CN112858856B - 一种低成本绝缘检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本绝缘检测电路及检测方法，该方法应用于低成本绝缘检测电路，该电路包括绝缘电阻RP、绝缘电阻RN、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关K1、开关K2和电池管理***；所述绝缘电阻RP为外部的电池组的正极对地的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN为外部的电池组的负极对地的绝缘电阻，电池管理***通过控制所述开关K1和所述开关K2的通断，对所述绝缘电阻RP和所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗进行检测。该低成本绝缘检测电路及检测方法，对传统的电阻分压测量法进行了优化，仅需两个开关就能进行绝缘电阻检测，且性能没有衰减，电路结构简化，具有超低的成本优势，能够进一步有效降低人们在操作时触电的风险。

Description

一种低成本绝缘检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及电动汽车电池及储能电池***技术领域，特别涉及一种低成本绝缘检测电路及低成本绝缘检测方法。

背景技术

随着新能源领域电动汽车的蓬勃发展，电动汽车的应用越来越广泛。电动汽车较传统车多了一整套高压部件(ESS-Energy Storage System-储能***、DCDC-DC-DCconverter-直流-直流转换器、电机等)，较高的工作电压对高电压***与车辆底盘之间的绝缘性能提出了更高的要求。所以从安全性上考虑必须增加对绝缘状态的检测，特别是车辆在复杂的应用环境下一旦出现碰撞、部件老化都可能导致绝缘性能的下降使底盘电位上升,这不仅影响车载设备和ECU(Electronic Control Unit、电子控制单元)的工作，还会导致漏电回路的热积累效应造成车辆起火燃烧。动力电池***ESS是高压的来源，因此绝缘检测也成为了BMS(Battery management system、电池管理***)关键的功能之一。

目前市面上一般有两种绝缘检测方法：一种是信号注入法，另一种是电阻分压测量法。信号注入法是对电池***注入一定频率的直流电压信号，测量反馈的直流信号计算绝缘电阻，不过注入的信号对电池***会产生纹波干扰，影响***正常工作。而传统的电阻分压测量法需要引入3个或者3个以上的开关去切换测量回路，通过测量不同情况下的分压电阻上的电压，导出绝缘电阻，这使得电路的结构复杂且成本偏高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低成本绝缘检测电路及低成本绝缘检测方法，旨在解决现有技术中应用传统的电阻分压测量法检测绝缘电阻时，电路的结构复杂且成本偏高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种低成本绝缘检测电路，包括绝缘电阻RP、绝缘电阻RN、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关K1、开关K2和电池管理***；所述绝缘电阻RP的一端分别连接外部的电池组的正极与所述电阻R1的一端，所述绝缘电阻RP的另一端接地，所述绝缘电阻RN的一端分别连接外部的电池组的负极与所述电阻R4的一端，所述绝缘电阻RN的另一端接地，所述电阻R1的另一端分别连接所述电阻R2的一端与所述开关K1的一端，所述开关K1的另一端接地，所述电阻R2的另一端分别连接所述电阻R3的一端与所述开关K2的一端，所述开关K2的另一端接地，所述电阻R3的另一端分别连接所述电阻R4的另一端与所述电池管理***；其中，所述绝缘电阻RP为外部的电池组的正极对地的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN为外部的电池组的负极对地的绝缘电阻，所述电池管理***通过控制所述开关K1和所述开关K2的通断，对所述绝缘电阻RP和所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗进行检测。

优选地，所述电池组应用于电动汽车电池高压***或储能电池高压***。

优选地，当所述电池组应用于电动汽车电池高压***时，所述绝缘电阻RP表示所述电池组正极母线高压对电动汽车底盘的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN表示所述电池组负极母线高压对电动汽车底盘的绝缘电阻；

当所述电池组应用于储能电池高压***时，所述绝缘电阻RP表示所述电池组正极母线高压对储能***地的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN表示所述电池组负极母线高压对储能***地的绝缘电阻。

本发明提供的另一技术方案为：

一种低成本绝缘检测方法，应用于上述的低成本绝缘检测电路，包括以下步骤：

S1：所述电池管理***发送指令，断开所述开关K1和所述开关K2，并通过模数转换器采集电压V0；

S2：所述电池管理***发送指令，闭合所述开关K1并断开所述开关K2，通过模数转换器采集电压V1；

S3：所述电池管理***发送指令，断开所述开关K1并闭合所述开关K2，通过模数转换器采集电压V2；

S4：结合所述电压V0、所述电压V1和所述电压V2计算出所述绝缘电阻RP和所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗；

其中，所述电池管理***通过所述模数转换器和所述电阻R4的另一端连接。

优选地，通过所述电压V0计算所述电池组总压Vbat，计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗。

优选地，所述电压V1的计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，Vbat为电池组总压，Rp为所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

优选地，所述电压V2的计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，Vbat为电池组总压，Rp为所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

优选地，所述S4之后，还包括：

S5：当所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗满足预设第一报警条件和/或所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗满足预设第二报警条件，则发出报警信号。

优选地，所述闭合所述开关K1并断开所述开关K2时，所述开关K1处对地的电压为Vm1，计算公式具体为：

其中，R2、R3和R4分别为所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，I1为流经电路回路总电阻的电流，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

优选地，所述断开所述开关K1并闭合所述开关K2时，所述开关K2处对地的电压为Vm2，计算公式具体为：

其中，R3和R4分别为所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，I2为流经电路回路总电阻的电流，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在本申请中，对传统的电阻分压测量法进行了优化，仅需两个开关就能进行绝缘电阻检测，且性能没有衰减，电路结构简化，具有超低的成本优势，能够进一步有效降低人们在操作时触电的风险，提高操作安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例一的低成本绝缘检测电路的电路原理图；

图2是本发明实施例二的低成本绝缘检测方法的流程图；

图3是本发明实施例二的低成本绝缘检测电路处于闭合开关K1并断开开关K2状态下的电路结构图；

图4是本发明实施例二的低成本绝缘检测电路处于闭合开关K1并断开开关K2状态下的等效电路结构图；

图5是本发明实施例二的低成本绝缘检测电路处于断开开关K1并闭合开关K2状态下的电路结构图；

图6是本发明实施例二的低成本绝缘检测电路处于断开开关K1并闭合开关K2状态下的等效电路结构图；

图7是本发明实施例三的低成本绝缘检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅附图1，其是本发明实施例一的低成本绝缘检测电路的电路原理图。

如附图1所示，在实施例一中，提供了一种低成本绝缘检测电路，包括绝缘电阻RP、绝缘电阻RN、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关K1、开关K2和电池管理***；所述绝缘电阻RP的一端分别连接外部的电池组的正极与所述电阻R1的一端，所述绝缘电阻RP的另一端接地，所述绝缘电阻RN的一端分别连接外部的电池组的负极与所述电阻R4的一端，所述绝缘电阻RN的另一端接地，所述电阻R1的另一端分别连接所述电阻R2的一端与所述开关K1的一端，所述开关K1的另一端接地，所述电阻R2的另一端分别连接所述电阻R3的一端与所述开关K2的一端，所述开关K2的另一端接地，所述电阻R3的另一端分别连接所述电阻R4的另一端与所述电池管理***；其中，所述绝缘电阻RP为外部的电池组的正极对地的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN为外部的电池组的负极对地的绝缘电阻，所述电池管理***通过控制所述开关K1和所述开关K2的通断，对所述绝缘电阻RP和所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗进行检测。

本发明实施例中的低成本绝缘检测电路，对传统的电阻分压测量法进行了优化，仅需两个控制开关就能进行绝缘电阻的检测，且性能没有衰减，电路结构简化，具有超低的成本优势，能够进一步有效降低人们在操作时触电的风险，提高操作安全性。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述电池组应用于电动汽车电池高压***或储能电池高压***。

具体地，所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4均为高精度分压电阻。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，当所述电池组应用于电动汽车电池高压***时，所述绝缘电阻RP表示所述电池组正极母线高压对电动汽车底盘的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN表示所述电池组负极母线高压对电动汽车底盘的绝缘电阻；

当所述电池组应用于储能电池高压***时，所述绝缘电阻RP表示所述电池组正极母线高压对储能***地的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN表示所述电池组负极母线高压对储能***地的绝缘电阻。

具体地，所述开关K1和所述开关K2均为可控开关。

本发明实施例中的低成本绝缘检测电路，对传统的电阻分压测量法进行了优化，仅需两个可控开关K1和K2就能对绝缘电阻RP和RN进行检测，且性能没有衰减，电路结构简化，具有超低的成本优势。该设计不仅适用于电动汽车电池***，同时也适用于储能电池***的绝缘检测。

以下为本发明提供的一种低成本绝缘检测方法的实施例。该低成本绝缘检测方法的实施例与上述的低成本绝缘检测电路的实施例属于同一构思，低成本绝缘检测方法的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述低成本绝缘检测电路的实施例。

请参阅附图2，其是本发明实施例二的低成本绝缘检测方法的流程图。

如附图2所示，在实施例二中，提供了一种低成本绝缘检测方法，应用于上述的低成本绝缘检测电路，包括以下步骤：

S1：所述电池管理***发送指令，断开所述开关K1和所述开关K2，并通过模数转换器采集电压V0；

具体地，通过所述电压V0计算所述电池组总压Vbat，计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗。

具体地，如附图1示出的BGND为电池组的负端，PGND为电动汽车的底盘(整车地)或储能***地，A点对BGND的电压为V0。

S2：所述电池管理***发送指令，闭合所述开关K1并断开所述开关K2，通过模数转换器采集电压V1；

请参阅附图3，其是本发明实施例二的低成本绝缘检测电路处于闭合开关K1并断开开关K2状态下的电路结构图。

请参阅附图4，其是本发明实施例二的低成本绝缘检测电路处于闭合开关K1并断开开关K2状态下的等效电路结构图。

具体地，如附图3和4所示，所述电压V1的计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，Vbat为电池组总压，Rp为所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

具体地，如附图3和4所示，A点对BGND的电压为V1，B点对BGND的电压为Vm1。所述闭合所述开关K1并断开所述开关K2时，所述开关K1处对地的电压为Vm1，计算公式具体为：

其中，R2、R3和R4分别为所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，I1为流经电路回路总电阻的电流，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

S3：所述电池管理***发送指令，断开所述开关K1并闭合所述开关K2，通过模数转换器采集电压V2；

请参阅附图5，其是本发明实施例二的低成本绝缘检测电路处于断开开关K1并闭合开关K2状态下的电路结构图。

请参阅附图6，其是本发明实施例二的低成本绝缘检测电路处于断开开关K1并闭合开关K2状态下的等效电路结构图。

具体地，如附图5和6所示，所述电压V2的计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，Vbat为电池组总压，Rp为所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

具体地，如附图5和6所示，A点对BGND的电压为V2，B点对BGND的电压为Vm2。所述断开所述开关K1并闭合所述开关K2时，所述开关K2处对地的电压为Vm2，计算公式具体为：

其中，R3和R4分别为所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，I2为流经电路回路总电阻的电流，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

S4：结合所述电压V0、所述电压V1和所述电压V2计算出所述绝缘电阻RP和所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗；

其中，所述电池管理***通过所述模数转换器和所述电阻R4的另一端连接。

综上，如附图1-2所示，本发明实施例中的低成本绝缘检测方法，通过测量A点的电压V0，BMS可以计算出电池组总电压Vbat；

如附图3和4所示，可以导出关于V1和Rp、Rn的关系式；

如附图5和6所示，可以导出关于V2和Rp、Rn的关系式；

最后，通过以上两个关系式可以计算出Rp和Rn的实际值。

本发明实施例中的低成本绝缘检测方法，提出了一种低成本(仅需两个控制开关)的电池***绝缘检测架构(目前市场上的检测方案都需要三个或者三个以上的开关来控制配合进行绝缘检测)。本设计适用于电动汽车电池高压***和储能电池高压***，能够准确的检测出电池***正极/负极对整车底盘(整车地)或者储能***地的绝缘阻抗，进一步有效降低人们在操作时触电的风险。

请参阅附图7，其是本发明实施例三的低成本绝缘检测方法的流程图。

如附图7所示，在实施例三中，提供了一种低成本绝缘检测方法，应用于上述的低成本绝缘检测电路，包括以下步骤：

S1：所述电池管理***发送指令，断开所述开关K1和所述开关K2，并通过模数转换器采集电压V0；

S2：所述电池管理***发送指令，闭合所述开关K1并断开所述开关K2，通过模数转换器采集电压V1；

S3：所述电池管理***发送指令，断开所述开关K1并闭合所述开关K2，通过模数转换器采集电压V2；

S4：结合所述电压V0、所述电压V1和所述电压V2计算出所述绝缘电阻RP和所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗；

S5：当所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗满足预设第一报警条件和/或所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗满足预设第二报警条件，则发出报警信号。

其中，所述电池管理***通过所述模数转换器和所述电阻R4的另一端连接。

具体地，预设第一报警条件对应于发生绝缘性能下降时，所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗，预设第二报警条件对应于发生绝缘性能下降时，所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

本发明实施例中的低成本绝缘检测方法，是一个低成本、高精度的电池***绝缘检测方案，以下详细说明其采用的技术方案：

第一步，总压(Vbat)测量：

BMS发送指令断开开关K1和开关K2；

BMS通过ADC(Analog-to-digital converter、模数转换器)口采集A点的(见附图1)的电压为：V0

BMS通过公式(1)计算得到Vbat电压：

第二步，BMS发送指令闭合开关K1(如附图3)，开关K2保持断开；

第三步，BMS通过ADC口采集A点(如附图3)的电压为：V1

如附图4是该状态下的等效电路；

此时电路回路的总电阻为：

此时流经总电阻的电流为：

此时B点对BGND的电压Vm1为：

则理论上A点电压V1应该为：

将公式(1～4)带入公式(5)得到V1关于Rp和Rn的关系式为：

第四步，BMS发送指令断开开关K1(如附图5)，同时闭合开关K2；

第五步，BMS通过ADC口采集A点(如附图5)的电压为：V2

如附图6为该状态下的等效电路；

此时电路回路的总电阻为：

此时流经总电阻的电流为：

此时B点对BGND的电压Vm2为：

则理论上A点电压V2应该为：

将公式(1)和公式(7～9)带入公式(10)得到V1关于Rp和Rn的关系式为：

第六步，结合公式(6)和公式(11)计算出绝缘电阻Rn和Rp。

Rp(R1,R2,R3,R4,V1,V2,V0)

Rn(R1,R2,R3,R4,V1,V2,V0)

以上所有相关参数都是已知值。

本发明实施例中的低成本绝缘检测方法，能够有效降低绝缘电阻检测的成本，提高了使用高压***的安全性，应用范围广，用户体验度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低成本绝缘检测电路，其特征在于，包括绝缘电阻RP、绝缘电阻RN、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关K1、开关K2和电池管理***；所述绝缘电阻RP的一端分别连接外部的电池组的正极与所述电阻R1的一端，所述绝缘电阻RP的另一端接地，所述绝缘电阻RN的一端分别连接外部的电池组的负极与所述电阻R4的一端，所述绝缘电阻RN的另一端接地，所述电阻R1的另一端分别连接所述电阻R2的一端与所述开关K1的一端，所述开关K1的另一端接地，所述电阻R2的另一端分别连接所述电阻R3的一端与所述开关K2的一端，所述开关K2的另一端接地，所述电阻R3的另一端分别连接所述电阻R4的另一端与所述电池管理***；其中，所述绝缘电阻RP为外部的电池组的正极对地的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN为外部的电池组的负极对地的绝缘电阻，所述电池管理***通过控制所述开关K1和所述开关K2的通断，对所述绝缘电阻RP和所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗进行检测。

2.根据权利要求1所述的低成本绝缘检测电路，其特征在于，所述电池组应用于电动汽车电池高压***或储能电池高压***。

3.根据权利要求2所述的低成本绝缘检测电路，其特征在于：

当所述电池组应用于电动汽车电池高压***时，所述绝缘电阻RP表示所述电池组正极母线高压对电动汽车底盘的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN表示所述电池组负极母线高压对电动汽车底盘的绝缘电阻；

当所述电池组应用于储能电池高压***时，所述绝缘电阻RP表示所述电池组正极母线高压对储能***地的绝缘电阻，所述绝缘电阻RN表示所述电池组负极母线高压对储能***地的绝缘电阻。

4.一种低成本绝缘检测方法，应用于权利要求1-3中任一项所述的低成本绝缘检测电路，其特征在于，包括以下步骤：

S1：所述电池管理***发送指令，断开所述开关K1和所述开关K2，并通过模数转换器采集电阻R3和电阻R4之间的电压V0；

S2：所述电池管理***发送指令，闭合所述开关K1并断开所述开关K2，通过模数转换器采集电阻R3和电阻R4之间的电压V1；

S3：所述电池管理***发送指令，断开所述开关K1并闭合所述开关K2，通过模数转换器采集电阻R3和电阻R4之间的电压V2；

S4：结合所述电压V0、所述电压V1和所述电压V2计算出所述绝缘电阻RP和所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗；

其中，所述电池管理***通过所述模数转换器和所述电阻R4的另一端连接。

5.根据权利要求4所述的低成本绝缘检测方法，其特征在于，通过所述电压V0计算电池组总压Vbat，计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗。

6.根据权利要求5所述的低成本绝缘检测方法，其特征在于，所述电压V1的计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，Vbat为电池组总压，Rp为所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

7.根据权利要求5所述的低成本绝缘检测方法，其特征在于，所述电压V2的计算公式具体为：

其中，R1、R2、R3和R4分别为所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，Vbat为电池组总压，Rp为所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

8.根据权利要求4所述的低成本绝缘检测方法，其特征在于，所述S4之后，还包括：

S5：当所述绝缘电阻RP的绝缘阻抗满足预设第一报警条件和/或所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗满足预设第二报警条件，则发出报警信号。

9.根据权利要求4所述的低成本绝缘检测方法，其特征在于，所述闭合所述开关K1并断开所述开关K2时，所述开关K1处对地的电压为Vm1，计算公式具体为：

其中，R2、R3和R4分别为所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，I1为流经电路回路总电阻的电流，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。

10.根据权利要求4所述的低成本绝缘检测方法，其特征在于，所述断开所述开关K1并闭合所述开关K2时，所述开关K2处对地的电压为Vm2，计算公式具体为：

其中，R3和R4分别为所述电阻R3和所述电阻R4的阻抗，I2为流经电路回路总电阻的电流，Rn为所述绝缘电阻RN的绝缘阻抗。