式切换到模式5，该状态下停留时间Tx，Tx由系统设计人员确定，且Tx >Tm，在Tx时间内，系统的绝缘特性不不受影响。

12、确认是否需要对系统进行故障诊断（根据检测时间来计算，间隔一定的时间需要对系统进行自检），若不需要跳转到步骤（2）。

13、对系统进行诊断，若系统电路出现故障（参考1.4），则采样停止并通过控制器发出告警信号，否则跳转到步骤（2）。

流程图如图13所示，系统电路诊断方法：

本电路仅检测电阻R1~R4或者KG1~KG4的断路单点故障。

传感器1~5计算得到电压U1~U5。

（1）、闭合KG5、KG6、KG7。

（2）、通过传感器5测量得到电池电压U5。

（3）、KG1、KG2、KG3、KG4断开。

（4）、传感器1~5采样得到的电压值为U11，U12，U13，U14，通过这5个电压值判断电路状态，若有故障则停止诊断。

判断方法：

若U11，U12，U13，U14中任意一个超出0.1V的阈值，则认为KG1~KG4中有发生短路故障的情况出现，此时计算结果无效。

（5）、闭合KG1、KG3，断开KG2、KG4，传感器1~5采样得到U31，U32，U33，U34，U35，通过这些数据判断电路状态，若有故障则停止诊断，判定电路问题。

误差系数：

E1= (U31 + U32) - U35)/U35 ，

若E1 < 0.1，则认为无故障，否则认为电路出现故障。

（6）、闭合KG2、KG4，断开KG1、KG3，采样得到U41，U42，U43，U44，U45，通过这四个电压值和U5判断电路状态，若有故障则停止诊断。

误差系数：

E2= (U43 + U44) – U45)/U45 ，

若E2 < 0.1，则认为无故障，否则认为电路出现故障。

本实用新型的关键点是：

1.通过KG6、KG7，确保了系统在未工作的情况（关机状态）下，外部的测量行为（生产和研发过程中）不会对测量电路造成损坏；

2. 通过KG5，在测量过程中的空闲模式下（也就是Tx时间），避免了因为测量电路导致的直流系统绝缘性能下降；

3. 通过系统的关键参数K1、K2、K3的计算和处理，确定了系统外部绝缘阻抗Rp、Rn是否处于可计算状态，避免出现Rp、Rn突变或者受到一定的干扰时，出现计算失效的可能性；

4. 通过Cp、Cn、R1~R4来量化系统参数Ts、Td、Tm，确保了采样数据的时效性，系统采样间隔的最小合理值，确保了采样速度、采样准确性的平衡；

5. 系统电路具备自诊断性，可以诊断关键器件是否出现短路、断路，避免因为电路失效导致的绝缘监测误报，确保检测结果的准确可靠性，一定程度上满足汽车功能安全规范要求（ISO26262）；

6. 总体来说，本设计使用的电路成本低，稳定性高，检测稳定，广泛适用于600V以下的直流系统的绝缘监测。

本实用新型的优点为：

1. 现有的测量方法不具备自适应能力，无法确保测量可靠性，本实用新型的算法具备自适应能力（匹配当前电路，具体参考上述的Ts/Td/T），可以通过一系列标定过程来确保测量的参数确定可靠的测量；

2. 现有测量方法中未能量化寄生电容对测量的影响，无法达到测量速度、测量精度的最佳匹配，本实用新型采用的算法可以达到速度和精度的最佳匹配；

3. 现有设计未能考虑到在特定场景下对测量系统进行保护，本设计可以确保这些场景下测量系统的安全可靠和寿命；

4. 现有设计中采用的算法能降低外部绝缘突变导致的系统参数计算异常，而本设计可避免这种情况发生；

5. 现有设计未能考量非平衡电桥在测量过程中，对系统绝缘电阻的影响。本设计最大化减少对系统绝缘特性的影响。

Claims

1.一种基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置，其特征在于：包括由第一电阻（R1）、第一传感器（R_X1）、第一开关（KG1）、第三传感器（R_X3）、第三开关（KG3）和第三电阻（R3）依次串联的第一支路，由第二电阻（R2）、第二传感器（R_X2）、第二开关（KG2）、第四传感器（R_X4）、第四开关（KG4）和第四电阻（R4）依次串联的第二支路，还包括主控单片机（MCU）及与该主控单片机连接的信号调理电路和开关阵列；其中，第一电阻（R1）与第三电阻（R3）阻值相同，第二电阻（R2）与第四电阻（R4）阻值相同；第一支路与第二支路并联，两端分别连接有第六开关（KG6）、第七开关（KG7）；第一开关（KG1）与第三传感器（R_X3）、第二开关（KG2）与第四传感器（R_X4）之间的连接点均与第五开关（KG5）连接；第一传感器（R_X1）、第二传感器（R_X2）、第三传感器（R_X3）和第四传感器（R_X4）与信号调理电路电连接；信号调理电路还连接有第五传感器（R_X5）；所述开关阵列分别与第一至第七开关（KG1、KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置，其特征在于：所述的第六开关（KG6）、第七开关（KG7）分别与带负载的直流系统的正极、负极连接，第五开关（KG5）连接与电底盘或低压地连接；第五传感器（R_X5）连接在带负载的直流系统的正极、负极之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置，其特征在于：所述的第一传感器（R_X1）、第二传感器（R_X2）、第三传感器（R_X3）、第四传感器（R_X4）和第五传感器（R_X5）均为阻值远小于第一至第四电阻（R1、R2、R3、R4）的精密电阻（R_X）；所述的信号调理电路包括第一至第五信号调理电路，第一至第四信号调理电路均由精密电阻、运算放大器、模拟-数字转换器（ADC）、数字隔离通信电路和隔离电源构成，第四信号调理电路由第一分压电阻、精密电阻、第二分压电压、运算放大器、模拟-数字转换器（ADC）、数字隔离通信电路和隔离电源构成；第一至第四信号调理电路分别与第一至第四传感器（R_X1、R_X2、R_X3、R_X4）连接；第五信号调理电路与第五传感器（R_X5）连接，第五传感器（R_X5）的两端分别与第一分压电阻、第二分压电阻连接；所述的开关阵列为多路IO扩展芯片，第一至第七开关（KG1、KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7）采用PhotoMos开关管。

4.根据权利要求3所述的一种基于非平衡电桥的直流系统绝缘监测装置，其特征在于：所述的第一至第七开关（KG1、KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7）均为常断开关；第一至第七开关（KG1、KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7）的组合开关状态包括五种工作模式；关机模式：系统不带电，所有开关均处于关断状态；测量模式一：第二开关、第四至第七开关（KG2、KG4、KG5、KG6、KG7）处于闭合状态，第一开关、第三开关（KG1、KG3）处于断开状态；测量模式二：第二至第七开关（KG2、KG3、KG4、KG5、KG6、KG7）处于闭合状态，第一开关（KG1）处于断开状态；测量模式三：第一开关、第二开关、第四至第七开关（KG1、KG2、KG4、KG5、KG6、KG7）处于闭合状态，第三开关（KG3）处于断开状态；空闲模式：第六开关、第七开关（KG6、KG7）处于闭合状态，第一至第五开关（KG1、KG2、KG3、KG4、KG5）处于断开状态。