CN103250061B - 具有自检功能的不产生泄漏电流的绝缘电阻测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绝缘电阻测量电路，其包括：源电阻单元、电压检测单元、泄漏电流中断单元、测量电路检测单元和绝缘电阻测量单元；源电阻单元包括：连接至绝缘电阻测量电池的正端子的第一源电阻单元，以及连接至绝缘电阻测量电池的负端子和第一源电阻单元的第二源电阻单元；电压检测单元包括：检测作为第一电压的第一源电阻单元的电压的第一运算放大器，以及检测作为第二电压的第二源电阻单元的电压的第二运算放大器；泄漏电流中断单元包括：连接至绝缘电阻测量电池的正端子和第一源电阻单元的第一开关，以及连接至绝缘电阻测量电池的负端子和第二源电阻单元的第二开关；测量电路检测单元包括：连接至第一运算放大器和第一电压源的第三开关，以及连接至第二运算放大器和第二电压源的第四开关；绝缘电阻测量单元通过第一和第二电压，测量绝缘电阻测量电池的绝缘电阻。

Description

具有自检功能的不产生泄漏电流的绝缘电阻测量电路

技术领域

本发明涉及一种绝缘电阻测量电路，且更具体地，涉及绝缘电阻测量电路，其中，控制第一和第二开关的开和关，以使得在测量绝缘电阻的过程中不会产生泄漏电流，而且在断开第一和第二开关且闭合第三和第四开关之后，测量通过第一和第二运算放大器输出的电压，以用于绝缘电阻测量电路的自检。

背景技术

使用高电压电池的混合动力车辆具有用于在紧急情况下自动切断主高电压电池的功率的系统。紧急情况是指由于相关组件失效引起的过度短路、因介质击穿等由组件故障的短暂阻塞而引起的过度短路以及外部冲击、介质击穿等。

在车辆的紧急状态下，用于控制例如电池管理系统(BMS)、混合动力控制器(HCU)等高压组件的上位组件发出用于切断主电源的命令，从而调节功率。对于高压相关组件，通过一系列程序或传感器监测与电源连接的线路的电压和电流，且当检测到电压和电流未在正常范围、存在大于允许值的泄漏电流时，或当存在大于允许值的绝缘电阻击穿等情况时，通过CAN通信或信号传输切断主电源。

在这种方式中，在使用高压电池的混合动力车辆中，对绝缘电阻的测量非常重要。用于测量高压电池与混合动力车辆之间的泄漏电流的其中一个方法是使绝缘失效且强制产生DC电流，但该方法的缺点在于，在测量绝缘电阻的同时绝缘也失效了。

因此，为解决该问题，在高压电池与混合动力车辆之间连接耦合电容器，且AC信号被施加至该耦合电容器，从而测量绝缘电阻组件。然而，该方法的缺点在于，由于该耦合电容器的充电电流和该耦合电 容器的放电电流必须通过同一电路，对电路设计造成诸多限制。

因此，需要开发一种体积小、重量轻并且价格低的绝缘电阻测量电路，该电路能够简单且准确地测量混合动力车辆的底盘接地与高电压电池之间的绝缘电阻。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的一个目的是提供一种绝缘电阻测量电路，其中，控制第一和第二开关的开、关，使得在测量绝缘电阻的过程中不会产生泄漏电流，而且在断开第一和第二开关且闭合第三和第四开关之后，测量通过第一和第二运算放大器输出的电压，用于绝缘电阻测量电路的自检。因此，在以更简单的方式测量绝缘电阻的过程中不会产生泄漏电流，并且可由绝缘电阻测量电路自身检查绝缘电阻传感部件。

技术方案

一方面，绝缘电阻测量电路包括源电阻单元、电压检测单元、泄漏电流中断单元、测量电路检测单元和绝缘电阻测量单元。源电阻单元包括：第一源电阻单元，其连接至绝缘电阻测量电池的正端子；以及，第二源电阻单元，其连接至绝缘电阻测量电池的负端子和第一源电阻单元。电压检测单元包括：第一运算放大器，其检测作为第一电压的第一源电阻单元的电压，以及第二运算放大器，其检测作为第二电压的第二源电阻单元的电压。泄漏电流中断单元包括：第一开关，其连接至绝缘电阻测量电池的正端子和第一源电阻单元；以及，第二开关，其连接至绝缘电阻测量电池的负端子和第二源电阻单元。测量电路检测单元包括：第三开关，其连接至第一运算放大器和第一电压源；以及，第四开关，其连接至第二运算放大器和第二电压源。绝缘电阻测量单元通过第一和第二电压来测量绝缘电阻测量电池的绝缘电阻。

第一运算放大器可通过非反相端子和反相端子连接至第一源电 阻单元，以检测作为第一电压的、被施加至第一源电阻单元的第一源电压，且通过输出端子输出该第一电压；第二运算放大器通过非反相端子和反相端子连接至所述第二源电阻单元，以检测作为第二电压的、被施加至第二源电阻单元的第二源电压，且通过输出端子输出该第二电压。

当绝缘电阻测量电池的正电极失效时，泄漏电流中断单元断开第一开关，从而防止电流流至第一源电阻单元；当绝缘电阻测量电池的负电极失效时，泄漏电流中断单元断开第二开关，从而防止电流流至第二源电阻单元。

当绝缘电阻测量电池的电压为V，绝缘电阻测量电池的绝缘电阻为Riso，第一和第二源电阻分别为R，且第二电压为V2时，当绝缘电阻测量电池的正电极失效时，测得的第二电压V2为，

$V2=\frac{R}{R_{\mathrm{iso}}+R}V.$

当绝缘电阻测量电池的电压为V，绝缘电阻测量电池的绝缘电阻为Riso，第一和第二源电阻分别为R，且第一电压为V1时，当绝缘电阻测量电池的负电极失效时，测得的第一电压V1为，

$V1=\frac{R}{R_{\mathrm{iso}}+R}V.$

测量电路检测单元断开第一和第二开关且闭合第三和第四开关，并测量第一和第二电压，从而确定第一和第二运算放大器是否具有错误。

所述绝缘电阻测量电池为混合动力车辆的高电压电池。

有益效果

根据本发明一个实施例的绝缘电阻测量电路可以获得的有益效果在于，控制第一和第二开关的开和关，使得在测量绝缘电阻的过程中不会产生泄漏电流，而且在断开第一和第二开关且闭合第三和第四 开关之后，测量通过第一和第二运算放大器输出的电压，以用于绝缘电阻测量电路的自检，因此，在以更简单的方式测量绝缘电阻的过程中不会产生泄漏电流，并且可由绝缘电阻测量电路自身检查绝缘电阻传感部件。

附图说明

通过下文中结合附图对优选实施例的描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加清楚，其中：

图1为根据本发明实施例的电路图，其示出了当绝缘电阻测量电池的正电极失效时绝缘电阻测量电路的连接。

图2为根据本发明实施例的电路图，其示出了当绝缘电阻测量电池的负电极失效时绝缘电阻测量电路的连接。

图3为根据本发明实施例的电路图，其示出了绝缘电阻测量电路在自检情况下的连接。

图4为示出了在根据本发明的实施例中，当绝缘电阻测量电池的绝缘电阻为无限大时的仿真结果的视图。

图5为示出了在根据本发明的实施例中，当绝缘电阻测量电池的负电极失效时的仿真结果的视图。

图6为示出了在根据本发明的实施例中，当绝缘电阻测量电池的正电极失效时的仿真结果的视图。

图7为示出了在根据本发明的实施例中，绝缘电阻测量电路在自检情况下的仿真结果的视图。

主要元件的具体描述

101：绝缘电阻测量电池

102：绝缘电阻单元

103：第一源电阻单元

104：第二源电阻单元

105：第一运算放大器

106：第二运算放大器

107：第一开关 

108：第二开关 

109：第三开关 

110：第四开关 

112：第一电压源 

113：第二电压源 

具体实施方式

下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。

图1至3为电路图，示出了根据本发明实施例的绝缘电阻测量电路的设置。

图1为根据本发明实施例的电路图，其示出了当绝缘电阻测量电池的正电极失效时绝缘电阻测量电路的连接。图2为根据本发明实施例的电路图，其示出了当绝缘电阻测量电池的负电极失效时绝缘电阻测量电路的连接。图3为根据本发明实施例的电路图，其示出了绝缘电阻测量电路在自检情况下的连接。

根据本发明实施例的绝缘电阻测量电路包括：绝缘电阻测量电池101、绝缘电阻单元102、源电阻单元103和104、电压检测单元105和106，泄漏电流中断单元107和108、测量电流检测单元109和110以及绝缘电阻测量单元(未示出)。

根据本发明的一个实施例，源电阻单元包括第一和第二源电阻103和104。电压检测单元包括第一和第二运算放大器105和106。泄漏电流中断单元包括第一和第二开关107和108。测量电路检测单元包括第三和第四开关109和110。

源电阻单元包括：第一源电阻单元103，其连接至绝缘电阻测量电池101的正端子和第二源电阻单元104；以及，第二源电阻单元104，其连接至绝缘电阻测量电池101的负端子和第一源电阻单元103。即， 第一源电阻单元103通过第一开关107连接至绝缘电阻测量电池101的正端子，第二源电阻单元104通过第二开关108连接至绝缘电阻测量电池101的负端子。第一和第二源电阻单元103和104可通过接地连接。

电压检测单元检测作为第一电压的第一源电阻单元103的电压，以及作为第二电压的第二源电阻单元104的电压。如上所述，电压检测单元包括第一运算放大器105和第二运算放大器106。

第一运算放大器105的非反相端子和反相端子可分别连接至第一源电阻单元103的两端。第一运算放大器105可检测作为第一电压被施加至第一源电阻单元103的第一源电压，且可通过输出端子输出检测到的第一电压。

第二运算放大器106的非反相端子和反相端子可分别连接至第二源电阻单元104的两端。第二运算放大器106可检测作为第二电压被施加至第二源电阻单元104的第二源电压，且可通过输出端子输出检测到的第二电压。

泄漏电流中断单元包括：第一开关107，其连接至绝缘电阻测量电池101的正端子和第一源电阻单元103；以及第二开关108，其连接至绝缘电阻测量电池101的负端子和第二源电阻单元104。

测量电路检测单元包括：第三开关109，其连接至第一运算放大器105和第一电压源112；以及，第四开关110，其连接至第二运算放大器106和第二电压源113。第三开关109可连接至第一运算放大器105的非反相端子，第四开关110可连接至第二运算放大器106的反相端子。 

绝缘电阻测量单元通过第一和第二电压对绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102进行测量。例如，绝缘电阻测量单元可包括微控制器。该微控制器接收第一和第二电压。该微控制器通过第一和第二电压，对绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102进行测量。这里 省略对其的描述。

根据本发明的一个实施例，当绝缘电阻测量电池101的正电极失效时，第一开关107断开，从而防止电流流至第一源电阻单元103；当绝缘电阻测量电池101的负电极失效时，第二开关108断开，从而防止电流流至第二源电阻单元104。通过该方式，在测量绝缘电阻过程中不会产生泄漏电流。

如图1和2所示，绝缘电阻测量电池101的电压为V，绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为Riso，第一和第二源电阻单元103和104中的每个电阻值为R，第一运算放大器105输出的第一电压为V1，第二运算放大器106输出的第二电压为V2。

当绝缘电阻测量电池101的正电极失效时，测得的第二电压V2由下述等式1表示。

$V2=\frac{R}{R_{\mathrm{iso}}+R}V---\left(1\right)$

当绝缘电阻测量电池101的负电极失效时，测得的第一电压V1由下述等式2表示。

$V1=\frac{R}{R_{\mathrm{iso}}+R}V---\left(2\right)$

根据本发明的一个实施例，在第一和第二开关107和108断开且第三和第四开关109和110闭合的状态下，测量第一和第二运算放大器105和106的输出电压，从而确定第一和第二运算放大器105和106是否具有误差。

如图3所示，第一和第二电压源112和113的电压值分别为Vt。

在自检情况下测量的第一电压由下述等式3表示。

V1＝Vt

                                      (3) 

在自检情况下测量的第二电压由下述等式4表示。

V2＝Vt

                                            (4) 

图4为示出根据本发明实施例中绝缘电阻测量电池的绝缘电阻为无限大时的仿真结果的视图。图5为示出根据本发明实施例的，当绝缘电阻测量电池的负电极失效时的仿真结果的视图。图6为示出根据本发明实施例中绝缘电阻测量电池的正电极失效时的仿真结果的视图。图7为示出根据本发明实施例中绝缘电阻测量电路在自检情况下的仿真结果的视图。

通过仿真程序PSIM可以确定绝缘电阻测量电路。

例如，假设绝缘电阻测量电池101的电压为273.6V，且绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为27.36KΩ。

如上所述，图4示出了当绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为无限大时，绝缘电阻单元102处于正常的、未失效的状态。在该状态下，如图4所示，第一和第二运算放大器105和106的输出电压分别接近0V。

如上所述，图5示出了当绝缘电阻测量电池101的负电极失效时，绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102被连接至绝缘电阻测量电池101的负端子的状态。

例如，当绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为27.36KΩ时，第一运算放大器105的输出电压为3.636V，且第二运算放大器106的输出电压接近0V。同样地，当绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为54.72KΩ时，第一运算放大器105的输出电压为3.431V，且第二运算放大器106的输出电压接近0V。同样地，当绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为82.08KΩ时，第一运算放大器105的输出电压为3.249V，且第二运算放大器106的输出电压接近0V。

如图5所示的仿真结果，当测量第一运算放大器105的输出电压并且其电压值不接近0V时，可认为绝缘电阻测量电池101的负电极 失效。

如上所述，图6示了出当绝缘电阻测量电池101的正电极失效时，绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102被连接至绝缘电阻测量电池101的正端子的情况。

例如，当绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为27.36KΩ时，第一运算放大器105的输出电压为接近0V，且第二运算放大器106的输出电压为3.636V。同样地，当绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为54.72KΩ时，第一运算放大器105的输出电压为接近0V，且第二运算放大器106的输出电压为3.431V。同样地，当绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102为82.08KΩ时，第一运算放大器105的输出电压为接近0V，且第二运算放大器106的输出电压为3.249V。

如图6所示的仿真结果，当测量第二运算放大器106的输出电压并且其电压值不接近0V时，可认为绝缘电阻测量电池101的正电极失效。

如图5和6所示的仿真结果，可以在五秒内检查绝缘电阻测量电池101的正电极和负电极的失效。

如上所述，在图7中，绝缘电阻测量电路执行自检，从而核查第一和第二运算放大器105和106是否检测到绝缘电阻测量电池101的绝缘电阻单元102。在此，如图7所示，第一和第二运算放大器105和106的输出电压分别为接近2.5V。

如图7所示的仿真结果，当测量第一和第二运算放大器105和106的输出电压，且其电压值不接近0V时，可以认为第一和第二运算放大器105和106具有误差。

如上所述，根据本发明的该实施例，控制第一和第二开关的开、关，使得在测量绝缘电阻的过程中不会产生泄漏电流，而且在断开第一和第二开关且闭合第三和第四开关之后，测量通过第一和第二运算 放大器输出的电压以用于绝缘电阻测量电路的自检，由此，在以更简单的方式测量绝缘电阻的过程中不会产生泄漏电流，并且可由绝缘电阻测量电路自身检查绝缘电阻传感部件。

尽管为了说明目的公开了本发明的示例性实施例，本领域技术人员应理解，在不脱离所附的权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。因此，本发明的范围不限制于所描述的实施例，而由所附的权利要求以及其等同方案限定。

Claims (7)

1.一种绝缘电阻测量电路，包括：

源电阻单元，包括：第一源电阻单元，其连接至绝缘电阻测量电池的正端子；以及第二源电阻单元，其连接至绝缘电阻测量电池的负端子和所述第一源电阻单元；

电压检测单元，包括：第一运算放大器，其检测作为第一电压的、所述第一源电阻单元的电压；以及，第二运算放大器，其检测作为第二电压的、所述第二源电阻单元的电压；

泄漏电流中断单元，包括：第一开关，其连接至所述绝缘电阻测量电池的正端子和所述第一源电阻单元；以及，第二开关，其连接至所述绝缘电阻测量电池的负端子和所述第二源电阻单元；

测量电路检测单元，包括：第三开关，其连接至所述第一运算放大器和第一电压源；以及，第四开关，其连接至第二运算放大器和第二电压源；以及

绝缘电阻测量单元，其通过所述第一和第二电压来测量所述绝缘电阻测量电池的绝缘电阻。

2.如权利要求1所述的绝缘电阻测量电路，其特征在于，所述第一运算放大器通过非反相端子和反相端子连接至所述第一源电阻单元，以检测作为第一电压的、被施加至所述第一源电阻单元的第一源电压，且通过输出端子输出所述第一电压；所述第二运算放大器通过非反相端子和反相端子连接至所述第二源电阻单元，以检测作为第二电压的、被施加至所述第二源电阻单元的第二源电压，且通过输出端子输出所述第二电压。

3.如权利要求1所述的绝缘电阻测量电路，其特征在于，当所述绝缘电阻测量电池的正电极失效时，所述泄漏电流中断单元断开所述第一开关，从而防止电流流至所述第一源电阻单元；当所述绝缘电阻测量电池的负电极失效时，所述泄漏电流中断单元断开所述第二开关，从而防止电流流至所述第二源电阻单元。

4.如权利要求1所述的绝缘电阻测量电路，其特征在于，当所述绝缘电阻测量电池的电压为V、所述绝缘电阻测量电池的绝缘电阻为Riso、所述第一和第二源电阻分别为R并且所述第二电压为V2时，如果所述绝缘电阻测量电池的正电极失效，则测得的所述第二电压V2为，

$V2=\frac{R}{R_{\mathrm{iso}}+R}V.$

5.如权利要求1所述的绝缘电阻测量电路，其特征在于，当所述绝缘电阻测量电池的电压为V、所述绝缘电阻测量电池的绝缘电阻为Riso、所述第一和第二源电阻分别为R并且所述第一电压为V1时，如果所述绝缘电阻测量电池的负电极失效，则测得的所述第一电压V1为，

$V1=\frac{R}{R_{\mathrm{iso}}+R}V.$

6.如权利要求1所述的绝缘电阻测量电路，其特征在于，所述测量电路检测单元断开所述第一和第二开关且闭合所述第三和第四开关，并测量所述第一和第二电压，从而确定所述第一和第二运算放大器是否具有误差。

7.如权利要求1所述的绝缘电阻测量电路，其特征在于，所述绝缘电阻测量电池为混合动力车辆的高压电池。