CN211086446U - 一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了储能电池绝缘电阻技术领域的一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，旨在解决现有技术中电池簇绝缘电阻监测功能相互干扰，测量精度低，操作和使用安全性低的技术问题，包括单片机、正极直流接触器连接电池簇的正极母线主接触器、负极直流接触器连接电池簇的负极母线主接触器、正极绝缘开关电路和负极绝缘开关电路连接待监测绝缘电阻；单片机连接定时器和采样电路、单片机连接电池簇管理单元。避免了电池簇绝缘电阻监测装置与PCS系统同时接入造成的相互干扰，测量精度低，操作和使用安全性低的技术问题，可以更灵活配置绝缘电阻测量功能。

Description

一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置

技术领域

本实用新型属于储能电池绝缘电阻技术领域，具体涉及一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置。

背景技术

在储能电站电池系统投运后，由于锂离子电池簇电压一般都在几百伏以上，如果发生意外漏电的情况，绝缘电阻低不仅威胁着现场技术人员的安全，而且会严重影锂离子电池的使用寿命。因此，绝缘电阻检测是储能电站必不可少的一项功能。

传统的锂离子电池绝缘电阻检测多采用电阻测量法或电桥测量法，此类方法不具备电池簇绝缘电阻监测投退功能，长时间接入测量电阻，降低了系统绝缘性，增加了电池损耗；且当PCS投入后，电池簇绝缘电阻监测装置和电池管理系统仍旧连接在一起，操作和使用安全性低，可能影响PCS系统对电池簇绝缘电阻的测量结果，导致无法精确测量出电池簇的漏电程度。从而无法为电池管理系统提供更加详细准确的绝缘信息，这无疑增加了电池系统的安全隐患，也不利于整个储能电池行业的推广。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，以解决现有技术中电池簇绝缘电阻监测功能相互干扰，测量精度低，操作和使用安全性低的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，包括单片机，所述单片机连接正极直流接触器、负极直流接触器、正极绝缘开关电路、负极绝缘开关电路；

所述正极直流接触器连接电池簇的正极母线主接触器，采集正极母线主接触器的位置信息；

所述负极直流接触器连接电池簇的负极母线主接触器，采集负极母线主接触器的位置信息；

所述正极绝缘开关电路和所述负极绝缘开关电路连接待监测绝缘电阻，测量计算绝缘电阻所需的电气量数据；

所述单片机连接电池簇管理单元，将计算所得的绝缘电阻值上传至电池簇管理单元。

所述单片机连接定时器，定时测量电池簇绝缘电阻。

所述正极绝缘开关电路包括正极分压电路、所述正极分压电路连接正极继电器，所述正极继电器连接正极隔离光耦。

所述正极隔离光耦连接所述单片机的其中一路GPIO。

所述负极绝缘开关电路包括负极分压电路、所述负极分压电路连接负极继电器，所述负极继电器连接负极隔离光耦。

所述负极隔离光耦连接所述单片机的其中一路GPIO。

所述单片机还包括CAN通信模块。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：

（1）本实用新型通过正负极母线主接触器状态自动投退电池簇绝缘电阻监测装置，避免了电池簇绝缘电阻监测装置与PCS系统同时接入造成的相互干扰，测量精度低，操作和使用安全性低的技术问题，可以更灵活配置绝缘电阻测量功能；

（2）本实用新型通过定时器定时测量绝缘电阻，不需要长时间接入测量电阻，保护系统绝缘性，降低电池损耗。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置的电路图；

图3是本实用新型实施例提供的一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置的单片机引脚驱动正极继电器触点电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，电池簇绝缘电阻监测装置包括单片机，单片机连接正、负极直流接触器，通过正、负极直流接触器连接电池簇的正、负极母线主接触器，并实现与正、负极母线主接触器联动，当正、负极母线主接触器闭合时，电池簇绝缘电阻监测装置被退出，此时，电池簇投入了PCS系统，电池簇和PCS系统配合工作，电池簇绝缘电阻由PCS系统监测；当正、负极母线主接触器断开时，电池簇绝缘电阻监测装置被投入，此时，电池簇和PCS系统分离，电池簇绝缘电阻监测装置对电池簇的绝缘电阻进行监测。单片机连接正、负极绝缘开关电路并通过正、负极绝缘开关电路采集计算绝缘电阻所需的电气量数据。单片机连接电池簇管理单元并将计算得到的绝缘电阻值通过单片机的CAN通信模块，以CAN报文的形式上传给电池簇管理单元，供电池簇管理系统使用。

本实施例中，正、负极直流接触器和正、负极绝缘开关电路均安装于电池簇高压配电箱内部，正、负极直流接触器可直接与电池簇高压配电箱内部的正、负极母线主接触器连接，实现电池簇绝缘电阻监测装置的投退与正、负极母线主接触器动作的联动，即正、负极母线主接触器闭合时，电池簇绝缘电阻监测装置被退出；正、负极母线主接触器断开时，电池簇绝缘电阻监测装置被投入。单片机还连接定时器，定时器可按照设定周期自动启动单片机的测量程序，不测量时处于休眠状态，避免长时间接入测量电阻，降低系统绝缘性，增加电池损耗。

如图2所示，虚线框内代表电池簇模型，Vb为电池簇电压，Rp和Rn分别代表正、负极母线对地绝缘电阻，为待监测的绝缘电阻；虚线框外是构建的绝缘电阻测量电路，R0为配合测量用的已知标准电阻，S1、S2分别是正极继电器、负极继电器的7、8脚构成的回路，电阻R1和R2、R3和R4为分压采样电阻，Vp为正对地电压，Vn为地对负电压。

需要说明的是，标准电阻R0的精确程度直接影响最终绝缘电阻计算结果的精度，因此需要选用高精度、低温漂的精密电阻。标准电阻阻值选取可以根据国标推荐方法，依据电池的标称电压计算，在100Ω/V～500Ω/V之间选择。

正极母线对地绝缘电阻Rp的第一端与电池簇正极、正极继电器的7脚、第一分压电阻R1的第一端连接；Rp第二端与地、标准电阻R0的第一端、负极母线对地绝缘电阻Rn第一端连接。R0的第二端与正极继电器8脚、负极继电器7脚连接。负极母线对地绝缘电阻Rn的第一端与地、正极母线对地绝缘电阻Rp第二端、标准电阻R0第一端连接；Rn第二端与电池簇负极、负极继电器8脚、第二分压电阻R4第二端连接。第一分压电阻R1的第二端与第一采样电阻R2的第一端连接，第一采样电阻R2的第二端与地、第二采样电阻R3的第一端连接，第二采样电阻R3的第二端与第二分压电阻R4第一端连接。第二分压电阻R4的第二端与负极继电器的8脚、负母线对地绝缘电阻第二端、电池簇负极连接。

需要说明的是，单片机的ADC采样管脚与第一采样电阻R2两端、第二采样电阻R3两端连接， 分压电阻R1与R4为大阻值电阻，采样电阻R2与 R3为小阻值电阻，通过单片机ADC模块分别测量R2和R3两端的电压为V2、V3。

进一步，R1、R4为大阻值电阻，R2、R3为小阻值电阻，单片机ADC模块电压输入范围是0～5V，对于AD测量通道，取一定的裕量为4V。电池电压范围按照0～1000V，电压测量的分压电路由阻值为Rh的大阻值电阻和阻值为Rl的小阻值电阻组成，考虑电池正负极直接对地短路的极端情况，权衡国标对电压测量仪器阻抗的要求，选取Rh=10MΩ，Rl=40kΩ。分压电路分压系数为：

Rl/(Rh+Rl)=4/1000=1/250 （1）

进一步，Vp和Vn的值根据单片机采样的R2、R3两端的电压V2、V3和分压电路分压系数可得出：

Vp=250*V2 （2）

Vn=250*V3 （3）

进一步，单片机测量程序根据得出的Vp和Vn的值比较两者大小，当Vp>Vn，则通过单片机与负极继电器1脚相连的GPIO输出低电平，从而继电器的7脚和8脚之间导通（即S2闭合），在负母线与地之间并入标准电阻R0。

进一步，测量正、负极母线对地电压Vpn和Vnn，考虑分压测量电路，单片机测量程序根据电路理论可得出绝缘电阻：

Rn=(Vpn*Vn-Vp*Vnn)/((Vp*Vnn)/R0+Vp*B-Vpn*A) （4）

Rp=(Vp*Rn*(Rh+Rl))/(Vn*(Rh+Rl)+Vn*Rn-Vp*Rn) （5）

其中，A=(Vn-Vp)/(Rl+Rh)，B=(Vnn-Vpn)/(Rl+Rh)。

进一步，当Vp<Vn，则通过单片机与正极继电器1脚相连的GPIO输出低电平，从而继电器的7脚和8脚之间导通（即S1闭合），在正极母线与地之间并入标准电阻R0。

进一步，测量正、负极母线对地电压Vpp和Vnp，考虑分压测量电路，单片机测量程序可得出绝缘电阻：

Rp=(Vnp*Vp-Vn*Vpp)/((Vn*Vpp)/R0+Vn*B1-Vnp*A) （6）

Rn=(Vn*Rp*(Rh+Rl))/(Vp*(Rh+Rl)+Vp*Rp-Vn*Rp) （7）

其中，A=(Vn-Vp)/(Rl+Rh)，B1=(Vpp-Vnp)/(Rl+Rh)。

进一步，单片机根据测量程序中的算法计算出的正负极电池簇绝缘电阻值，并以CAN报文的方式上送至上级电池簇管理单元，便于电池簇管理单元对系统的运行状态进行评估与监控。

正极绝缘开关电路主要由正极分压电路、正极隔离光耦和正极继电器组成；当正极母线对地电压小于地对负极母线电压，与正极隔离光耦输入端相连的单片机引脚输出低电平，隔离光耦输出端闭合，正极继电器的1脚与2脚之间构成通路串入+24回路，从而继电器的7脚和8脚之间导通，在正母线与地之间并入标准电阻，测量正极母线对地电压。

如图3所示，隔离光耦的输入端第一端与R10的第二端连接，R10的第一端与+5V电源连接，隔离光耦的输入端第二端与单片机的GPIO连接；隔离光耦输出端的第一端与+24电源连接，隔离光耦输出端的第二端与正极继电器的管脚1连接，隔离光耦输出端两个管脚之间并有0.01uF的滤波电容。正极继电器的1脚与隔离光耦的输出端第二端连接，2脚与地、防反二极管的正极连接，防反二极管的负极与隔离光耦的输出端第二端连接。当单片机的GPIO管脚输出低电平，隔离光耦的输入端注入电流，输出端导通，继电器的1脚接入+24V驱动电压，进而驱动7、8触点动作闭合，即S1闭合。当单片机的GPIO管脚输出高电平，隔离光耦输入端两端无电势差，输出端不动作，进而继电器不动作，即S1断开。

负极绝缘开关电路主要由负极分压电路和负极隔离光耦、负极继电器组成；当正母线对地电压不小于地对负母线电压，与负极隔离光耦输入端相连的单片机引脚输出低电平，隔离光耦输出端闭合，负极继电器的1脚与2脚之间构成通路串入+24V回路，从而继电器的7脚和8脚之间导通，在负母线与地之间并入标准电阻，测量负极母线对地电压。

本实施例中，绝缘电阻监测装置不需要测量电池簇绝缘电阻时，不启动单片机的测量程序。需要测量电池簇绝缘电阻时，利用定时器启动单片机测量程序，单片机的两路GPIO分别外接正、负极隔离输入端，并按照控制方法，选通正极或负极继电器，输出绝缘电阻采样电压；绝缘电阻采样电压经电压隔离芯片隔离后，输入到单片机的模数转换单元；单片机会依据采集到的绝缘电阻采样电压值，计算出当前电池簇的绝缘电阻值，并上传给电池簇管理单元，供电池管理系统使用。

本实用新型通过采集正负极母线主接触器位置信息判断PCS系统是否投入，并根据PCS系统的投入情况自动投退电池簇绝缘电阻监测装置，避免了电池簇绝缘电阻监测装置与PCS系统同时接入造成的相互干扰，测量精度低，操作和使用安全性低的技术问题，可以更灵活配置绝缘电阻测量功能，另外通过定时器定时测量绝缘电阻，不需要长时间接入测量电阻，保护系统绝缘性，降低电池损耗。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，其特征是，包括单片机，所述单片机连接正极直流接触器、负极直流接触器、正极绝缘开关电路、负极绝缘开关电路；

所述正极直流接触器连接电池簇的正极母线主接触器；

所述负极直流接触器连接电池簇的负极母线主接触器；

所述正极绝缘开关电路和所述负极绝缘开关电路连接待监测绝缘电阻，测量计算绝缘电阻所需的电气量数据；

所述单片机连接电池簇管理单元，将计算所得的绝缘电阻值上传至电池簇管理单元。

2.根据权利要求1所述的独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，其特征是，所述单片机连接定时器，定时测量电池簇绝缘电阻。

3.根据权利要求1所述的独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，其特征是，所述正极绝缘开关电路包括正极分压电路、所述正极分压电路连接正极继电器，所述正极继电器连接正极隔离光耦。

4.根据权利要求3所述的独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，其特征是，所述正极隔离光耦连接所述单片机的其中一路GPIO。

5.根据权利要求1所述的独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，其特征是，所述负极绝缘开关电路包括负极分压电路、所述负极分压电路连接负极继电器，所述负极继电器连接负极隔离光耦。

6.根据权利要求5所述的独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，其特征是，所述负极隔离光耦连接所述单片机的其中一路GPIO。

7.根据权利要求1所述的独立式电化学储能锂离子电池簇绝缘电阻监测装置，其特征是，所述单片机还包括CAN通信模块。

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