CN112067952A - 一种电动汽车绝缘监测***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车绝缘监测***和方法，所述***包括主监测电阻回路、控制器、信号采集模块、第一开关器件驱动模块、第二开关器件驱动模块和电源模块。本发明通过开关器件的交替工作，制造两组不平衡电桥，通过分别采集两种工况下所接入的采样电阻的电压值，计算出电动汽车车载电池组直流高压***对大地的等效并联绝缘电阻值。

Description

一种电动汽车绝缘监测***和方法
技术领域
本发明属于电动汽车电源和开关技术领域，特别涉及了一种绝缘监测方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染与日俱增，发展高效、节能、零排放的清洁型电动汽车成为国内外汽车工业发展的必然趋势。国家标准对于人员触电防护提出要求，为了保证电动汽车的行车安全以及驾乘人员的人身安全，对于电动汽车电池组直流高压***的绝缘安全性能有着严格的要求。
传统监测方法在直流两侧同时出现绝缘下降时，不能有效地监测***绝缘情况，无法反映绝缘的状态；而且在两侧绝缘阻值相差较大情况下，即使阻值在安全范围内，传统方法也可能会错误地监测出绝缘故障。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种电动汽车绝缘监测***和方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种电动汽车绝缘监测***，包括主监测电阻回路、控制器、信号采集模块、第一开关器件驱动模块、第二开关器件驱动模块和电源模块；主监测电阻回路包括电池组、正极桥臂电阻、正极桥臂匹配电阻、负极桥臂电阻、负极桥臂匹配电阻、采样电阻、第一开关管和第二开关管；电池组的正极依次串联正极桥臂电阻和正极桥臂匹配电阻，电池组的负极依次串联负极桥臂电阻和负极桥臂匹配电阻，正极桥臂匹配电阻与负极桥臂匹配电阻串联且串联中点处经采样电阻接地，第一开关管的集电极连接至正极桥臂电阻与正极桥臂匹配电阻的串联接点处，第一开关管的发射极连接至正极桥臂匹配电阻与采样电阻的串联接点处，第二开关管的集电极连接至负极桥臂电阻与负极桥臂匹配电阻的串联接点处，第二开关管的的发射极连接至负极桥臂匹配电阻与采样电阻的串联接点处；信号采集模块采集所述采样电阻两端的电压Ux，信号采集模块的输出端连接控制器，第一开关器件驱动模块的输入端连接控制器，第一开关器件驱动模块的输出端连接第一开关管的栅极，第二开关器件驱动模块的输入端连接控制器，第二开关器件驱动模块的输出端连接第二开关管的栅极，电源模块的输出端连接控制器的供电端；控制器通过第一开关器件驱动模块和第二开关器件驱动模块分别向第一开关管和第二开关管发送驱动信号，从而控制第一开关管和第二开关管的通断状态，信号采集模块采集不同开关管状态下的电压Ux并传送给控制器，控制器根据接收到的电压数据得到绝缘监测结果。
进一步地，该***还包括通讯模块，所述通讯模块连接控制器，控制器通过该通讯模块与监控中心进行数据交互。
进一步地，所述通讯模块包括CAN通讯芯片和两个光耦模块，两个光耦模块分别连接CAN通讯芯片的接收端和发送端。
进一步地，所述信号采集模块包括两个级联的运算放大器。
进一步地，所述第一开关器件驱动模块与第二开关器件驱动模块的结构相同，均包括隔离光耦模块。
进一步地，所述电源模块采用DC-DC隔离方式。
进一步地，所述控制器采用以STM8S103单片机为核心的最小***电路，并包含外置存储器。
基于上述电动汽车绝缘监测***的绝缘监测方法，通过控制器向第一开关管和第二开关管发送驱动信号，当第一开关管导通且第二开关管断开时，等效的正极桥臂电阻阻值为R1，等效的负极桥臂电阻阻值为R2＝R4+Rb，此时Ux＝Ux1；当第一开关管断开且第二开关管导通时，等效的正极桥臂电阻阻值为R3＝R1+Ra，等效的负极桥臂电阻阻值为R4，此时Ux＝Ux2；其中，R1为所述正极桥臂电阻的阻值，R4为所述负极桥臂电阻的阻值，Ra为正极桥臂匹配电阻的阻值，Rb为负极桥臂匹配电阻的阻值，且上述电阻参数满足：
R1＝R4，R2＝R3
则等效的对地绝缘电阻r的计算方法如下：
Figure BDA0002673156540000031
上式中，Udc为电池组的直流电压，Rx为所述采样电阻的阻值，Rα为R1与R2的并联值，Rβ为R3与R4的并联值。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明通过开关器件的交替工作，制造两组不平衡电桥，通过分别采集两种工况下所接入的采样电阻的电压值，计算出电动汽车车载电池组直流高压***对大地的等效并联绝缘电阻值，可以真实反映当前***绝缘状况，提高绝缘电阻监测精确度，降低误报率，且无论***处于单侧还是双侧同时绝缘故障时，均可以有效得出监测结果。
附图说明
图1是本发明***电路图；
图2是本发明状态1的等效电路图；
图3是本发明状态2的等效电路图；
图4是本发明中信号采集电路图；
图5是本发明中开关器件驱动模块电路图；
图6是本发明中通讯模块电路图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提出了一种电动汽车绝缘监测***，如图1所示，包括主监测电阻回路、控制器、信号采集模块、两个开关器件驱动模块、电源模块和通讯模块。
如图1所示，电池组Udc正极依次串联正极桥臂电阻R1，正极桥臂匹配电阻Ra、负极桥臂匹配电阻Rb，最后经过负极桥臂电阻R4回到电池组Udc负极，构成串联回路。桥臂匹配电阻Ra，Rb分别并联开关管S1，S2。其中正极桥臂电阻R1串联正极桥臂匹配电阻Ra的电阻值记作R3，负极桥臂电阻R4串联负极桥臂匹配电阻Rb的电阻值记作R2。采样电阻Rx连接桥臂匹配电阻Ra，Rb中点以及大地PE之间。Rp和Rn分别为电池组正负极对地绝缘电阻，将其等效并联电阻记作r。其中，需要满足R1＝R4，R2＝R3。
状态1：开关管S1导通，开关管S2断开，主监测回路等效电路如图2，等效的正极桥臂电阻为R1，等效的负极桥臂电阻为R2，此时采集Rx电阻上的电压值，记作Ux1，可得如下方程：
U1＝I1×(R1+Rx+r)-I2×(Rx+r) (1)
U2＝I2×(R2+Rx+r)-I1×(Rx+r) (2)
Ix1＝I1-I2 (3)
Ux1＝Ix1×Rx (4)
Udc＝I1×R1+I2×R2 (5)
状态2：开关管S1断开，开关管S2导通，主监测回路等效电路如图2，等效的正极桥臂电阻为R3，等效的负极桥臂电阻为R4，此时采集Rx电阻上的电压值，记作Ux2，可得如下方程：
U1＝I3×(R3+Rx+r)-I4×(Rx+r) (6)
U2＝I4×(R4+Rx+r)-I3×(Rx+r) (7)
Ix2＝I3-I4 (8)
Ux2＝Ix2×Rx (9)
Udc＝I3×R3+I4×R4 (10)
令(1)-(2)＝(6)-(7)，并联立(3)、(8)，可得：
I1×R1-I2×R2+2×Ix1×(Rx+r)＝I3×R3-I4×R4+2×Ix2×(Rx+r) (11)
分别联立(3)、(4)和(7)、(8)，可分别求得I1、I2、I3、I4表达式，代入(11)，可得：
Figure BDA0002673156540000051
分别将(4)、(5)代入(12)，可得等效并联电阻r的计算式：
Figure BDA0002673156540000052
上式中，Rα为R1与R2的并联值，Rβ为R3与R4的并联值。
在本实施例中，控制器可以采用以STM8S103单片机为核心的最小***电路，同时包含外置存储器，主要用于绝缘电阻算法执行以及相关模拟信号采集，兼具驱动信号触发，通讯报文收发功能等。
在本实施例中，信号采集模块可以采用如图4所示的电路结构，运算放大器U1A，电容C1，C2构成跟随电路，用于信号输入与输出的阻抗变换；运算放大器U2A，电阻R5、R6、R7、R8，电容C3、C4、C5、C6组成二阶低通有源滤波器，输出信号接入控制器。
在本实施例中，开关器件驱动模块可以采用如图5所示的电路结构，采用电气隔离模式，驱动输入信号来自控制器，输出信号采用推挽输出方式，包括隔离光耦芯片U3，电阻R9、R10，电容C7、C8，输出端正驱动电压由Vp、负驱动电压由Vn提供。
在本实施例中，电源模块采用DC-DC隔离方式为整个***提供所需电能。电源输入为9-36V的宽范围电压值，输出包括可供单片机使用的5V电压，以及其他电路所需的±12V和3.3V电压。
在本实施例中，通讯模块可以采用如图6所示的电路结构，使用符合汽车通讯规约标准的CAN通讯模式。采取隔离方式设计，最高速率可达1Mbps。为兼顾隔离和保证通讯速率要求，隔离模块U4、U5选用高速光耦器件，与电阻R11、R12、R13、R14构成电气隔离部分。CAN通讯芯片U6作为通讯模块核心器件，提供标准CAN通讯收发接口，与电阻R15，差模电感L1构成收发器部分。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车绝缘监测***，其特征在于：包括主监测电阻回路、控制器、信号采集模块、第一开关器件驱动模块、第二开关器件驱动模块和电源模块；主监测电阻回路包括电池组、正极桥臂电阻、正极桥臂匹配电阻、负极桥臂电阻、负极桥臂匹配电阻、采样电阻、第一开关管和第二开关管；电池组的正极依次串联正极桥臂电阻和正极桥臂匹配电阻，电池组的负极依次串联负极桥臂电阻和负极桥臂匹配电阻，正极桥臂匹配电阻与负极桥臂匹配电阻串联且串联中点处经采样电阻接地，第一开关管的集电极连接至正极桥臂电阻与正极桥臂匹配电阻的串联接点处，第一开关管的发射极连接至正极桥臂匹配电阻与采样电阻的串联接点处，第二开关管的集电极连接至负极桥臂电阻与负极桥臂匹配电阻的串联接点处，第二开关管的的发射极连接至负极桥臂匹配电阻与采样电阻的串联接点处；信号采集模块采集所述采样电阻两端的电压Ux，信号采集模块的输出端连接控制器，第一开关器件驱动模块的输入端连接控制器，第一开关器件驱动模块的输出端连接第一开关管的栅极，第二开关器件驱动模块的输入端连接控制器，第二开关器件驱动模块的输出端连接第二开关管的栅极，电源模块的输出端连接控制器的供电端；控制器通过第一开关器件驱动模块和第二开关器件驱动模块分别向第一开关管和第二开关管发送驱动信号，从而控制第一开关管和第二开关管的通断状态，信号采集模块采集不同开关管状态下的电压Ux并传送给控制器，控制器根据接收到的电压数据得到绝缘监测结果。
2.根据权利要求1所述电动汽车绝缘监测***，其特征在于：该***还包括通讯模块，所述通讯模块连接控制器，控制器通过该通讯模块与监控中心进行数据交互。
3.根据权利要求2所述电动汽车绝缘监测***，其特征在于：所述通讯模块包括CAN通讯芯片和两个光耦模块，两个光耦模块分别连接CAN通讯芯片的接收端和发送端。
4.根据权利要求1所述电动汽车绝缘监测***，其特征在于：所述信号采集模块包括两个级联的运算放大器。
5.根据权利要求1所述电动汽车绝缘监测***，其特征在于：所述第一开关器件驱动模块与第二开关器件驱动模块的结构相同，均包括隔离光耦模块。
6.根据权利要求1所述电动汽车绝缘监测***，其特征在于：所述电源模块采用DC-DC隔离方式。
7.根据权利要求1所述电动汽车绝缘监测***，其特征在于：所述控制器采用以STM8S103单片机为核心的最小***电路，并包含外置存储器。
8.基于权利要求1所述电动汽车绝缘监测***的绝缘监测方法，其特征在于：通过控制器向第一开关管和第二开关管发送驱动信号，当第一开关管导通且第二开关管断开时，等效的正极桥臂电阻阻值为R1，等效的负极桥臂电阻阻值为R2＝R4+Rb，此时Ux＝Ux1；当第一开关管断开且第二开关管导通时，等效的正极桥臂电阻阻值为R3＝R1+Ra，等效的正极桥臂电阻阻值为R4，此时Ux＝Ux2；其中，R1为所述正极桥臂电阻的阻值，R4为所述负极桥臂电阻的阻值，Ra为正极桥臂匹配电阻的阻值，Rb为负极桥臂匹配电阻的阻值，且上述电阻参数满足：
R1＝R4，R2＝R3
则等效的对地绝缘电阻r的计算方法如下：
Figure FDA0002673156530000021
上式中，Udc为电池组的直流电压，Rx为所述采样电阻的阻值，Rα为R1与R2的并联值，Rβ为R3与R4的并联值。
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