CN109991475B - 基于kf观测器的桥式绝缘检测电路及方法 - Google Patents

基于kf观测器的桥式绝缘检测电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于KF观测器的桥式绝缘检测电路及方法，包括开关选通电路、分压电阻和微处理器，通过控制开关选通器件，根据采样电压计算动力电池***的正极绝缘电阻和负极绝缘电阻。本发明采用KF观测器消除采样扰动，实现绝缘电阻的准确计算；电路简单且容易实现，具有很高的普适性。

Description

基于KF观测器的桥式绝缘检测电路及方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车动力电池***能源管理技术领域，具体涉及一种基于KF观测器的桥式绝缘检测电路及方法。
背景技术
随着新能源汽车的不断普及和推广，电池动车的使用安全越来越受到人们的广泛关注。由于动力电池***的工作电压大多在300V以上，这就要求电池管理***能够准确的预测电池绝缘状态，并能够实时预警，防止触电现象的发生。目前，主流的绝缘采集方案主要包括小信号注入法和桥式分压法，都存在检测精度较低的情况。
发明内容
为了能够准确估计动力***的绝缘状态，本发明提供一种基于KF观测器的桥式绝缘检测电路及方法，采用如下技术方案：
一种基于KF观测器的桥式绝缘检测电路，包括：
分压电路，该分压电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；
开关选通电路，该开关选通电路包括开关K1、开关K2和开关K3；
以及微处理器，该微处理器用于采集待测***的总压和电阻R5上的电压；
所述电阻R1的第一端与所述电阻R2的第一端及待测***的正极绝缘电阻相连，电阻R1的第二端经开关K1与电阻R2的第二端及电阻R4的第一端相连；
所述电阻R4的第一端经开关K2与所述电阻R4的第一端相连，所述电阻的第二端经电阻R5与电阻R3的第二端及待测***的负极绝缘电阻相连；
所述电阻R2与电阻R4的连接点与待测***的外壳体相连。
优选地，所述电阻R4与电阻R5的连接点与所述微处理器的采集端相连。
优选地，所述待测***为动力电池***。
一种采用上述桥式绝缘检测电路的检测方法，包括：
打开开关K1和开关K2，闭合开关K3，通过微处理器采集待测***的正极绝缘电阻与负极绝缘电阻之间的电势差U2，以及电阻R5上的压降U1；
打开开关K3，闭合开关K1或开关K2，通过微处理器采集待测***的正极绝缘电阻与负极绝缘电阻之间的电势差U4，以及电阻R5上的压降U3；
采集电压U1、U2、U3和U4的状态，建立方差矩阵方程，公式如下：
Figure BDA0002007638970000021
其中，
Figure BDA0002007638970000022
为电压观测矩阵，P1,k＝0为电压协方差矩阵，P1为U1方差，P2为U2方差，P3为U3方差，P4为U4方差，K为当前观测时间。
采集电压状态更新与方差矩阵更新,公式如下：
Figure BDA0002007638970000023
其中Qk为***观测器噪声；
计算Kalman增益与电压状态更新，公式如下：
Figure BDA0002007638970000024
其中Rk表示测量方差，y＝[U1 U2 U3 U4]；
方差更新，公式如下：
Figure BDA0002007638970000025
计算绝缘电阻：
Figure BDA0002007638970000026
由以上技术方案可知，本发明通过控制开关选通器件，根据采样电压计算动力电池***的正极绝缘电阻和负极绝缘电阻，为了消除电压采集过程中的扰动对绝缘电阻计算的干扰，采用KF观测器消除采样扰动，实现绝缘电阻的准确计算；电路简单且容易实现，具有很高的普适性。
附图说明
图1为本发明桥式绝缘检测电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
如图1所示，所述桥式绝缘检测电路包括开关选通电路、分压电阻和微处理器。
所述分压电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述开关选通电路包括开关K1、开关K2和开关K3，所述微处理器用于采集待测***的总压和电阻R5上的电压。
本实施例中，所述待测***为动力电池***，本发明根据采样电压计算动力电池***的正极绝缘电阻和负极绝缘电阻。
所述电阻R1与开关K1串联后与电阻R2并联，电阻R3与开关K2串联后与R4和R5串联的电路并联，R2与R4串联后连接到动力电池***正极和负极，R2与R4中间连接点通过开关K3连接到动力电池***外壳体，动力电池***的总压和电阻R5上的电压通过微处理器(MCU)的AD口采集获得。
当需要采集电池***绝缘状态时，只需闭合相应的开关即可得到***的绝缘电阻。为了避免动力电池***在运行过程中受到外界环境的干扰，造成MCU的电压采集波动，采用卡尔曼滤波观测器(KF)观测器对采样电压进行观测器，KF是一种高效率的递归滤波器(自回归滤波器),它能够从一系列的不完全包含噪声的测量中，估计动态***的状态。
本发明还提供一种桥式绝缘检测电路的绝缘检测方法，包括如下步骤：
S1、打开开关K1和开关K2，闭合开关K3，通过微处理器采集待测***的正极绝缘电阻R+与负极绝缘电阻R-之间的电势差U2，以及电阻R5上的压降U1；
S2、打开开关K3，闭合开关K1或开关K2，通过微处理器采集待测***的正极绝缘电阻R+与负极绝缘电阻R-之间的电势差U4，以及电阻R5上的压降U3；
S3、采集电压U1、U2、U3和U4的状态，建立方差矩阵方程，公式如下：
Figure BDA0002007638970000031
其中，
Figure BDA0002007638970000032
为电压观测矩阵，P1,k＝0为电压协方差矩阵，P1为U1方差，P2为U2方差，P3为U3方差，P4为U4方差，K为当前观测时间。
S4、采集电压状态更新与方差矩阵更新,公式如下：
Figure BDA0002007638970000041
其中Qk为***观测器噪声；
S5、计算Kalman增益与电压状态更新，公式如下：
Figure BDA0002007638970000042
其中Rk表示测量方差，y＝[U1 U2 U3 U4]；
S6、方差更新，公式如下：
Figure BDA0002007638970000043
S7、计算绝缘电阻：
Figure BDA0002007638970000044
在S1中，闭合开关K3，使得动力电池***正极绝缘电阻R+与电阻R2并联，负极绝缘电阻与R4和R5的串联电路并联，并通过MCU采集动力电池***总正与总负之间的电势差U2和在电阻R5上的压降U1。采集该状态下U2和U1，通过判断U1与U2值的大小判断电路当前是否存在绝缘问题，并用于后续计算绝缘电阻。
闭合开关K1或K2(本实施例以闭合K2为例)，通过MCU采集动力电池***总正与总负之间的电势差U4和在电阻R5上的压降为U3。采集此状态下U3和U4，比较U3和U4用于确定正负极出现绝缘的位置，并用于后续计算绝缘阻值的大小。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种桥式绝缘检测电路的检测方法，其特征在于，所述桥式绝缘检测电路，包括：
分压电路，该分压电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；
开关选通电路，该开关选通电路包括开关K1、开关K2和开关K3；
以及微处理器，该微处理器用于采集待测***的总压和电阻R5上的电压；
所述电阻R1的第一端与所述电阻R2的第一端及待测***的正极绝缘电阻相连，电阻R1的第二端经开关K1与电阻R2的第二端及电阻R4的第一端相连；
所述电阻R3第一端经开关K2与所述电阻R4的第一端及开关K3的一端相连，开关K3的另一端与待测***的负极绝缘电阻第一端相连，电阻R3的第二端经电阻R5与电阻R4的第二端及待测负极绝缘电阻第二端相连，电阻R4的第二端与电阻R5的第一端相连接；
所述电阻R2与电阻R4的连接点与待测***的外壳体相连；
所述检测方法包括：
打开开关K1和开关K2，闭合开关K3，通过微处理器采集待测***的正极绝缘电阻与负极绝缘电阻之间的电势差U2，以及电阻R5上的压降U1；
打开开关K3，闭合开关K1或开关K2，通过微处理器采集待测***的正极绝缘电阻与负极绝缘电阻之间的电势差U4，以及电阻R5上的压降U3；
采集电压U1、U2、U3和U4的状态，建立方差矩阵方程，公式如下：
Figure FDA0002784848340000011
其中，
Figure FDA0002784848340000012
为电压观测矩阵，P1,k＝0为电压协方差矩阵，P1为U1方差，P2为U2方差，P3为U3方差，P4为U4方差，k为当前观测时间；
采集电压状态更新与方差矩阵更新,公式如下：
Figure FDA0002784848340000013
其中Qk为***观测器噪声；
计算Kalman增益与电压状态更新，公式如下：
Figure FDA0002784848340000021
其中Rk表示测量方差，y＝[U1 U2 U3 U4]；
协方差更新，公式如下：
Figure FDA0002784848340000022
计算负极绝缘电阻：
Figure FDA0002784848340000023
其中U3是打开开关K3以及闭合开关K2时，电阻R5上的压降；U4是打开开关K3以及闭合开关K2时，通过微处理器采集待测***的正极绝缘电阻与负极绝缘电阻之间的电势差。
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