CN108398644B

CN108398644B - 一种纯电动汽车动力电池绝缘检测系统及方法

Info

Publication number: CN108398644B
Application number: CN201810090788.8A
Authority: CN
Inventors: 彭富明; 刘翔皓; 沈泽武; 陈奕夫; 刘宗哲
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: CN108398644A

Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车动力电池绝缘检测系统及方法。该系统包括双平衡电桥单元，用于检测漏电电流，判断电桥的平衡状态，并将漏电电流传输给绝缘检测处理单元；电压转换单元，用于采集电池正负极对地电压，进行降压处理，并将低压信号传输给绝缘检测处理单元；绝缘检测处理单元，用于根据漏电电流，启动绝缘故障检测，通过控制双平衡电桥单元控制开关通断，获取不平衡电流，结合低压信号，计算绝缘电阻阻值，并将计算结果传输给整车控制器和声光报警单元；声光报警单元，用于警示驾驶人员汽车电池是否出现绝缘故障。本发明没有检测死区，检测精度高，检测速度快、系统的安全性和稳定性好。

Description

一种纯电动汽车动力电池绝缘检测系统及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车动力电池，具体涉及一种电动汽车动力电池绝缘检测系统及其检测方法。

背景技术

现在电动汽车电池组的电压通常都在200V上，许多车型已经超过300V，这样的高压显然已经远远超过人体所能承受的安全范围。在纯电动汽车的日常使用过程中，高压电缆的老化或受潮都可能会引起动力电池正、负极引线与汽车底盘形成漏电回路，使底盘电位上升，严重危及乘客的人身安全，并且可能导致低压电气和整车控制器无法正常工作。因此，对电动汽车动力电池进行绝缘性检测具有重要意义。

动力电池正、负母线对地绝缘电阻的大小是衡量纯电动汽车绝缘状况的重要标志，对动力电池的绝缘状况进行检测实际是对电池正、负母线对地绝缘电阻的大小进行测量。国内外绝缘电阻的检测方法有很多，比较传统的一种方法是平衡电桥检测法。该方法利用采样电阻构成一组平衡电桥，利用电桥失衡进行故障检测。这种方法的主要缺点在于系统精度不够高，当正、负极绝缘性能同时降低时，此时电桥可能仍然保持平衡，不能够及时报警，即系统存在检测死区。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纯电动汽车动力电池绝缘检测系统及其方法，测量精度高，操作方便安全。

本发明具体采用如下技术方案：一种纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，包括双平衡电桥单元、电压转换单元、绝缘检测处理单元和声光报警单元，其中：

双平衡电桥单元，用于检测漏电电流，判断电桥的平衡状态，并将漏电电流传输给绝缘检测处理单元；

电压转换单元，用于采集电池正负极对地电压，进行降压处理，并将低压信号传输给绝缘检测处理单元；

绝缘检测处理单元，用于根据漏电电流，启动绝缘故障检测，通过控制双平衡电桥单元控制开关通断，获取不平衡电流，结合低压信号，计算绝缘电阻阻值，并将计算结果传输给整车控制器和声光报警单元；

声光报警单元，用于警示驾驶人员汽车电池是否出现绝缘故障。

所述系统的动力电池绝缘检测方法，包括如下步骤：

步骤1、双平衡电桥单元检测两个电流传感器的电流值，判断电桥的平衡状态，若平衡，则表示汽车安全，继续监测电桥；否则转至步骤2；

步骤2、绝缘检测处理单元将两个电流传感器的电流值与系统设定值比较，若小于设定值，则提醒驾驶人员注意，并转至步骤1继续监测电桥，否则，转至步骤3，启动绝缘故障检测程序；

步骤3、绝缘检测处理单元控制双平衡电桥单元闭合K₁，断开K₂、K₃，并采集两个电流传感器参数i_s1、i_s2，反馈给绝缘检测处理单元；

步骤4、绝缘检测处理单元控制双平衡电桥单元断开K₁，闭合K₂、K₃，并采集两个电流传感器参数i′_s1、i′_s2，反馈给绝缘检测处理单元；

步骤5、电压转换单元采集电池正负极对地电压，并进行降压处理，得到电压参数U₁、U₂，传递给绝缘检测处理单元；

步骤6、绝缘检测处理单元根据采集的电流和电压数据，计算绝缘电阻值，并判断绝缘状况是否满足要求，若满足要求，则提醒驾驶人员注意，否则转至步骤7；

步骤7、声光报警单元警示驾驶人员汽车电池出现绝缘故障，整车控制器限制汽车其他部件工作。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明检测电路采用模块化设计，结构简单，便于操作人员的安装、调试、维修；2)本发明通过高效的处理器控制开关的通断，提高了系统的安全性，稳定性；3)本发明通过双平衡电桥，没有检测死区，在电池空载的情况下仍可以进行有效检测，检测精度高，检测速度快。

附图说明

图1是本发明绝缘检测系统的结构框图。

图2是本发明双平衡电桥单元的电路结构图。

图3是本发明降压单元的电路结构图。

图4是本发明极性转换降压单元的电路结构图。

图5是本发明绝缘故障检测方法的流程图。

图6是本发明闭合K₁，断开K₂、K₃的等效电路结构图。

图7是本发明断开K₁，闭合K₂、K₃的等效电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

纯电动汽车的动力电池是由多节单体电池构成。根据纯电动汽车的动力性和经济性所需，采用合适的串并联方式，可以使动力电池达到汽车所需要的电压和电池容量。在动力电池正负极均连接有绝缘电阻，检测系统和方法即用来检测动力电池正极和负极对车身地的等效绝缘电阻，取其中较小的作为最终的绝缘电阻值。

如图1所示，纯电动汽车动力电池绝缘检测系统采用模块化设计，包括双平衡电桥单元、电压转换单元、绝缘检测处理单元和声光报警单元，其中：

下面详细介绍部分模块的电路结构。

1、双平衡电桥单元

如图2所示，所述双平衡电桥单元包括第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂、第三采样电阻R₃、第一控制开关K₁、第二控制开关K₂、第三控制开关K₃、第一电流传感器S₁、第二电流传感器S₂、第一待测绝缘电阻R_p(动力电池正极对车身地的等效绝缘电阻)和第二待测绝缘电阻R_n(动力电池负极对车身地的等效绝缘电阻)，其中第一采样电阻R₁经第一控制开关K₁、第二控制开关K₂、第二采样电阻R₂、第三采样电阻R₃、第三控制开关K₃与第三采样电阻R₃串联，形成第一支路，第一待测绝缘电阻R_p与第二待测绝缘电阻R_n串联，形成第二支路，所述第一支路和第二支路并联在动力电池两极，第一待测绝缘电阻R_p与第二待测绝缘电阻R_n的连接点与车身地相连，在第一待测绝缘电阻R_p与第二待测绝缘电阻R_n的连接点与第一控制开关K₁和第二控制开关K₂的连接点之间连接第一电流传感器S₁，在第一待测绝缘电阻R_p与第二待测绝缘电阻R_n的连接点与第三控制开关K₃和第三采样电阻R₃的连接点之间连接第二电流传感器S₂，所述第一电流传感器S₁和第二电流传感器S₂的输出端连接绝缘检测处理单元。

正常情况下，控制开关均闭合，采样电阻和待测绝缘电阻即组成两组电桥。第一组平衡电桥包括采样电阻R₁、R₂+R₃、待测绝缘电阻R_p、R_n，控制开关K₁、K₂、K₃以及电流传感器S₁。第二组平衡电桥包括采样电阻R₁+R₂、R₃、待测绝缘电阻R_p、R_n，控制开关K₁、K₂、K₃以及电流传感器S₂。两个电流传感器分别位于两组电桥的对角线上，负责判断电桥是否平衡，如果不平衡，则将漏电电流参数传送给绝缘检测处理单元，通过与系统设定值的比较，判断是否需要启动系统绝缘故障检测程序。本发明第一控制开关K₁、第二控制开关K₂、第三控制开关K₃采用继电器实现。

3个采样电阻的取值会影响母线对地电压的偏移和检测的灵敏度，采样电阻取值越高，检测灵敏度越高，但会导致电压偏移量越大，容易引起系统的误动作，因此，为了保证检测灵敏度和系统的正常运行，作为一种优选的实施方式，本发明采样电阻满足2R₁＝2R₂＝R₃，其具体取值的确定，需考虑绝缘电阻以及有效合理的电压偏移率和检测灵敏度。

电流传感器采用非接触式的测量，霍尔传感器是一种磁场传感器，具有精度高、响应快、线性度好、抗干扰能力强的特点，适用于直流系统的电流检测，因而也适用于动力电池的绝缘检测系统中，漏电电流的测量精度直接决定了绝缘电阻的检测精度。因此，作为一种优选的实施方式，本发明中选择性能较好、精度较高的霍尔电流传感器。

2、电压转换单元

电压转换单元包括连接电池正极的降压单元和连接电池负极的极性转换降压单元。

如图3所示，降压单元包括第四电阻R₄、第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第九电阻R₉、第十电阻R₁₀、第十一电阻R₁₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一运算放大器A和第二运算放大器B，其中，第四电阻R₄和第五电阻R₅串联，R₄端接地，R₅端连接第一运算放大器A的负输入端，第一运算放大器A的负输入端通过第六电阻R₆连接第一运算放大器A输出端；第七电阻R₇和第八电阻R₈串联，R₇端连接电池正极，R₈端连接第一运算放大器A的正输入端；第一运算放大器A输出端通过第十电阻R₁₀连接第二运算放大器B的正向输入端，第二运算放大器B的负向输入端通过第十一电阻R₁₁连接第二运算放大器B的输出端，第二运算放大器B的输出端连接绝缘检测处理单元；第九电阻R₉一端接地，另一端连接第一运算放大器A的正输入端；第一二极管D₁、第二二极管D₂串联，D₁正极连接-VCC，D₂负极连接+VCC，两者之间引线连接至R₄、R₅之间；第三二极管D₃、第四二极管D₄串联，D₃正极连接-VCC，D₄负极连接+VCC，两者之间引线连接至R₇、R₈之间。作为一种优选的实施方式，R₄、R₅、R₇、R₈均为5MΩ，R₆、R₉均为0.5MΩ，R₁₀、R₁₁均为200KΩ。

运放A与其外围电阻构成了差分运算放大电路，通过外围电阻来调节电路的降压比例，运放B是一个电压跟随器，R₁₀是输入降压电阻，R₁₁是反馈电阻。运放B的输出连接绝缘检测处理单元进行数据存储。如果电池正极电压为U₊，处理单元电压采集端的电压为U₁，则二者满足

如图4所示，极性转换降压单元与降压单元电路结构一致，区别只在于R₄连接电池负极，R₇接地。运放B的输出连接绝缘检测处理单元的另一个引脚，进行数据存储。

如果电池负极电压为U_-，处理单元电压采集端的电压为U₂，则二者满足

3、绝缘检测处理单元

绝缘检测处理单元通过发送控制信号，控制K₁、K₂、K₃的通断，本发明实现两次通断操作，第一次闭合K₁，断开K₂、K₃，第二次断开K₁，闭合K₂、K₃，实现对电流传感器的两次电流采集。所述绝缘检测处理单元以微处理器或ARM处理器为核心，配置好其外围辅助电路，作为一种优选的实施方式，本发明选择32位的MCU。

绝缘检测处理单元必须遵循与整车控制器VCU一致的通讯CAN协议，保证在出现绝缘故障时，绝缘检测处理单元在触发声光报警单元的同时，与VCU通讯，使其限制纯电动汽车其他部件的工作，直至驾驶人员对故障做出处理。

本系统通过高精度电流传感器和合理的电压处理单元高效采集了电压、电流参数，做出精确计算，判断动力电池的绝缘性能。通过双平衡电桥可以消除平衡电桥法存在检测死区的缺陷，通过高效的处理器控制开关的通断，可以提高系统的安全性和稳定性，并可以及时有效地做出处理。

下面详细介绍利用上述系统的纯电动汽车动力电池绝缘检测方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤2、绝缘检测处理单元将两个电流传感器的电流值与系统设定值比较，若小于设定值，则系统默认只是出现轻微变化，不影响人身、车身安全，只是提醒驾驶人员注意，并转至步骤1继续监测电桥，否则，表示出现绝缘故障，转至步骤3，启动绝缘故障检测程序。

步骤3、绝缘检测处理单元控制双平衡电桥单元闭合K₁，断开K₂、K₃，并采集两个电流传感器参数i_s1、i_s2，反馈给绝缘检测处理单元。

图6所示即为此时系统状态，待测绝缘电阻R_p与第一采样电阻R₁并联，两者之间连接电流传感器S₁，待测绝缘电阻R_n与第三采样电阻R₃并联，两者之间连接电流传感器S₂，S₁、S₂测量的电流值分别为i_s1、i_s2，可以得到如下关系：

其中，i₁表示此时从电池正极流经待测绝缘电阻R_P的电流，i₂表示从待测绝缘电阻R_n流向电池负极的电流，消去电流i₁、i₂，即得到

步骤4、绝缘检测处理单元控制双平衡电桥单元断开K₁，闭合K₂、K₃，并采集两个电流传感器参数i_s′₁、i_s′₂，反馈给绝缘检测处理单元；

图7所示即为此时电路状态，采样电阻R₂、R₃串联，之后与待测绝缘电阻R_n并联，最后与待测绝缘电阻R_p并联，电流传感器S₁、S₂测量的电流值分别为i_s′₁、i_s′₂。

与电池正极相连的降压单元，将电池正极的对地电压U₊经过降压处理后得到U₁，与电池负极相连的极性转换降压单元，将电池负极的对地电压U_-经过极性转换和电压处理得到U₂，结合步骤4和步骤5的参数，可得如下关系：

其中，i′₁表示此时从电池正极流经待测绝缘电阻R_P的电流，i′₂表示从待测绝缘电阻R_n流向电池负极的电流，U表示电池正负极之间的电压，X表示第二次断开K₁，闭合K₂、K₃时两个电流传感器之间的电流差值，Y表示加载在待测绝缘电阻R_n上的电压。所述参数都可以通过检测系统检测出的数据通过计算后求得，同样消去电流i＇₁、i＇₂，得到

步骤6、绝缘检测处理单元根据采集的电流和电压数据，计算绝缘电阻值，并判断绝缘状况是否满足要求，若满足要求，则提醒驾驶人员注意，否则转至步骤7，其中待测绝缘电阻计算公式为：

取两者中较小的值作为最终检测结果，即得绝缘电阻值。

本发明检测方法步骤简单高效，系统数据采集时间短，处理速度快，有效避免出现检测死区的情况，并预留合适的容错空间，当系统只是轻微变化时不会立刻触发故障检测程序，计算出两个绝缘电阻的阻值可有效防止误判的情况发生，有效的提高了系统的绝缘检测精度。

Claims

1.一种纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，其特征在于，包括双平衡电桥单元、电压转换单元、绝缘检测处理单元和声光报警单元，其中：

声光报警单元，用于警示驾驶人员电池是否出现绝缘故障；

所述双平衡电桥单元包括第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂、第三采样电阻R₃、第一控制开关K₁、第二控制开关K₂、第三控制开关K₃、第一电流传感器S₁、第二电流传感器S₂、第一待测绝缘电阻R_p和第二待测绝缘电阻R_n，其中第一采样电阻R₁经第一控制开关K₁、第二控制开关K₂、第二采样电阻R₂、第三控制开关K₃与第三采样电阻R₃串联，形成第一支路，第一待测绝缘电阻R_p与第二待测绝缘电阻R_n串联，形成第二支路，所述第一支路和第二支路并联在电池两极，第一待测绝缘电阻R_p与第二待测绝缘电阻R_n的连接点与车身地相连，在第一待测绝缘电阻R_p与第二待测绝缘电阻R_n的连接点与第一控制开关K₁和第二控制开关K₂的连接点之间连接第一电流传感器S₁，在第一待测绝缘电阻R_p与第二待测绝缘电阻R_n的连接点与第三控制开关K₃和第三采样电阻R₃的连接点之间连接第二电流传感器S₂，所述第一电流传感器S₁和第二电流传感器S₂的输出端连接绝缘检测处理单元。

2.根据权利要求1所述的纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，其特征在于，所述第一控制开关K₁、第二控制开关K₂、第三控制开关K₃采用继电器。

3.根据权利要求1所述的纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，其特征在于，所述第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂、第三采样电阻R₃满足如下关系：

2R₁＝2R₂＝R₃。

4.根据权利要求1所述的纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，其特征在于，所述第一电流传感器S₁、第二电流传感器S₂采用霍尔电流传感器。

5.根据权利要求1所述的纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，其特征在于，所述电压转换单元包括连接电池正极的降压单元和连接电池负极的极性转换降压单元。

6.根据权利要求5所述的纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，其特征在于，所述连接电池正极的降压单元包括第四电阻R₄、第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第九电阻R₉、第十电阻R₁₀、第十一电阻R₁₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一运算放大器A和第二运算放大器B，其中，第四电阻R₄和第五电阻R₅串联，R₄端接地，R₅端连接第一运算放大器A的负输入端，第一运算放大器A的负输入端通过第六电阻R₆连接第一运算放大器A输出端；第七电阻R₇和第八电阻R₈串联，R₇端连接电池正极，R₈端连接第一运算放大器A的正输入端；第一运算放大器A输出端通过第十电阻R₁₀连接第二运算放大器B的正向输入端，第二运算放大器B的负向输入端通过第十一电阻R₁₁连接第二运算放大器B的输出端，第二运算放大器B的输出端连接绝缘检测处理单元；第九电阻R₉一端接地，另一端连接第一运算放大器A的正输入端；第一二极管D₁、第二二极管D₂串联，D₁正极连接-VCC，D₂负极连接+VCC，两者之间引线连接至R₄、R₅之间；第三二极管D₃、第四二极管D₄串联，D₃正极连接-VCC，D₄负极连接+VCC，两者之间引线连接至R₇、R₈之间。

7.根据权利要求6所述的纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，其特征在于，所述第四电阻R₄、第五电阻R₅、第七电阻R₇和第八电阻R₈均为5MΩ，所述第六电阻R₆和第九电阻R₉均为0.5MΩ，所述第十电阻R₁₀和第十一电阻R₁₁均为200KΩ。

8.基于权利要求1-7任意一项所述系统的动力电池绝缘检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤7、声光报警单元警示驾驶人员电池出现绝缘故障，整车控制器限制汽车其他部件工作。

9.根据权利要求8所述的动力电池绝缘检测方法，其特征在于，步骤6计算绝缘电阻值的具体方法为：

计算电池正、负极对车身地的等效绝缘电阻：

式中，R_p是电池正极对车身地的等效绝缘电阻、R_n是电池负极对车身地的等效绝缘电阻，R₁、R₂、R₃分别为双平衡电桥单元第一采样电阻、第二采样电阻、第三采样电阻的阻值，U＝U₁-U₂表示电池电压，X＝i′_s1-i′_s2，Y＝R₂i′_s1+R₃(i′_s1+i′_s2)，取R_p、R_n两者中较小的值作为最终检测结果，即得绝缘电阻值。