CN108614158A - 一种电动汽车绝缘电阻检测控制电路及其检测方法 - Google Patents

一种电动汽车绝缘电阻检测控制电路及其检测方法 Download PDF

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杨小亮
杨存祥
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Abstract

本发明公开了一种电动汽车绝缘电阻检测控制电路及其检测方法，该电路基于平衡电桥，采用光控继电器控制电桥相应桥臂的开通与闭合、采用高精度仪表放大器对微弱电压信号进行放大，同时实现了电压极性的转换。基于上述电路基本特征，设计了四步骤绝缘电阻计算方法。本发明的电动汽车绝缘电阻检测控制电路及其检测方法具有可同时测量正负端绝缘电阻、可在线检测、高精度、高可靠性等优点。

Description

一种电动汽车绝缘电阻检测控制电路及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种绝缘电阻检测控制电路和检测方法，尤其涉及一种电动汽车绝缘电阻检测控制电路及其检测方法。
背景技术
电动汽车以动力电池包作为整车的能量来源，通常电动汽车的动力电池电压都远高于36V，甚至达到几百伏，远远超过了人体安全电压的范围。因此，动力电池包的正极和负极必须与整车保持良好的绝缘状态，才能保证司乘人员的人身安全。
由于电动汽车是一个复杂的机电一体化产品，包含动力电池、驱动电机及其控制器、车载充电机、辅助电池充电装置等高压电器，这些部件的工作条件比较恶劣，振动、酸碱气体的腐蚀、温度及湿度的变化，都有可能造成动力电缆及其他绝缘材料老化甚至绝缘破损，使设备绝缘强度大大降低，进而危及人身安全。国家标准《GB/18384.3—2015电动汽车安全要求第三部分：人员触电防护》规定：绝缘电阻值除以电动汽车直流***标称电压U，结果应大于100Ω/V，才符合安全要求。
因此，对动力电池包的正极、负极与车身地之间的绝缘电阻进行实时检测，是电动汽车的基本安全要求之一。
现有绝缘检测技术可分为“平衡电桥法”和“信号注入法”两大类。平衡电桥法测量绝缘电阻的基本原理如下：基于电桥电路原理，通过控制动力电池包正、负极两边继电器的开通与关断，得到几种不同组合状态来测量***的绝缘阻值。尽管该方法具有测量简单的优点，但是存在如下不足：(1)使用机械开关继电器开断灵敏度低，同时存在机械磨损，可靠性低；(2)采用多个运算放大器，电路的一致性差，精度较低。
信号注入法测量绝缘电阻基本原理如下：在直流母线与车体之间注入一定频率的电压信号，通过测量反馈的信号来计算绝缘阻值。该方法能够检测出正、负端绝缘电阻同时下降的情况，且可靠性较高，但是注入信号会造成直流***纹波增大，影响供电质量，进而影响采样精度。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种低误差、高可靠性、可在线测量的电动汽车绝缘电阻检测控制电路及其检测方法。
一方面，本发明提供一种电动汽车绝缘电阻检测控制电路，其由待测直流***、检测电路、采样电路和单片机及AD转换电路四部分组成。
所述待测直流***由动力电池、正端绝缘电阻和负端绝缘绝缘电阻组成，所述正端绝缘电阻定义为动力电池包正极母线与车身地之间的电阻值；所述负端绝缘电阻定义为动力电池包负极母线与车身地之间的电阻值。
所述检测电路上桥臂由两个检测电阻R1、R2和光控继电器组成，R1的一端接动力电池正极，另一端接光控继电器K1。K1的另一端接R2，R2的另一端接车身地。检测电路下桥臂由两个检测电阻R3、R4和光控继电器组成，R3的一端接车身地，另一端接光控继电器K1。K1的另一端接R4，R4的另一端接动力电池包负极。电阻R2和R3阻值相同，R1和R4阻值相同。
所述采样电路由钳位二极管D1、D2，双向TVS二极管D3、D4，电阻R5、R6，滤波电容C1、C2、C3、C4，高精度运放芯片INA2126组成，D1一端连接到K1与R2之间的采样信号线和电阻R5一端，另一端连接车身地，双向二极管D3、D4，D3一端连接在电阻R5另一端和双仪表放大器第2管脚，另一端连接到车身地，D4一端连接到车身地，另一端连接到电阻R6另一端和仪表放大器第16管脚。电阻R7、R8分别连接在仪表放大器的3、4管脚与13、14管脚之间，用来调节运放电路放大倍数。双仪表放大器的输出信号经过电阻R7、R8送至单片机的AD采样通道。
所述单片机及AD采样电路由单片机及其内置的12位多通道AD采样电路构成。
另一方面，本发明还提供一种电动汽车绝缘电阻检测方法，所述的电动汽车绝缘电阻检测方法包括以下四个步骤：动力电池包总电压测量步骤、上桥臂电压采集步骤、下桥臂电压采集步骤以及绝缘电阻计算步骤。
有益效果：
一、实际测量误差在5％以内：采用INA2126高精度双仪表放大器，具有较低的失调电压(最大值为250μV)，低电压漂移(最大值为3μV/℃)以及出色的共模抑制；正负桥臂电压信号采用一颗集成电路进行放大，保证了较好的温度一致性和电路参数一致性；采用AQV258光控继电器，其具有极低的导通电阻，减小了继电器压降对测量结果的影响。
二、高可靠性：采用D1、D2双二极管钳位电路，当V+电压低于-0.7V时，二极管D1导通；当V-电压高于0.7V时，二极管D2导通；进而保证了模拟采样信号1和2的电压均高于-0.7V，避免了AD采样电路的损坏；D3、D4采用PESD5V0S1双向TVS二极管，是信号处理电路免受静电放电(ESD)和浪涌脉冲的损害；所采用的AQV258光控继电器，无机械触电，具有免维护、高速动作、寿命长等优点，且动作电流低、泄漏电流小，既保证了***的测量精度，同时也增加了***的使用寿命。
三、在线测量：所发明的控制方法，步骤清晰，过程简单，计算量小，采用单片机即可完成对绝缘电阻的实时计算。
附图说明
图1是电动汽车绝缘电阻检测控制电路原理图；
图2是电动汽车绝缘电阻检测方法流程图；
图3是不平衡电桥检测电路等效电路图；
图4是K1、K2同时闭合时的等效电路；
图5是K1闭合K2断开时的等效电路图；
图6是K2闭合K1断开时的等效电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供一种电动汽车绝缘电阻检测控制电路，其由待测直流***、检测电路、采样电路和单片机及AD转换电路四部分组成。
所述待测直流***由动力电池、正端绝缘电阻和负端绝缘绝缘电阻组成，所述正端绝缘电阻定义为动力电池包正极母线与车身地之间的电阻值，如图1中R+所示；所述负端绝缘电阻定义为动力电池包负极母线与车身地之间的电阻值，如图1中R-所示。
所述检测电路上桥臂由两个检测电阻R1、R2和光控继电器组成，R1的一端接动力电池正极，另一端接光控继电器K1。K1的另一端接R2，R2的另一端接车身地。检测电路下桥臂由两个检测电阻R3、R4和光控继电器组成，R3的一端接车身地，另一端接光控继电器K1。K1的另一端接R4，R4的另一端接动力电池包负极。电阻R2和R3阻值相同，R1和R4阻值相同。
所述采样电路由钳位二极管D1、D2，双向TVS二极管D3、D4，电阻R5、R6，滤波电容C1、C2、C3、C4，高精度运放芯片INA2126组成，D1一端连接到K1与R2之间的采样信号线和电阻R5一端，另一端连接车身地，双向二极管D3、D4，D3一端连接在电阻R5另一端和双仪表放大器第2管脚，另一端连接到车身地，D4一端连接到车身地，另一端连接到电阻R6另一端和仪表放大器第16管脚。电阻R7、R8分别连接在仪表放大器的3、4管脚与13、14管脚之间，用来调节运放电路放大倍数。双仪表放大器的输出信号经过电阻R7、R8送至单片机的AD采样通道。
所述单片机及AD采样电路由单片机及其内置的12位多通道AD采样电路构成。
如图2所示，本发明还提供一种电动汽车绝缘电阻检测方法，所述的电动汽车绝缘电阻检测方法包括以下四个步骤：动力电池包总电压测量步骤、上桥臂电压采集步骤、下桥臂电压采集步骤以及绝缘电阻计算步骤。
如图3所示，为绝缘电阻检测电桥电路的等效电路图，具体是：R+为动力电池正极绝缘电阻，R-为动力电池负极绝缘电阻；P为车身接地点；电阻R1、光控继电器K1、电阻R2、电阻R3、光控继电器K2、电阻R4依次串联，且电阻R1的另一端连接动力电池包正极，电阻R4的一端连接动力电池包负极，电阻R2和电阻R3的连接端接车身地；电阻R2和电阻R4的另一端相对于P点的电压分别为V+和V-。
具体测量步骤如下：
①测量动力电池包总电压
测量动力电池包总压选取动力电池包负极为参考零电位点，同时闭合继电器K1与K2，其等效电路如图4所示。
如图4所示，i1、i2为流经上桥臂与下桥臂的电流，动力电池包两端的总电压即为VB+点与P点之间电压和P点与VB-点之间电压之和。
②测量上桥臂采样点电压信号
单片机控制信号CON1置高，CON2置低，此时光控继电器K1闭合，K2断开，选取P为参考零电位点，测量上桥臂监测点电压信号V+，等效电路如图5所示。
正端负端参考电流方向如图5所示，通过检测电路检测到电阻R1和R2之间的电压为V+，即可得出流过R1、R2的电流
动力电池包正端与参考点P之间的电压
于是可得出流过正端绝缘电阻R+上的电流i4，动力电池包正端电流i1＝i3+i4,
负极参考电流方向如图5所示，因此VB++VB-＝V总，由电路定理得i1+i2＝0,得到等式
其中，VB+为动力电池包正端与参考点P之间的电压，VB-动力电池包负端与参考点P之间的电压。
③测量下桥臂采样点电压信号
通过单片机使控制信号CON1置低，CON2置高，此时继电器K1断开，K2闭合时，等效电路图如图6所示。
由于电路发生变化，参考零电位的实际电压发生改变，所以正负极相对于参考零电位的电压、电流均发生变化，与上述步骤同理得到如下公式。
④绝缘电阻阻值计算
通过上述步骤测得采样点电压V+与V-，根据电压的不同又分为如下四种情况。
情况一：
V+与V-都等于零时，正端绝缘电阻R+与负端绝缘电阻R-阻值都等于无穷大。
情况二：
V+为零、V-不为零时，此时负端绝缘电阻R-阻值等于无穷大，断开继电器K1，闭合继电器K2，等效电路如图6所示。
流经正端绝缘电阻R+上的电流i1＝i4，得到如下公式
情况三：
V+不为零、V-为零时，此时负端绝缘电阻R+阻值等于无穷大，闭合继电器K1，断开继电器K2，等效电路如图4所示。
流经正端绝缘电阻R-上的电流i2＝i4，得到如下公式
情况四：
V+与V-都不等于零时，此时绝缘电阻的计算过程如下：
(5)式相减(6)式得
以下通过实验数据对本发明进行说明。
基于所发明的如图1所示的电动汽车绝缘电阻检测电路，实验中电池采用标称值3.6V，2.6Ah的三元锂电池18650，45节电池并联为一组，共90组串联组成动力电池包，电池包标称电压330V，容量为117Ah。
桥臂采样电阻采用R1和R4阻值取1880kΩ，R2和R3阻值取4.7kΩ，均为精度1％的精密MELF电阻；K1和K2取耐压值为1500V的AQV258型光控继电器；钳位二极管D1和D2型号为CD4148、双向TVS二极管D3和D4型号为PESD5V0S1；电容C1、C2、C3和C4容量为0.01μF；电阻R5、R6、R7和R8阻值均为100Ω；选取最大失调电压值为250μV、最大电压漂移值为3μV/℃的INA2126型双仪表放大器；单片机型号为MC9S12XEP100。
实验采用不同阻值的电阻模拟不同情况下的绝缘电阻状况，使用所发明的绝缘电阻检测电路及控制方法对其进行实时测量，测量结果通过CAN总线发送至上位机显示界面，并将结果与FLUKE 1587C型号绝缘电阻测量仪所测得结果进行对比，结果如表1所示。
表1测量结果
在测试车辆运行时进行绝缘检测，检测周期为3S一次，通过主控制器控制光控继电器K1、K2的开通与关断，完成对上下桥臂采样点电压的采集，根据所发明的绝缘电阻检测控制方法对其绝缘电阻阻值进行计算。
根据电动汽车的CAN通讯总线要求，电动汽车的主控制器与电池管理***(BMS)之间进行通讯，主控制器对测量结果进行实时判断并将处理后的数据信息通过CAN总线发送到仪表盘上进行实时显示。当绝缘电阻阻值低于报警的安全阈值(100Ω/V)时，***执行一级报警，将仪表盘LED指示灯点亮，使得驾驶员得知故障，进行处理以保证安全。检测结果表明测量误差在5％以内，符合国标要求。

Claims (7)

1.一种电动汽车绝缘电阻检测控制电路，其特征在于，包括待测直流***、检测电路、采样电路和单片机及AD转换电路；
所述待测直流***由动力电池包、正端绝缘电阻和负端绝缘电阻组成，所述正端绝缘电阻定义为所述动力电池包正极母线与车身地之间的电阻值，所述负端绝缘电阻定义为所述动力电池包负极母线与车身地之间的电阻值；
所述检测电路包括检测电路上桥臂和检测电路下桥臂；所述检测电路上桥臂由两个检测电阻R1、R2和光控继电器K1组成，检测电阻R1的一端接所述动力电池包正极，另一端所述接光控继电器K1，K1的另一端接检测电阻R2，检测电阻R2的另一端接车身地；所述检测电路下桥臂由两个检测电阻R3、R4和光控继电器K2组成，检测电阻R3的一端接车身地，另一端接光控继电器K2，光控继电器K2的另一端接检测电阻R4，检测电阻R4的另一端接动力电池包负极；检测电阻R2和R3阻值相同，检测电阻R1和R4阻值相同；
所述采样电路由钳位二极管D1、D2，双向TVS二极管D3、D4，电阻R5、R6，滤波电容C1、C2、C3、C4，高精度双仪表放大器芯片INA2126UA组成，钳位二极管D1一端连接到光控继电器K1与检测电阻R2之间的采样信号线和电阻R5一端，另一端连接车身地，双向TVS二极管D3一端连接在电阻R5的另一端、电容C1一端和双仪表放大器第2管脚，另一端连接到车身地，双向TVS二极管D4一端连接到车身地，另一端连接到电阻R6的另一端、电容C2一端和双仪表放大器第16管脚；电阻R7、R8分别连接在仪表放大器的3、4管脚与13、14管脚之间，用来调节运放电路放大倍数；双仪表放大器的输出信号经过电阻R7、R8送至单片机的AD采样通道；
所述单片机及AD采样电路由单片机及其内置的12位多通道AD采样电路构成。
2.一种电动汽车绝缘电阻检测方法，所述的电动汽车绝缘电阻检测方法包括以下四个步骤：动力电池包总电压测量步骤、上桥臂电压采集步骤、下桥臂电压采集步骤以及绝缘电阻计算步骤。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车绝缘电阻检测方法，其特征在于，绝缘电阻检测电桥电路的等效电路图为：R+为动力电池正极绝缘电阻，R-为动力电池负极绝缘电阻；P为车身接地点；电阻R1、光控继电器K1、电阻R2、电阻R3、光控继电器K2、电阻R4依次串联，且电阻R1的另一端连接动力电池包正极，电阻R4的一端连接动力电池包负极，电阻R2和电阻R3的连接端接车身地；电阻R2和电阻R4的另一端相对于P点的电压分别为V+和V-。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车绝缘电阻检测方法，其特征在于，所述动力电池包总电压测量步骤中，测量动力电池包总压选取动力电池包负极为参考零电位点，同时闭合继电器K1与K2，动力电池包总电压V总为：
其中，i1、i2为流经上桥臂与下桥臂的电流。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车绝缘电阻检测方法，其特征在于，所述上桥臂电压采集步骤中，
单片机控制信号CON1置高，CON2置低，光控继电器K1闭合，K2断开，选取P为参考零电位点，测量上桥臂监测点电压信号V+；
通过检测电路检测到电阻R1和R2之间的电压为V+，即可得出流过R1、R2的电流
动力电池包正端与参考点P之间的电压
于是可得出流过正端绝缘电阻R+上的电流i3，动力电池包正端电流i1＝i3+i4,
因此VB++VB-＝V总，由电路定理得i1+i2＝0，得到等式
其中，VB+为动力电池包正端与参考点P之间的电压，VB-动力电池包负端与参考点P之间的电压。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车绝缘电阻检测方法，其特征在于，所述下桥臂电压采集步骤中，
通过单片机使控制信号CON1置低，CON2置高，继电器K1断开，K2闭合时；
由于电路发生变化，参考零电位的实际电压发生改变，所以正负极相对于参考零电位的电压、电流均发生变化，得到如下公式：
7.根据权利要求6所述的一种电动汽车绝缘电阻检测方法，其特征在于，所述绝缘电阻计算步骤中，通过上述步骤测得采样点电压V+与V-，根据电压的不同分为如下四种情况：
当V+与V-都等于零时，正端绝缘电阻R+与负端绝缘电阻R-阻值都等于无穷大；
当V+为零、V-不为零时，此时负端绝缘电阻R-阻值等于无穷大，断开继电器K1，闭合继电器K2，流经正端绝缘电阻R+上的电流i1＝i4，得到如下公式
当V+不为于零、V-为零时，此时负端绝缘电阻R+阻值等于无穷大，闭合继电器K1，断开继电器K2，流经负端绝缘电阻R-上的电流i2＝i4，得到如下公式
当V+与V-都不等于零时，此时绝缘电阻的计算过程如下：(5)式相减(6)式得
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