CN110927462A - 一种电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路 - Google Patents

一种电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路，能够实现对电动车辆绝缘电阻的实时检测，保障车辆高压用电安全。本发明针对采用电压注入式方法，设计出了一种全新的高压直流绝缘电阻实时检测电路，可实现母线带电及不带电两种情况的绝缘检测，***安全性高；可以区分出是正极母线还是负极母线绝缘破损；采用施加外部200V激励源到车载高压电源母线回路中，抗干扰能力强；可应用于母线电压从几十V到上千V场合，应用电压范围广；保障车辆高压用电安全，降低安全事故的发生，促进新能源车辆绝缘检测技术的发展。

Description

一种电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路
技术领域
本发明属于电子检测与控制技术领域，尤其涉及一种电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路。
背景技术
随着能源危机和环境污染的与日俱增，发展高效、节能、低噪声的电动车成为国内外汽车企业发展的必然趋势。为了提升电动车的动力性以及降低车辆电缆的重量，电动车的电压由传统车辆的12V/24V上升到现在的几百伏，直至一千伏；同时电动车的电机控制器以及其它高压电子控制器内部往往集成有大容量的高压电容，在高压上电电容短路的瞬间，电流非常大，足以烧毁高压电子设备；此外，高压电远超过36V的人体安全电压，必须对车辆的整车绝缘电阻进行实时检测，当绝缘电阻小于一定的值时，需要切断高压用电负载的输出，以保证高压用电安全。
目前的绝缘检测大都是无激励电源的检测，无激励电源的测量方法抗干扰能力差，在特定条件下存在无法测量的情况，并且检测装置的接入降低了车体的绝缘性能，因此无源检测方法本身具有一定的局限性，不能保障车辆高压用电安全。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路，能够实现对电动车辆绝缘电阻的实时检测，保障车辆高压用电安全。
为实现上述目的，本发明的电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路，包括限流电阻R1、采样电阻R0、激励电源及其驱动模块、双开关继电器、电源正负极切换驱动模块以及电压采样模块；
其中，激励电源与限流电阻R1、采样电阻R0以及车载高压电源对车体的等效绝缘电阻组成串联回路；激励电源驱动模块接收微控制模块的指令，驱动激励电源输出；
双开关继电器一端接采样电阻R0，另一端接车载高压电源的正极母线或者负极母线；电源正负极切换驱动模块接收微控制模块的指令，驱动双开关继电器选择接入车载高压电源的正极母线或者负极母线；
电压采样模块用于对车载高压电源电压、激励电源电压以及采样电阻R0的电压进行采样，具体如下：
若车载高压电源电压为0，激励电源打开，电压采样模块采集双开关继电器选择接入车载高压电源的正极母线时激励电源电压U01和采样电阻R0的电压U1，以及双开关继电器选择接入车载高压电源的负极母线时激励电源电压U02和采样电阻R0的电压U2；若车载高压电源电压不为0，双开关继电器选择接入车载高压电源的负极母线，电压采样模块采集激励电源输出时激励电源电压U03以及采样电阻R0的电压U1R0，以及激励电源不输出时采样电阻R0的电压U2R0；
车载高压电源电压为0时，车载高压电源正极母线对车体的等效绝缘电阻
Figure BDA0002317025680000021
车载高压电源负极母线对车体的等效绝缘电阻
Figure BDA0002317025680000022
Figure BDA0002317025680000023
车载高压电源电压不为0时，分别根据激励电源输出或不输出时的串联回路，得到如下关系：
Figure BDA0002317025680000031
Figure BDA0002317025680000032
其中，V母为正极母线对车体电压，由③式和④式，得出R2和R3的具体值；
若R2小于检测阈值则车载高压电源的负极母线绝缘破损，若R3小于检测阈值则车载高压电源的正极母线绝缘破损。
其中，在双开关继电器与车载高压电源正极母线或负极母线的接入的电路中串联有电阻；在没有绝缘检测的情况下，双开关继电器处于断开状态。
其中，还包括CAN通信模块，CAN通信模块用于将微控制模块计算的绝缘电阻值信息通过总线上传。
有益效果：
本发明针对采用电压注入式方法，设计出了一种全新的高压直流绝缘电阻实时检测电路，可实现母线带电及不带电两种情况的绝缘检测，***安全性高；可以区分出是正极母线还是负极母线绝缘破损；采用施加外部200V激励源到车载高压电源母线回路中，抗干扰能力强；可应用于母线电压从几十V到上千V场合，应用电压范围广；保障车辆高压用电安全，降低安全事故的发生，促进新能源车辆绝缘检测技术的发展。
附图说明
图1为本发明的绝缘检测工作原理框图。
图2为本发明实施例的电源未接入检测电路图。
图2(a)为本发明实施例的车载高压上电前电源正负极切换到270V电源正极时的等效电路图；
图2(b)为本发明实施例的车载高压上电前电源正负极切换到270V电源负极时的等效电路图。
图3为本发明实施例的电源接入工作检测电路图。
图3(a)为本发明实施例的车载高压上电后，施加激励电源且电源正负极切换到270V电源负极时的等效电路图；
图3(b)为本发明实施例的车载高压上电后，未施加激励电源且电源正负极切换到270V电源负极时的等效电路图。
图4为本发明实施例的激励电源控制模块原理图。
图5为本发明实施例的电源切换控制模块原理图。
图6为本发明实施例的电压采样模块原理图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例电路包括限流电阻R1、采样电阻R0、DC200V激励电源及其驱动模块、电源正负极切换驱动模块、双开关继电器、电压采样模块以及微控制模块以及CAN通信模块，其工作原理框图如图1所示。
激励电源与限流电阻R1、采样电阻R0以及车载高压电源对车体的等效绝缘电阻组成串联回路，在车载高压上电前，对高压电源正极母线对车体的等效绝缘电阻和负极母线对车体的等效绝缘电阻的串联回路施加激励电压，形成回路电流，通过检测采样电阻的电压信号，从而计算车载高压电源正极母线和负极母线对车体的绝缘电阻，实现对车载高压上电前车载高压电源对车体绝缘电阻的实时检测；在车载高压上电后，通过对高压电源负极母线对车体的等效绝缘电阻的串联回路施加激励电压以及未施加激励电压，形成两组方程，获得高压电源正极母线对车体的等效绝缘电阻和负极母线对车体的等效绝缘电阻，实现对车载高压上电后车载高压电源对车体绝缘电阻的实时检测。
激励电源驱动模块原理图如图4所示。本实施例中采用DC200激励电源驱动模块接收微控制模块的指令，完成对200V激励电源的输出控制。
电源正负极切换驱动模块原理图如图5所示。电源正负极切换驱动模块接收微控制模块的指令，用于对双开关继电器进行驱动，完成车载高压电源正极母线或者负极母线的选择接入；在双开关继电器与车载高压电源母线正、负极的接入的电路中串联有电阻，串联电阻防止在恶略振动冲击环境中，继电器瞬时短路，烧坏继电器，保证安全；在没有绝缘检测的情况下，双开关继电器处于断开状态。
电压采样模块原理图如图6所示。电压采样模块用于对车载高压电源电压即车载高压电源负极母线对车体的电压、激励电源电压以及采样电阻R0的电压进行采样；微控制模块根据电压采样模块获得的车载高压电源电压值对电源正负极切换驱动模块以及激励电源驱动模块进行控制，具体如下：
A、车载高压电源电压为0，首先发出接入车载高压电源正/负极母线指令到电源正负极切换驱动模块，然后发出激励电源输出指令到激励电源驱动模块，电压采样模块对当前激励电源电压以及采样电阻R0的电压进行采样；
最后发出接入车载高压电源负/正极母线指令到电源正负极切换驱动模块，电压采样模块对当前激励电源电压以及采样电阻R0的电压进行采样；
其中，微控制模块通过输出1个IO信号给激励电源驱动模块，用于200V激励电源的输出。
B、车载高压电源电压不为0，首先发出接入车载高压电源负极母线指令到电源正负极切换驱动模块，电压采样模块对当前激励电源电压以及采样电阻R0的电压进行采样；
然后发出激励电源输出指令到激励电源驱动模块，电压采样模块对当前激励电源电压以及采样电阻R0的电压进行采样。
其中，微控制模块通过输出2个IO信号给电源正负极切换驱动模块，用于驱动双开关继电器，实现对高压电源正极母线或者高压电源负极母线的接入。
本发明的检测结果通过以下方式计算获得：
1)高压上电前绝缘检测模式，以车载高压DC270V、激励电源电源200V为例，如图2所示。车载高压DC270V为断开状态，电源正负极切换控制模块选择高压电源正极母线接入时等效电路图如图2(a)所示，R1为限流电阻(参考GB/T18384.3-2001的Ⅱ类设备选择，0.5kΩ/1V)，R0为采样电阻，R1》R0，R3为车载高压DC270V正极母线对车体的等效绝缘电阻，通过此时采样电阻R0的电压U1以及采样电阻R0的值，求得车载高压电源正极母线接入时通过串联回路的电流I11，根据欧姆定律可以求得R3＝(200/I11)-R1-R0；判断R3是否小于检测阈值，若小于则车载高压电源的正极母线绝缘破损。
高压DC270V为断开状态，电源正负极切换控制模块选择高压电源负极母线接入时等效电路图如图2(b)所示，R2为车载高压DC270V负极母线对车体的等效绝缘电阻，通过此时采样电阻R0的电压U2以及采样电阻R0的值，求得车载高压电源正极母线接入时通过串联回路的电流I21，根据欧姆定律可以求得R2＝(200/I21)-R1-R0，判断R2是否小于检测阈值，若小于则车载高压电源的负极母线绝缘破损。
2)高压上电后绝缘检测模式，以高压DC270V、激励电源电压200V为例，如图3所示，高压DC270V为开启状态，电源正负极切换控制模块选择高压电源负极母线接入，检测施加激励电源与不施加激励电源两种工况下两组电流回路中采用电阻的电压信号，形成两组方程即可完成绝缘电阻检测，施加DC200V激励电源时等效电路图如图3(a)所示，未施加DC200V激励电源时等效电路图如图3(b)所示，计算过程如下：
U1R0＝I1*R0 U2R0＝I2*R0
I1*R1＝DC200V+U1R2 I2*R1＝U2R2
Figure BDA0002317025680000071
整理得：
Figure BDA0002317025680000072
Figure BDA0002317025680000073
①式减②式，得出：
Figure BDA0002317025680000074
①式加②式，得出：
Figure BDA0002317025680000075
经过化简可以得到：
Figure BDA0002317025680000076
其中，U1R2为施加激励电压时，车载高压电源正极母线对车体电压；U2R2为未施加激励电压时，车载高压电源正极母线对车体电压；V母为车载高压电源负极母线对车体电压；U1R0为当施加激励电压时，取样电阻R0上的电压；U2R0为未施加激励电压时，取样电阻R0上的电压；
由③式和④式，可以得出R2和R3的具体值，通过R2、R3的具体值可以判断是车载高压电源母线是否绝缘破损，是正极母线还是负极母线绝缘破损，具体地：若R2小于检测阈值则车载高压电源的负极母线绝缘破损，若R3小于检测阈值则车载高压电源的正极母线绝缘破损。
CAN通信模块用于将微控制模块计算的绝缘电阻值信息通过总线上传，也可以不设置该模块，通过其他方式将数据上传。
本发明电路经过了项目台架联调试验，能够满足车辆的使用要求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路，其特征在于，包括限流电阻R1、采样电阻R0、激励电源及其驱动模块、双开关继电器、电源正负极切换驱动模块以及电压采样模块；
其中，激励电源与限流电阻R1、采样电阻R0以及车载高压电源对车体的等效绝缘电阻组成串联回路；激励电源驱动模块接收微控制模块的指令，驱动激励电源输出；
双开关继电器一端接采样电阻R0，另一端接车载高压电源的正极母线或者负极母线；电源正负极切换驱动模块接收微控制模块的指令，驱动双开关继电器选择接入车载高压电源的正极母线或者负极母线；
电压采样模块用于对车载高压电源电压、激励电源电压以及采样电阻R0的电压进行采样，具体如下：
若车载高压电源电压为0，激励电源打开，电压采样模块采集双开关继电器选择接入车载高压电源的正极母线时激励电源电压U01和采样电阻R0的电压U1，以及双开关继电器选择接入车载高压电源的负极母线时激励电源电压U02和采样电阻R0的电压U2；若车载高压电源电压不为0，双开关继电器选择接入车载高压电源的负极母线，电压采样模块采集激励电源输出时激励电源电压U03以及采样电阻R0的电压U1R0，以及激励电源不输出时采样电阻R0的电压U2R0；
车载高压电源电压为0时，车载高压电源正极母线对车体的等效绝缘电阻
Figure FDA0002317025670000011
车载高压电源负极母线对车体的等效绝缘电阻
Figure FDA0002317025670000012
车载高压电源电压不为0时，分别根据激励电源输出或不输出时的串联回路，得到如下关系：
Figure FDA0002317025670000021
Figure FDA0002317025670000022
其中，V母为正极母线对车体电压，由③式和④式，得出R2和R3的具体值；
若R2小于检测阈值则车载高压电源的负极母线绝缘破损，若R3小于检测阈值则车载高压电源的正极母线绝缘破损。
2.如权利要求1所述的电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路，其特征在于，在双开关继电器与车载高压电源正极母线或负极母线的接入的电路中串联有电阻；在没有绝缘检测的情况下，双开关继电器处于断开状态。
3.如权利要求1所述的电动车辆电压注入式绝缘电阻实时检测电路，其特征在于，还包括CAN通信模块，CAN通信模块用于将微控制模块计算的绝缘电阻值信息通过总线上传。
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