一种电动汽车动力电池双边绝缘电阻监测装置的制作方法

本发明涉及动力电池绝缘电阻的监测技术领域，特别是涉及一种能够检测纯电动汽车、燃料电动汽车、混合动力汽车、微电网、有轨电车等的直流高压系统的绝缘电阻的监测装置与方法。

背景技术：

一般电动汽车的动力电池的电压都在数百伏以上，由很多电池单体串并联组成，因此电池组与车体之间的绝缘性凸显的尤为重要。同时，由于电池组使用环境和工况比较复杂，常常容易受到外界环境的影响，如温度、湿度、车体振动、大电流充放电等等，这些因素都会加快绝缘材料的老化，降低电池组的绝缘性能。因此绝缘检测技术在电动汽车应用中得到了广泛的研究。

目前，已有的绝缘检测方法有平衡电桥法、非平衡电桥法、电流传感器法、直流高压注入法等。

⑴平衡电桥法：

该方法检测精度较高，但是要求电路精准度高，电路设计较为困难，并且对于正负极绝缘电阻同时下降时无法准确的检测出来。

⑵非平衡电桥法：

该方法利用电阻分压原理，构建方程组求解绝缘电阻，但是由于车辆在行驶的过程中电池的端电压是不断变化的，这样会导致计算结果不够精准。

⑶电流传感器法：

该方法利用电流传感器检测系统泄漏电流，但是要求系统一直处于工作的状态下，在实际的应用中有一定的局限性。

⑷直流高压注入法：

直流高压注入法能够有效抑制整车电磁干扰对检测系统的影响，且能解决电池内部开路故障导致绝缘电阻无法检测等问题，但频繁注入高压不利于电池的安全。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电动汽车动力电池双边绝缘电阻监测装置，用于监测电动汽车动力电池的绝缘电阻情况。

本发明所采用的技术方案是：一种电动汽车动力电池双边绝缘电阻监测装置，硬件电路包含单片机最小系统，推挽电路，信号注入电路，反馈信号采集电路，滤波电路，信号抬升电路，加法电路，显示电路，通信电路，系统电源电路，报警电路；单片机最小系统作为系统控制单元，单片机pwm输出口接至推挽电路输入端，通过推挽电路将单片机产生的pwm方波信号转换为注入信号，再通过注入电路注入到检测回路中，反馈信号采集电路实现反馈电阻端电压采样功能，反馈信号采集电路输出端接至滤波电路输入端，由滤波电路完成对反馈信号的滤波，滤波电路的输出端和信号抬升电路输出端接至加法电路输入端，实现小反馈信号抬升功能，加法电路输出端接至单片机ad口，显示电路实时显示动力电池端电压和绝缘电阻阻值，通信电路实时对外传输检测结果，系统电源电路为整个检测系统提供电源，根据系统的绝缘故障情况报警电路做出相应的指示；采用低频信号注入的方法，通过注入电路将低频信号注入到汽车底盘上，低频信号经过绝缘电阻、限流电阻、反馈电阻、低频信号源构成回路，在反馈电阻上形成分压；加法电路将经过滤波电路的反馈信号和信号抬升电路产生的抬升信号相加，实现小信号抬升的功能，这样可以提高ad采样精度。

进一步地，注入信号由单片机和推挽电路共同实现，通过设置单片机pwm寄存器，控制单片机输出频率为0.1hz，占空比为50％的方波信号，再通过推挽电路产生同频率同占空比±20v的方波信号，其中±20v电压由相应的电源电路产生。

进一步地，检测回路中接有光耦器件，需要信号采集时，单片机输出对应的控制信号，光耦导通，单片机完成信号采样；不需要信号采样时光耦关闭，这样可以解决限流电阻发热问题，从而提高系统检测精度。

进一步地，滤波电路主要实现对反馈信号的滤波，反馈信号依次经过二阶滤波器和一阶rc低通滤波器，滤波后的信号传输至加法电路的输入端。

进一步地，通过信号抬升电路和加法电路可以实现对反馈信号的抬升，将小信号或负信号抬升至合理范围内(如4v左右)，有利于提高ad采样精度。

进一步地，信号抬升电路运放的同相输入端经过电阻分压接入固定电平(如3.5v)，单片机的pwm输出口经过一阶rc低通滤波电路接至信号抬升电路运放反向输入端，通过调节pwm占空比，运放输出端产生抬升电压，信号抬升电路的输出端再接至加法电路输入端。

进一步地，加法电路的输入端的两个信号分别为经过滤波后的反馈信号和抬升信号，这样可以将小的反馈信号(如毫伏级)或负反馈信号抬升至合理的电压范围内。

进一步地，信号抬升原理：为了将反馈信号抬升至合理的电压范围，首先单片机需要对反馈信号进行预采集，此时采样精度要求不高，再根据采样的情况，通过比对信号抬升表确定pwm占空比，控制单片机输出pwm抬升信号，经过信号抬升电路实现信号抬升。

进一步地，信号抬升表是在系统初试化阶段完成的，pwm占空比从0逐次增加到100％，增加幅度为5％，每改变一次占空比则对抬升信号进行多次采样再取平均值，将占空比和对应的抬升电压记录在信号抬升表中。

进一步地，系统的电源直接由车载12v或24v直流电源提供，由dc/dc转换器产生±12v，±20v，5v五种电位，其中±12v作为运放供电电源，±20v作为注入信号电源，其中5v包含两路，一路作为单片机ad参考电源另一路作为单片机供电电源。

进一步地，系统计算结果通过can接口和串口rs232实时输出。

进一步地，报警电路用于指示绝缘情况，当未发生绝缘故障时，led灯熄灭；当发生一级绝缘故障时，led灯以频率为1hz闪烁；当发生二级绝缘故障时，led灯常亮。

进一步地，显示电路用于实时显示绝缘电阻和动力电池电压。

进一步地，电池电压和单端对地电压的采样都是由差分电路实现的，差分电路1的输入端分别接在电池的正负电极上，输出端接至单片机的ad口，通过差分电路1实现电池电压采集；差分电路2的输入端接分别接在电池正极和注入信号电路接口上，输出端接至单片机ad口，通过差分电路2实现电池正端对地电压采集。

进一步地，由电路等效模型分析可以得出系统正负单边对地绝缘电阻计算公式为：

电池正端对地绝缘电阻：

电池负端对地绝缘电阻：

其中，rf：反馈电阻；

r1：限流电阻；

vh+：注入信号最大值；

vh-：注入信号最小值；

vf+：反馈信号最大值；

vf-：反馈信号最小值；

rp：电池正端对地绝缘电阻；

rn：电池负端对地绝缘电阻；

vb：电池电压；

vp：电池正端对地电压；

vn：电池负端对地电压。

本发明的原理在于：一种电动汽车动力电池双边绝缘电阻监测装置包括电动汽车高压直流电源，汽车底盘，绝缘监测装置。其中，绝缘监测装置由如下硬件电路构成：单片机最小系统电路，推挽电路，信号注入电路，反馈信号采集电路，滤波电路，信号抬升电路，加法电路，显示电路，通信电路，系统电源电路，报警电路。

所述的绝缘监测装置的电源系统由车载12v或24v直流电源经过dc/dc隔离转换为系统所需的±12v，±20v，5v(包括单片机ad参考电源，单片机电源等)，±12v作为运算法放大器电源，±20v作为注入信号源。

所述的绝缘监测装置的推挽电路的输入端接至单片机pwm输出口，输出端接至注入电路输入端，注入电路输出端接至汽车底盘。

所述的绝缘监测装置的信号采集电路输入信号为反馈电阻端电压，通过加法的电路将经过滤波电路后的反馈信号和信号抬升电路产生的抬升信号进行叠加，加法电路的输出端接至单片机ad口。

所述的绝缘监测装置的显示电路通过lcd液晶显示屏实时显示电池端电压和绝缘电阻阻值。

所述的绝缘监测装置的can和rs232通信电路用于对外实时传输检测结果。

所述的绝缘监测装置的报警电路通过led灯指示绝缘电阻故障情况。

所述的绝缘监测装置通过差分电路实现电池单端对地电压和电池电压检测，并结公式(10)、(11)可以实现电池单端对地绝缘电阻计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用差分电路可以有效的检测出电极单端对地电压，并结合相应的公式(10)、(11)可以计算出单端对地绝缘电阻，实现准确的绝缘故障判断。

2.本发明采用pwm信号抬升电路和加法电路，可以实现对小信号(如毫伏级)的精准抬升，从而提高系统采样精度。

3.本发明采用检测方法对于单端绝缘电阻下降和双端绝缘电阻同时下降的情况，均可准确的检测测出系统绝缘电阻。

4.本发明的硬件电路设有光耦开关，可以实现对某些信号的隔离，同时解决电阻发热等问题，提高系统采样精度。

5.本发明通讯方式包含can通信和rs232通信，实时输出测试结果，同时通过led灯指示系统绝缘电阻情况。

附图说明

图1为本发明绝缘监测原理结构图；

图2为本发明绝缘监测装置的信号抬升和加法电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的一种电动汽车绝缘监测装置，其基本原理如下：单片机输出固定频率固定占空比的pwm波控制推挽电路产生同频率同占空比的±20v注入信号，经过注入电路注入到检测回路中，再对反馈信号和注入信号进行ad采样，通过差分电路实现对电池电压和单端电压的采样，再根据公式(10)和(11)即可计算出单端对地绝缘电阻。检测结果可以通过can接口和rs232串口输出，并通过led灯指示系统绝缘电阻情况。车载12v直流电源经过dc/dc隔离转换为系统所需的±12v，±20v，5v(包括单片机ad参考电源，单片机电源等)。本设计中的运算放大器均采用±12v双电源供电，±20v电源作为注入信号电源。该方案的详细实施步骤如下：

1.上电后完成系统初始化，包括对系统时钟、寄存器等初始化，再按照权利要求9所述的原理完成信号抬升表的制作。

2.单片机输出指令控制光耦开关s1、s2、s3闭合，s4、s5断开，同时产生频率为0.1hz占空比为50％的pwm信号，pwm方波经过推完电路产生同周期同占空比幅值±20v的注入信号，再经过注入电路注入如到检测电路中，由差分电路u1完成电池电压vb采集。

3.注入信号经过绝缘电阻rp、rn以及限流电阻r1、反馈电阻rf和信号源vh构成回路，在反馈电阻rf上形成反馈电压vf(b点电压)。

4.反馈电压vf依次经过二阶滤波电路、一阶rc低通滤波电路，通过加法电路u3c将滤波后的信号和信号抬升电路u3d的输出抬升信号相叠加，起到信号抬升作用，从而提高ad采样精度。通过软件算法实现正半周期注入信号最大值vh+和反馈信号最大值vf+以及负半周期注信号最小值vh-和反馈信号最小值vf-的采样。

5.完成步骤4之后，光耦开关s1、s2、s3断开，s4、s5闭合，采用差分电路u2采集电池正端对地电压vp，则负端对地电压vn＝vp–vb。

6.完成2到5步骤后，由公式(10)、(11)计算出绝缘电阻，通过can接口和rs232串口输出，并通过led灯指示系统绝缘情况。

7.信号抬升电路与加法电路原理图如图2所示，其原理如下：

单片机先预采集反馈信号vf，粗略测量反馈信号，根据检测结果比对信号抬升表确定pwm占空比，pwm波经过电容c1和电阻r2构成的一阶rc滤波电路后，与运放u3d的12脚信号(v12＝5r6/(r5+r6))相加，在14脚产生抬升信号v14，滤波后的反馈信号vf和抬升信号v14经过加法电路u3c相加，得到抬升后信号un。此时un在4v左右，有利于提高ad采样精度。

绝缘电阻推到公式过程如下：

①光耦开关s1、s2、s3闭合，s4、s5断开。对a点由基尔霍夫电流定律(kcl)得：

同理，对b点由kcl得：

其中：vh：注入信号电压值；

vf：反馈信号电压值；

并且电池端电压vb满足：

vb＝vp-vn(3)

则由式(2)和式(3)推出：

将(4)式和(5)式代入(1)式，假设交流部分为v1：

在方波信号的正半周期和负半周期，式(6)都是成立的，在正、负半周期内各计算一次(注：用脚标“+”和“-”区分正、负半周期的注入信号和反馈信号的采样值)。

②光耦开关s1、s2、s3断开，s4、s5闭合，测得电池正端对地电压为vp，负端对地电压为：

vn＝vp-vb(8)

再对a点由kcl得：

再由式(6)～(9)结合相应的运算即可计算出单端对地绝缘电阻，如式(10)、(11)所示：