CN218866059U - 一种电池系统绝缘检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电池系统绝缘检测装置，包括：第一支路，包括串联的第一开关K1与电阻Ra，第一支路与第一等效绝缘电阻Rp并联；第一支路的第一端与电池系统的电源正极连接，第二端与系统地连接；第二支路，包括串联的第二开关K2与电阻Rb，第二支路与第二等效绝缘电阻Rn并联；第二支路的第一端与电池系统的电源负极连接，第二端与系统地连接；采样模块，用于采集系统地与电源负极之间的电压；采集电源正极与系统地之间的电压以及采集电池系统两端的电压。不仅降低了设计成本，还提高了电压数据的准确性，从而提高了绝缘电阻值的检测精度。

Description

一种电池系统绝缘检测装置

技术领域

本实用新型涉及电池系统技术领域，具体涉及一种电池系统绝缘检测装置。

背景技术

新能源电池，尤其是高容量、高电压、高功率的新能源锂电池越来越受到人们的青睐。而电池系统早期主要应用于低压领域，如一些数码产品上。随着市场需求的增加，电池系统逐步推进到高压领域，如新能源汽车、大巴、家庭用储能电池等。电池系统的电压等级一般都比较高，相应的对电池系统的安规等级要求也更高，因此对电池系统的绝缘采集便成了不可或缺的一项功能。

当前高压电池系统领域，一般根据确定出的绝缘电阻值与电池系统电源正负极的电压来判断电池系统的绝缘性能。但是，现有技术中在获得电池系统电源正负极的电压以及各支路采样电压的过程中，往往还要通过隔离ADC或其他隔离形式再传递给低电压接收端，从而降低了绝缘电阻值的检测精度，影响了电池系统绝缘检测结果。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决现有技术中常用的绝缘检测方案精度相对较低的技术问题，从而提供一种电池系统绝缘检测装置。

根据第一方面，本实用新型实施例提供了一种电池系统绝缘检测装置，包括：

第一支路，包括串联的第一开关K1与电阻Ra，所述第一支路与第一等效绝缘电阻Rp并联；所述第一支路的第一端与所述电池系统的电源正极连接，第二端与系统地连接；

第二支路，包括串联的第二开关K2与电阻Rb，所述第二支路与第二等效绝缘电阻Rn并联；所述第二支路的第一端与所述电池系统的电源负极连接，第二端与所述系统地连接；

采样模块，用于在所述第一开关K1闭合、所述第二开关K2断开的情况下，采集所述系统地与所述电源负极之间的电压；在所述第一开关K1和所述第二开关K2均闭合的情况下，采集所述电源正极与所述系统地之间的电压以及所述系统地与所述电源负极之间的电压；在所述第一开关K1断开、所述第二开关K2闭合的情况下，采集所述电源正极与所述系统地之间的电压；

所述采样模块，还用于采集所述电池系统两端的电压。

可选地，所述电池系统绝缘检测装置还包括：

第三开关K3，第一端分别与所述第一支路的第二端、所述第二支路的第二端连接，所述第三开关K3的第二端与所述系统地连接。

可选地，所述采样模块包括：

第一采样模块，一个输入端与所述电源正极连接、另一个输入端与所述系统地连接，输出端用于输出所述电源正极与所述系统地之间的电压采样信号；

第二采样模块，一个输入端与所述电源负极连接、另一个输入端与所述系统地连接，输出端与用于输出所述系统地与所述电源负极之间的电压采样信号；

第三采样模块，一个输入端与所述电源正极连接、另一个输入端与所述电源负极连接，输出端用于输出所述电池系统两端的电压采样信号。

可选地，所述电池系统绝缘检测装置还包括：

单片机，分别与所述第一采样模块、所述第二采样模块、所述第三采样模块的输出端连接，用于分别接收所述第一采样模块、所述第二采样模块、所述第三采样模块输出的所述电压采样信号，并分别将所述电压采样信号转换为电压值。

可选地，所述第一采样模块、所述第二采样模块、所述第三采样模块均采样差分放大电路。

可选地，所述第一采样模块的所述差分放大电路包括：

第一放大器，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第一放大器的输出端为所述第一采样模块的输出端；

第一电阻R1，第一端与所述电源正极连接，第二端与所述正向输入端连接；

第二电阻R2，第一端与所述系统地连接，第二端与所述反向输入端连接；

第三电阻R3，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第四电阻R4，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第一放大器的输出端连接。

可选地，所述第二采样模块的所述差分放大电路包括：

第二放大器，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第二放大器的输出端为所述第二采样模块的输出端；

第五电阻R5，第一端与所述系统地连接，第二端与所述正向输入端连接；

第六电阻R6，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述电源负极连接；

第七电阻R7，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第八电阻R8，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第二放大器的输出端连接。

可选地，所述第三采样模块的所述差分放大电路包括：

第三放大器，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第三放大器的输出端为所述第三采样模块的输出端；

第九电阻R9，第一端与所述电池系统的电源正极连接，第二端与所述正向输入端连接；

第十电阻R10，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述电源负极连接；

第十一电阻R11，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第十二电阻R12，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第三放大器的输出端连接。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型提供一种电池系统绝缘检测装置，利用采样模块，在第一开关K1闭合、第二开关K2断开的情况下，采集系统地与电源负极之间的电压；在第一开关K1和所二开关K2均闭合的情况下，采集电源正极与系统地之间的电压以及所述系统地与所述电源负极之间的电压；在第一开关K1断开、第二开关K2闭合的情况下，采集电源正极与系统地之间的电压。利用采样模块采集确定系统地与电源负极之间的电压、电源正极与系统地之间的电压以及电池系统两端的电压。不需要再通过隔离ADC或其他隔离形式获取电压值，不仅降低了设计成本，还提高了电压数据的准确性，从而提高了绝缘电阻值的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中一种电池系统绝缘检测装置的一个具体示例的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

本实施例提供一种电池系统绝缘检测装置，用于检测电池系统的电源正极对系统地、负极对系统地的绝缘性能，如图1所示，具体如下。

电池系统绝缘检测装置包括第一支路，第一支路包括串联的第一开关K1与电阻Ra，所述第一支路与第一等效绝缘电阻Rp并联；所述第一支路的第一端与所述电池系统的电源正极BUS+连接，第二端与系统地PE连接；其中，第一等效绝缘电阻Rp是电池系统的电源正极BUS+与系统地PE之间的等效电阻。系统地PE也称作屏蔽地或机壳地。

第二支路，包括串联的第二开关K2与电阻Rb，所述第二支路与第二等效绝缘电阻Rn并联；所述第二支路的第一端与所述电池系统的电源负极BUS-连接，第二端与所述系统地PE连接；其中，第二等效绝缘电阻Rn是电池系统的电源负极BUS-与系统地PE之间的等效电阻。

采样模块，用于在所述第一开关K1闭合、所述第二开关K2断开的情况下，采集所述系统地PE与所述电源负极BUS-之间的电压；在所述第一开关K1和所述第二开关K2均闭合的情况下，采集所述电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压以及所述系统地与所述电源负极之间的电压；在所述第一开关K1断开、所述第二开关K2闭合的情况下，采集所述电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压；

所述采样模块，还用于采集所述电池系统两端的电压，即电源正极BUS+和所述电源负极BUS-之间的电压。

本实施例中，利用采样模块，在第一开关K1闭合、第二开关K2断开的情况下，采集系统地与电源负极之间的电压；在第一开关K1和所二开关K2均闭合的情况下，采集电源正极与系统地之间的电压以及所述系统地与所述电源负极之间的电压；在第一开关K1断开、第二开关K2闭合的情况下，采集电源正极与系统地之间的电压。利用采样模块采集确定系统地与电源负极之间的电压、电源正极与系统地之间的电压以及电池系统两端的电压。不需要再通过隔离ADC或其他隔离形式获取电压值，不仅降低了设计成本，还提高了电压数据的准确性，从而提高了绝缘电阻值的检测精度。

作为一种可选实施方式，本实用新型实施例中，电池系统绝缘检测装置还包括：

第三开关K3，第一端分别与所述第一支路的第二端、所述第二支路的第二端连接，所述第三开关K3的第二端与所述系统地PE连接。

其中，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3可以为可控开关，例如：全控型开关器件或半控型开关器件等。

作为一种可选实施方式，本实用新型实施例中，所述采样模块包括：

第一采样模块11，一个输入端与所述电源正极BUS+连接、另一个输入端与所述系统地PE连接，输出端用于输出所述电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压采样信号；

第二采样模块12，一个输入端与所述电源负极连接、另一个输入端与所述系统地连接，输出端与用于输出所述系统地与所述电源负极之间的电压采样信号；

第三采样模块13，一个输入端与所述电源正极连接、另一个输入端与所述电源负极连接，输出端用于输出所述电池系统两端的电压采样信号。

作为一种可选实施方式，本实用新型实施例中，电池系统绝缘检测装置还包括：单片机，分别与所述第一采样模块11、所述第二采样模块12、所述第三采样模块13的输出端连接，用于分别接收所述第一采样模块、所述第二采样模块、所述第三采样模块输出的所述电压采样信号，并分别将所述电压采样信号转换为电压值。

其中，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3为可控开关时，可以由单片机分别控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3的闭合与断开。

作为一种可选实施方式，本实用新型实施例中，所述第一采样模块11、所述第二采样模块12、所述第三采样模块13均采样差分放大电路。

作为一种可选实施方式，本实用新型实施例中，所述第一采样模块11的所述差分放大电路包括：

第一放大器A1，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第一放大器A1的输出端为所述第一采样模块11的输出端；

第一电阻R1，第一端与所述电池系统的电源正极BUS+连接，第二端与所述正向输入端连接；

第二电阻R2，第一端与所述系统地PE连接，第二端与所述反向输入端连接；

第三电阻R3，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第四电阻R4，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第一放大器的输出端连接。其中，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的阻值相等、所述第三电阻R3与所述第四电阻R4的阻值相等。

作为一种可选实施方式，本实用新型实施例中，所述第二采样模块12的所述差分放大电路包括：

第二放大器A2，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第二放大器的输出端为所述第二采样模块12的输出端；

第五电阻R5，第一端与所述系统地PE连接，第二端与所述正向输入端连接；

第六电阻R6，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述电池系统的电源负极BUS-连接；

第七电阻R7，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第八电阻R8，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第二放大器的输出端连接。其中，所述第五电阻R5与所述第六电阻R6的阻值相等、所述第七电阻R7与所述第八电阻R8的阻值相等。

作为一种可选实施方式，本实用新型实施例中，所述第三采样模块13的所述差分放大电路包括：

第三放大器A3，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第三放大器的输出端为所述第三采样模块13的输出端；

第九电阻R9，第一端与所述电池系统的电源正极BUS+连接，第二端与所述正向输入端连接；

第十电阻R10，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述电池系统的电源负极BUS-连接；

第十一电阻R11，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第十二电阻R12，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第三放大器的输出端连接。其中，所述第九电阻R9与所述第十电阻R10的阻值相等、所述第十一电阻R11与所述第十二电阻R12的阻值相等。

本实施例中，采用三路差分放大电路，即第一采样模块、第二采样模块、第三采样模块，将高压分量直接通过低压端单片机进行采集，不需要通过隔离转换器件，从而降低了设计成本，且采样模块均采用差分放大电路，其抗干扰能力强且检测精度高。

具体的电池系统绝缘检测及判断电池系统绝缘性能的过程如下：本实施例中，以包含第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3，三个开关为例。

初始状态时，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3均处于断开状态；

电池系统绝缘检测过程，步骤1：闭合第一开关K1与第三开关K3，以上桥臂Ra为固定桥臂，第三采样模块13对电源正极BUS+与电源正极BUS-之间的电压进行采集。单片机接收电池系统两端的电压采样信号，确定出电压采样信号转换出的电压值为Vc。根据VB/R9*R11＝Vc可得到电压VB的值，也即是电池系统两端的电压；第二采样模块12对系统地PE与电源负极BUS-之间的电压进行采样，单片机接收系统地PE与电源负极BUS-之间的电压采样信号，确定电压采样信号转换出的电压值为Vb；根据Un1/R5*R7＝Vb可得到电压Un1的值，也即是系统地PE与电源负极BUS-之间的电压；进一步地，根据如图1所示的电路以及基尔霍夫电流定理可列出以下公式(1)：

其中，VB为电池系统两端的电压，Un1为系统地PE与电源负极BUS-之间的电压，Rp1为第一等效绝缘电阻，Rn1为第二等效绝缘电阻。

步骤2：闭合第二开关K2，将第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3均处于闭合状态。第三采样模块13对电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压采集信号不变，即电池系统两端的电压值VB不变。第二采样模块12对系统地PE与电源负极BUS-之间的电压进行采样，单片机接收系统地PE与电源负极BUS-之间的电压采样信号，确定电压采样信号转换出的电压值为Vb；根据Un2/R5*R7＝Vb可得到电压Un2的值，也即是系统地PE与电源负极BUS-之间的电压；进一步地，根据如图1所示的电路以及基尔霍夫电流定理可列出以下公式(2)：

其中，VB为电池系统两端的电压，Un2为系统地PE与电源负极BUS-之间的电压，Rp1为第一等效绝缘电阻，Rn1为第二等效绝缘电阻。

步骤3：保持第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3均处于闭合状态。以下桥臂Rb为固定桥臂，第三采样模块13对电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压采集信号不变，即电池系统两端的电压值VB不变。第一采样模块11对电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压进行采样，单片机接收电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压采样信号，确定电压采样信号转换出的电压值为Va；根据Up1/R1*R3＝Va可得到电压Up1的值，也即是电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压；进一步地，根据如图1所示的电路以及基尔霍夫电流定理可列出以下公式(3)：

其中，VB为电池系统两端的电压，Up1为电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压，Rp2为第一等效绝缘电阻，Rn2为第二等效绝缘电阻。

步骤4：断开第一开关K1，保持第二开关K2、第三开关K3处于闭合状态。第三采样模块13对电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压采集信号不变，即电池系统两端的电压值VB不变。第一采样模块11对电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压进行采样，单片机接收电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压采样信号，确定电压采样信号转换出的电压值为Va；根据Up2/R1*R3＝Va可得到电压Up2的值，也即是电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压；进一步地，根据如图1所示的电路以及基尔霍夫电流定理可列出以下公式(4)：

其中，VB为电池系统两端的电压，Up2为电源正极BUS+与所述系统地PE之间的电压，Rp2为第一等效绝缘电阻，Rn2为第二等效绝缘电阻。

步骤5：分别将公式(1)和公式(2)联立，以及公式(3)和公式(4)联立，组成两组二元一次方程，分别计算出Rp1、Rn1和Rp2、Rn2的值。

步骤6：判断电池系统绝缘性能，若Rp1≈Rp2、Rn1≈Rn2，则说明两组采样数据一致，第一等效绝缘电阻Rp、第二等效绝缘电阻Rn数值差异不大，取两组数据的平均值即可做为电池系统中第一等效绝缘电阻Rp、第二等效绝缘电阻Rn的实际电阻值。

若综合计算结果Rp＜Rn，可以是取Rp1、Rp2的平均值以及Rn1、Rn2的平均值进行比较，则两组采样数据差距比较大，则说明上桥臂分压相对较低，则以上桥臂Ra为固定桥臂计算的数据做为上桥臂第一等效绝缘电阻Rp实际电阻值；下桥臂一般差距不大，可取两次计算结果的平均值来做为下桥臂第二等效绝缘电阻Rn实际电阻值。

同理若综合计算结果Rp＞Rn，则两组采样数据差距比较大，则说明下桥臂分压相对较低，则以下桥臂Rb为固定桥臂计算的数据做为下桥臂第二等效绝缘电阻Rn实际电阻值，上桥臂一般差距不大，可取两次计算结果的平均值来做为上桥臂第一等效绝缘电阻Rp实际电阻值。

根据最终确认的第一等效绝缘电阻Rp、第二等效绝缘电阻Rn与电池系统两端的电压VB对应的电压等级来判断电池系统的绝缘性能。

需要说明的是，本实用新型实施例主要介绍的是电池系统绝缘检测装置的硬件结构，本实用新型所要保护的也是该电池系统绝缘检测装置所具有的结构以及包含的元器件，至于其中的控制逻辑、根据基尔霍夫定理列出的计算公式以及分析判断等方法内容，可以完全采用现有的逻辑。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种电池系统绝缘检测装置，其特征在于，包括：

第一支路，包括串联的第一开关K1与电阻Ra，所述第一支路与第一等效绝缘电阻Rp并联；所述第一支路的第一端与所述电池系统的电源正极连接，第二端与系统地连接；

第二支路，包括串联的第二开关K2与电阻Rb，所述第二支路与第二等效绝缘电阻Rn并联；所述第二支路的第一端与所述电池系统的电源负极连接，第二端与所述系统地连接；

采样模块，用于在所述第一开关K1闭合、所述第二开关K2断开的情况下，采集所述系统地与所述电源负极之间的电压；在所述第一开关K1和所述第二开关K2均闭合的情况下，采集所述电源正极与所述系统地之间的电压以及所述系统地与所述电源负极之间的电压；在所述第一开关K1断开、所述第二开关K2闭合的情况下，采集所述电源正极与所述系统地之间的电压；

所述采样模块，还用于采集所述电池系统两端的电压。

2.根据权利要求1所述的电池系统绝缘检测装置，其特征在于，还包括：

第三开关K3，第一端分别与所述第一支路的第二端、所述第二支路的第二端连接，所述第三开关K3的第二端与所述系统地连接。

3.根据权利要求1或2所述的电池系统绝缘检测装置，其特征在于，所述采样模块包括：

第一采样模块，一个输入端与所述电源正极连接、另一个输入端与所述系统地连接，输出端用于输出所述电源正极与所述系统地之间的电压采样信号；

第二采样模块，一个输入端与所述电源负极连接、另一个输入端与所述系统地连接，输出端与用于输出所述系统地与所述电源负极之间的电压采样信号；

第三采样模块，一个输入端与所述电源正极连接、另一个输入端与所述电源负极连接，输出端用于输出所述电池系统两端的电压采样信号。

4.根据权利要求3所述的电池系统绝缘检测装置，其特征在于，还包括：

单片机，分别与所述第一采样模块、所述第二采样模块、所述第三采样模块的输出端连接，用于分别接收所述第一采样模块、所述第二采样模块、所述第三采样模块输出的所述电压采样信号，并分别将所述电压采样信号转换为电压值。

5.根据权利要求4所述的电池系统绝缘检测装置，其特征在于，所述第一采样模块、所述第二采样模块、所述第三采样模块均采样差分放大电路。

6.根据权利要求5所述的电池系统绝缘检测装置，其特征在于，所述第一采样模块的所述差分放大电路包括：

第一放大器，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第一放大器的输出端为所述第一采样模块的输出端；

第一电阻R1，第一端与所述电源正极连接，第二端与所述正向输入端连接；

第二电阻R2，第一端与所述系统地连接，第二端与所述反向输入端连接；

第三电阻R3，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第四电阻R4，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第一放大器的输出端连接。

7.根据权利要求5所述的电池系统绝缘检测装置，其特征在于，所述第二采样模块的所述差分放大电路包括：

第二放大器，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第二放大器的输出端为所述第二采样模块的输出端；

第五电阻R5，第一端与所述系统地连接，第二端与所述正向输入端连接；

第六电阻R6，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述电源负极连接；

第七电阻R7，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第八电阻R8，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第二放大器的输出端连接。

8.根据权利要求5所述的电池系统绝缘检测装置，其特征在于，所述第三采样模块的所述差分放大电路包括：

第三放大器，包括正向输入端、反向输入端、输出端，所述第三放大器的输出端为所述第三采样模块的输出端；

第九电阻R9，第一端与所述电池系统的电源正极连接，第二端与所述正向输入端连接；

第十电阻R10，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述电源负极连接；

第十一电阻R11，第一端与所述正向输入端连接，第二端接地；

第十二电阻R12，第一端与所述反向输入端连接，第二端与所述第三放大器的输出端连接。

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