CN101655523A - 一种动力电池组对地绝缘电阻检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动力电池组对地绝缘电阻检测电路，属于动力电池组应用技术领域。本电路由电压传感器、光耦MOS管、单片机，以及电阻、电源组成；其中，电阻R11与电压传感器N1的1端相连，N1的3端接电源－VCC、N1的5端接电源VCC、N1的4端通过电阻R12与单片机地相连；电阻R21与电压传感器N2的1端相连，N2的2端与光耦MOS管N4的8端相连，N2的3端接电源－VCC、N2的5端接电源VCC、N2的4端通过电阻R22与单片机地相连；N4的6、7端同时与环境地G点相连，N4的5端通过电阻R31与电压传感器N3的1端相连，N3的2端与待测动力电池组负极母线B点相连，N3的3端接电源－VCC、N3的5端接电源VCC、N3的4端通过电阻R32与电路地相连；N4的1、3端相连，同时通过电阻R41接到电源VCC，N4的2端和4端分别接到单片机的数字输出口P0.1和P0.2。本电路具有结构简单，检测精度高等特点。

Description

一种动力电池组对地绝缘电阻检测电路

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，特别涉及一种动力电池组对地绝缘电阻检测电路。

背景技术

在全球石油资源日趋紧张、人类环保意识日益增强的今天，动力电池组在电动汽车、风能发电等技术领域得到了广泛应用。在电动汽车领域，动力电池的工作电压一般在直流300V以上，采用较高的电压规范，减小了电气设备的工作电流、降低了电气设备和整车的重量；在风力发电领域，动力电池组的工作电压更达到1200V左右。较高的工作电压对动力电池组与环境地之间的绝缘性能提出了更高的要求。高压电缆线绝缘介质老化或受潮湿环境影响等因素都会导致高电压电路和环境地之间的绝缘性能下降，电源正负极引线将通过绝缘层和环境地构成漏电流回路，使环境地电位上升，不仅会危及周围人员的人身安全；而且，当高电压电路和环境地之间发生多点绝缘性能严重下降时，还会导致漏电回路的热积累效应，可能造成电气火灾。因此，实时、定量地检测动力电池组相对环境地的电气绝缘性能具有重要的意义。

对于封闭回路的高压直流电气***，其绝缘性能通常用电气***中电源对地漏电流的大小来表征，现在普遍使用两种漏电流检测的方法：辅助电源法和电流传感法。在中国某些电力机车采用的漏电检测器中，使用一个直流110V的检测用辅助蓄电池，蓄电池正极与待测高压直流电源的负极相连，蓄电池负极与机车机壳实现一点连接。在待测***绝缘性能良好的情况下，蓄电源没有电流回路，漏电流为零；在电源电缆绝缘层老化或环境潮湿等情况下，蓄电池通过电缆线绝缘层形成闭合回路、产生漏电流，检测器根据漏电流的大小进行报警，并关断待测***的电源。这种漏电检测器不仅需要直流110V的辅助电源，增加了***结构的复杂程度；而且，这种检测方法难以区分绝缘故障源是来自电源的正极引线电缆还是负极引线电缆。采用霍尔式电流传感器是对高压直流***进行漏电检测的另一种方法，将待测***中电源的正极和负极一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从电源正极流出的电流等于返回到电源负极的电流，因此，穿过电流传感器的总电流为零，电流传感器输出电压为零；当发生漏电现象时，电流传感器输出电压不为零。根据该电压的正负可以进一步判断产生漏电流的来源是来自电源正极引线电缆还是电源负极引线电缆，但是，应用这种检测方法的前提是待测电源必须处于工作状态，要有工作电流的流出和流入，它无法在电源空载状态下评价电源的对地绝缘性能。此外，还有专利应用高压电源正极母线和负极母线分别对环境地分压的方式来判断绝缘程度，但是，它无法检测正极母线和负极母线对地绝缘电阻同步下降的情况。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种动力电池组对地绝缘电阻检测电路，该检测电路直接计算动力电池组对环境地的绝缘电阻，以确定待测***的绝缘性能；且具有电路结构简单，检测回路与高压电路实现隔离。检测精度高等特点。

本发明的动力电池组对地绝缘电阻检测电路由第一电压传感器N1、第二电压传感器N2、第三电压传感器N3、光耦MOS管N4、单片机N5，以及第一电阻R11、第二电阻R12、第三电阻R21、第四电阻R22、第五电阻R31、第六电阻R32、第七电阻R41、电源组成；其中，待测动力电池组正极母线A点通过电阻R11与第一电压传感器N1的1端相连，第一电压传感器N1的2端与待测动力电池组负极母线B点相连，第一电压传感器N1的3端接电源-VCC、第一电压传感器5端接电源VCC、第一电压传感器4端通过电阻R12与单片机地相连；待测动力电池组正极母线A点通过电阻R21与第二电压传感器N2的1端相连，第二电压传感器N2的2端与光耦MOS管N4的8端相连，第二电压传感器N2的3端接电源-VCC、第二电压传感器N2的5端接电源VCC、电压传感器N2的4端通过电阻R22与单片机地相连。光耦MOS管N4的6、7端同时与环境地G点相连，光耦MOS管N4的5端通过电阻R31与第三电压传感器N3的1端相连，第三电压传感器N3的2端与待测动力电池组负极母线B点相连，第三电压传感器N3的3端接电源-VCC、第三电压传感器N3的5端接电源VCC、第三电压传感器4端通过电阻R32与控制电路地相连；光耦MOS管N4的1、3端相连，同时通过电阻R41接到电源VCC，光耦MOS管N4的2端和4端分别接到单片机的数字输出口P0.1和P0.2。

本发明的特点及效果：本发明基于在直流电源***中，定量描述一种介质绝缘性能和导电性能的物理量是电阻。导体的电阻小、绝缘体的电阻大，绝缘体电阻的大小表征了介质的绝缘性能，电阻越大，绝缘性能越好，反之亦然，称该电阻为绝缘电阻。本发明通过设计变阻抗桥式电路、检测流过绝缘电阻的微小电流，直接计算出绝缘电阻。本发明适用于电动汽车或风力发电等应用高压直流电源的场合。

该电路结构简单，检测回路和高压电路之间实现隔离。绝缘电阻的检测算法简单、精度高。

附图说明

图1为本发明的用于动力电池组对地绝缘电阻检测电路原理图。

图2为本发明的用于动力电池组负极母线对环境地绝缘电阻R-的检测电路原理图。

图3为本发明的用于动力电池组正极母线对环境地绝缘电阻R+的检测电路原理图。

具体实施方式

参照附图，将进一步叙述本发明的具体内容及实施例。

本发明提出的动力电池组对地绝缘电阻检测电路如图1所示，由电压传感器N1、N2、N3、光耦MOS管N4、单片机N5、以及电阻R11、R12、R21、R22、R31、R32、R41组成；其中，待测动力电池组正极母线A点通过电阻R11与电压传感器N1的1端相连，电压传感器N1的2端与待测动力电池组负极母线B点相连，电压传感器N1的3端接电源-VCC、5端接电源VCC、4端通过电阻R12与单片机地相连；待测动力电池组正极母线A点通过电阻R21与电压传感器N2的1端相连，电压传感器N2的2端与光耦MOS管N4的8端相连，电压传感器N2的3端接电源-VCC、电压传感器N2的5端接电源VCC、电压传感器N2的4端通过电阻R22与单片机地相连。光耦MOS管N4的6、7端同时与环境地G点相连，光耦MOS管N4的5端通过电阻R31与电压传感器N3的1端相连，电压传感器N3的2端与待测动力电池组负极母线B点相连，N3的3端接电源-VCC、5端接电源VCC、4端通过电阻R32与单片机地相连；光耦MOS管N4的1、3端相连，同时通过电阻R41接到电源VCC，N4的2端和4端分别接到单片机的数字输出口P0.1和P0.2；待测动力电池组正极母线A点对环境地绝缘电阻R+、待测动力电池组负极母线B点对环境地绝缘电阻R-构成了桥式阻抗电路。

本发明的工作原理为：

待测动力电池组正极母线A点通过电阻R11与电压传感器N1的1端相连，N1的2端与待测动力电池组负极母线B点相连，N1的3端接电源-VCC、5端接电源VCC、4端通过电阻R12与单片机地相连。通过检测电阻R12上的电压，得到待测动力电池组总电压U0。

当单片机P0.1输出低电平信号时，Vcc通过R41、光耦MOS管N4的1、2端到P0.1形成电流回路，N4的7、8端导通，电压U0从A点通过R21、N2的1端、N2的2端、N4的7、8端、经过环境地G点、绝缘电阻R-_到B点形成电流回路，根据该电流回路可以计算出绝缘电阻R-_。当单片机P0.2输出低电平信号时，Vcc通过R41、N4的3、4端到P0.2形成电流回路，N4的5、6端导通，电压U0从A点通过绝缘电阻R+、环境地G点、N4的5、6端、R31、N3的1端、N3的2端到B点形成电流回路，根据该电流回路可以计算出绝缘电阻R+。具体计算如下：

当A、B端施加高电压U0时，A点通过R11、N1的1端、电压传感器N1的2端到B点产生电流I11：

$I_{11}=\frac{U_0}{R_{11}}---\left(1\right)$

由电压传感器N1的作用，在N1的4端产生电流I12通过电阻R12流到单片机的地，电流I11和I12满足：

            I₁₂＝k·I₁₁                    (2)

其中，k为比例系数，由电压传感器N1的型号决定。

电阻R12两端的电压U12通过单片机采样得到，其数值为：

            U₁₂＝R₁₂·I₁₂                  (3)

由公式(1)——(3)，得到：

$U_0=\frac{R_{11}}{k\·R_{12}}\·U_{12}---\left(4\right)$

当单片机输出P0.1为低电平、P0.2为高电平为高电平时，绝缘电阻R+、R-和本电路的等效连接如图2所示。电压U0从A点通过R21、N2的1端、N2的2端经过环境地G点、绝缘电阻R_到B点产生电流I21：

$I_{21}=\frac{U_0}{R_{21}+R\_}---\left(5\right)$

由电压传感器N2的作用，在N2的4端产生电流I22通过电阻R22流到单片机的地，电流I21和I22满足：

            I₂₂＝k·I₂₁                   (6)

其中，k为比例系数，由电压传感器的型号决定。

电阻R22两端的电压U22通过单片机采样得到，其数值为：

            U₂₂＝R₂₂·I₂₂                 (7)

由公式(4)——(7)，得到：

$R\_=\frac{U_{12}}{U_{22}}\·\frac{R_{11}}{R_{12}}\·R_{22}-R_{21}---\left(8\right)$

通过单片机采集电压U12和U22，根据公式(8)可以计算得到电压R_。

当单片机输出P0.1为高电平、P0.2为低电平为高电平时，绝缘电阻R+、R-和本电路的等效连接如图3所示。电压U0从A点通过绝缘电阻R+、环境地G点、R31、N3的1端、N3的2端到B点产生电流I31：

$I_{31}=\frac{U_0}{R_{31}+R_{+}}---\left(9\right)$

由电压传感器N3的作用，在N3的4端产生电流I32通过电阻R32流到单片机的地，电流I31和I32满足：

                I₃₂＝k·I₃₁                    (10)

其中，k为比例系数，由电压传感器的型号决定。

电阻R32两端的电压U32通过单片机采样得到，其数值为：

                U₃₂＝R₃₂·I₃₂                  (11)

由公式(4)、(9)——(11)，得到：

$R_{+}=\frac{U_{12}}{U_{32}}\·\frac{R_{11}}{R_{12}}\·R_{32}-R_{31}---\left(12\right)$

通过单片机采集电压U12和U32，根据公式(12)可以计算得到电压R+。

该电路的实施例分别说明如下：

电压传感器N1、N2和N3采用北京森社电子有限公司的CHV-25P型隔离式磁补偿霍尔传感器，其1、2端接高压测量回路，额定工作电流为10mA，电流变比看k＝2.5。5端接电源Vcc，3端接电源-Vcc，4端为测量输出端。N1、N2和N3的1、2端输入电压可达4000V。假设高压U0＝500V，取电阻R11＝50kΩ，I11＝10mA，I12＝25mA，取电阻R12＝160Ω，计算得到U12＝4V，能够满足单片机输入的要求。同理，分别取电阻R21和R31为50kΩ，电阻R22和R32为160Ω。

光耦MOS管采用日本松下公司生产的AQW258，当1、2端流过电流时，7、8端导通；当3、4端流过电流时，5、6端导通。其5、6端，7、8端之间最大电压可达1500V，最大电流为0.16A。

单片机采用Infenion公司的16位单片机XC164CS-32F；单片机的控制电路为常规电路。

Claims (4)

1、一种动力电池组对地绝缘电阻检测电路，其特征在于，由第一电压传感器(N1)、第二电压传感器(N2)、第三电压传感器(N3)、光耦MOS管(N4)、单片机(N5)，以及第一电阻(R11)、第二电阻(R12)、第三电阻(R21)、第四电阻(R22)、第五电阻(R31)、第六电阻(R32)、第七电阻(R41)、电源组成；其中，待测动力电池组正极母线A点通过电阻R11与第一电压传感器(N1)的1端相连，第一电压传感器(N1)的2端与待测动力电池组负极母线B点相连，第一电压传感器(N1)的3端接电源-VCC、第一电压传感器(N1)5端接电源VCC、第一电压传感器(N1)4端通过第二电阻(R12)与单片机地相连；待测动力电池组正极母线A点通过第三电阻(R21)与第二电压传感器(N2)的1端相连，第二电压传感器(N2)的2端与光耦MOS管(N4)的8端相连，第二电压传感器(N2)的3端接电源-VCC、第二电压传感器(N2)的5端接电源VCC、第二电压传感器(N2)的4端通过第四电阻(R22)与单片机地相连；光耦MOS管(N4)的6、7端同时与环境地G点相连，光耦MOS管(N4)的5端通过第五电阻R31与第三电压传感器(N3)的1端相连，第三电压传感器(N3)的2端与待测动力电池组负极母线B点相连，第三电压传感器(N3)的3端接电源-VCC、第三电压传感器(N3)的5端接电源VCC、第三电压传感器4端通过第六电阻(R32)与控制电路地相连；光耦MOS管(N4)的1、3端相连，同时通过第七电阻(R41)接到电源VCC，光耦MOS管(N4)的2端和4端分别接到单片机的数字输出口P0.1和P0.2。

2、根据权利要求1所述电路，其特征在于，所述电路中，A点对环境地绝缘电阻R+、B点对环境地绝缘电阻R-构成了桥式阻抗电路。

3、根据权利要求1或2所述电路，其特征在于，所述第一、第二、第三电压传感器采用隔离式磁补偿霍尔传感器，该三个电压传感器的1、2端输入最大电压为4000V。

4、根据权利要求1或2所述的动力电池组对地绝缘电阻检测电路，其特征在于，光耦MOS管采用AQW258，其5、6端，7、8端之间最大电压为1500V。

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