一种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路及其检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路及其检测方法，包括R1～R4组成的分压电阻网络，Kp和Kn组成的高压开关网络，OP1～OP6、R5～R14、C1～C2构成的正负两路信号处理电路。其中信号处理部分中的OP1和OP2构成两路电压跟随器，OP3、电容C1、电阻R5构成高通滤波器，OP5与电阻R7～R10构成差分放大器，OP4、电容C2、电阻R6构成高通滤波器，OP6与电阻R11～R14构成差分放大器，通过在正负两路信号中减去高频部分实现了很好的滤波效果。本发明采用了高效率的信号处理方法和计算方法，解决了传统方法成本过高、检测算法单一、抗干扰能力差、计算精度较差、无法应付各种漏电情况的问题，同时避免了检测过程中破坏系统的绝缘性能。
【专利说明】-种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路及其 检测方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电压和电阻检测电路及其检测方法，特别地，涉及一种高压电池 组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路及其检测方法，属于电池管理【技术领域】。 【背景技术】
[0002] 在电动汽车及大型储能电池组系统中，电压往往很高，一般为几百伏，高压安全防 护是高压电池组系统的一个重要的课题。正常状态下，电池系统正负母线与车体（或者设 备的外壳）具有良好的绝缘性能，但是在使用过程中，由于振动、器件老化、潮湿、腐蚀等问 题造成绝缘破坏，可能会出现漏电，影响乘客或操作人员的人身安全。所以在此类高压电池 组系统中，实时检测系统的绝缘性能是非常有必要的。在检测到系统绝缘故障之后，应采取 相应的措施防止乘客或操作人员触电。根据国内相关标准，电池系统正负母线与大地或车 体之间的绝缘电阻应不小于100欧/伏。
[0003] 现有的高压电池组系统漏电检测方法有信号注入法、电流传感器法、辅助电源法、 平衡电桥法等等，这些方法往往由于成本过高、检测算法单一、精度较差、抗干扰能力差、无 法应对漏电的各种情况（例如：单边漏电、双边漏电、单边近似短路等）、有的检测过程中会 破坏系统绝缘性能等，无法彻底解决问题。
[0004] 高压电池组系统（高压侧）与电池管理系统（低压侧）往往是隔离的，现有的总 电压检测方法一般采用模拟隔离和数字隔离两种检测方式。模拟隔离一般采用线性光耦或 者隔离放大器，在低压侧进行信号处理、AD采样；数字隔离一般需要在高压侧放置一个单 片机或者模数变换器ADC，再使用数字隔离器件（光耦、磁耦等）传输数字信号。这两种方 法中，高压侧电路元件的供电由于不能使用高压侧的电源，需要使用隔离电源模块给高压 侦_电路元件供电。这两种方法由于使用了信号隔离器件、隔离电源模块等器件，使得结构 复杂，成本也比较高，可靠性也无法得到保证。
[0005] 在高压电池组系统中，尤其是车载电池组系统，逆变器、电机控制器等设备工作 时，会对高压检测造成很大的干扰。尤其在绝缘电阻检测时，绝缘电阻检测信号极其微弱， 非常容易受到干扰。另外在常规算法中，AD采样很小的偏差就会造成绝缘电阻几十千欧甚 至上百千欧的误差。在一些检测系统中，采用低通滤波器、数字平均等方法滤除高频噪声， 往往无法达到很好的效果。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了一种高压电池组系统总电压和绝缘电阻检测电 路及其检测方法，本发明的电路主要由三部分组成：由R1?R4组成的分压电阻网络，Kp和 Κη组成的开关网络，0Ρ1?0P6、R5?R14、C1?C2构成的正负两路信号处理电路，待测绝 缘电阻Rp、Rn，以及高压电池组BT1。
[0007] 电阻R1和R2为正极母线与大地或车体之间的检测分压电阻，电阻R1的一端与R2 串联，另一端通过开关Kp连接到正极母线上，电阻R2的一端与R1串联，另一端接大地或车 体；同样的，电阻R3与R4为负极母线与大地或车体之间的检测分压电阻，电阻R3的一端与 R4串联，另一端通过开关Kn连接到负极母线，电阻R4的一端与R3串联，另一端接大地或车 体。开关Kp和Κη为高压开关网络，用于控制高压电池组系统正负极，通过分压电阻与大地 或车体接通，且受外部单片机的控制。
[0008] 0Ρ1?0Ρ6、C1?C2、R5?R14构成两路信号处理电路，其中，0Ρ1和0Ρ2构成两 路电压跟随器，〇P3、Cl、R5构成高通滤波器，0Ρ5与R7?R10构成差分放大器，0Ρ4、C2、R6 构成高通滤波器，0Ρ6与R11?R14构成差分放大器。0Ρ1、0Ρ3、0Ρ5构成正极信号处理电 路，0Ρ2、0Ρ4、0Ρ6构成负极信号处理电路。0Ρ1的同相输入端与电阻R1和R2连接，反向输 入端与输出连接，构成一个电压跟随器，有助于提高检测电路的输入阻抗，减少误差。0Ρ3、 C1、R5构成一个高通滤波器，提取高频部分。0Ρ5与R7?R10构成一个差分放大器，通过使 用原始信号减去高频干扰获取有效信号。同样，0P2的同相输入端与R3、R4连接，反相输入 端与输出连接，构成一个电压跟随器，有助于提高检测电路的输入阻抗，减少误差。〇P4、C2、 R6构成一个高通滤波器，提取高频部分。0P6与R11?R14构成一个差分放大器，通过使用 原始信号减去高频干扰获取有效信号。
[0009] 进一步地，本方案的具体检测过程及算法原理如下：
[0010] l、Kp、Kn同时闭合，单片机对VJPV2采样，并计算出Vp、Vn，则总电压为：
[0011] V = Vp+Vn (其中：V为Kp、Kn同时闭合的总电压，Vp为Kp、Kn同时闭合时正极母线 与大地或车体之间的电压，Vn为Κρ、Κη同时闭合时负极母线与大地或车体之间的电压）；
[0012] 2、Κρ闭合，Κη断开，此时V2输出为0,单片机对￥1进行采样，计算出Vp'，Vp' = V-Vn'（其中：Vp'为Kp闭合、Kn断开时正极母线与大地或车体之间的电压，Vn'为Kp闭 合、Kn断开时负极母线与大地或车体之间的电压）；
[0013] 3、Kp断开，Kn闭合，此时％输出为0,单片机对^进行采样，计算出Vn"，Vn" = V-Vp"（其中：Vp"为Kp断开、Kn闭合时正极母线与大地或车体之间的电压，Vn"为Kp断 开、Kn闭合时负极母线与大地或车体之间的电压）；
[0014] 更进一步地，根据上述三种开关状态得到三个不同状态下的Vp、Vn。根据以下算 法原理即可计算出Rp、Rn，正常情况下，可以根据以下算法原理得出Rp、Rn。
[0015] 1、根据公式1，得出Rn :
【权利要求】
1. 一种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路，包括R1?R4组成的分压电 阻网络，Kp和Kn组成的开关网络，0P1?0P6、R5?R14、C1?C2构成的正负两路信号处 理电路，待测绝缘电阻Rp、Rn，高压电池组ΒΤ1， 所述的电阻R1和R2为正极母线与大地或车体之间的检测分压电阻，电阻R1的一端与 R2串联，另一端通过开关Kp连接到正极母线上，电阻R2的一端与R1串联，另一端接大地或 车体， 所述的电阻R3与R4为负极母线与大地或车体之间的检测分压电阻，电阻R3的一端与 R4串联，另一端通过开关Kn连接到负极母线，电阻R4的一端与R3串联，另一端接大地或车 体， 所述的正负两路信号处理电路中，0P1和0P2构成两路电压跟随器，0P3、Cl、R5构成 高通滤波器，0P5与R7?R10构成差分放大器，0P4、C2、R6构成高通滤波器，0P6与R11? R14构成差分放大器。
2. 根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于：所述的Kp和Kn是高压开关网络，用 于控制高压电池组系统正负极，通过分压电阻与大地或车体接通，且受外部单片机的控制。
3. 根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于：所述的高压开关Kp和Kn的耐压值 均大于1000+2U，其中U为电池组的最高电压。
4. 根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于：所述的高压开关Kp和Kn是耐压值 为2500V的MOS管串联。
5. -种权利要求2所述的检测电路中高压电池组系统总电压的检测方法，当开关Kp、 Kn同时闭合时，单片机对Vi和V 2采样，计算出Vp、Vn，则总电压V = Vp+Vn，其中Vp为Kp、 Kn同时闭合的正极母线与大地或车体之间的电压，Vn为Kp、Kn同时闭合的负极母线与大地 或车体之间的电压。
6. -种权利要求1所述的检测电路中高压电池组系统绝缘电阻的检测方法， (1)当开关Kp、Kn同时闭合时，单片机对和V2采样，计算出Vp、Vn，则总电压V = Vp+Vn，其中Vp为Kp、Kn同时闭合时正极母线与大地或车体之间的电压，Vn为Kp、Kn同时 闭合时负极母线与大地或车体之间的电压， ⑵当Kp闭合，Kn断开时，V2输出为0，单片机对Vi进行采样，计算出Vp '，Vp ' = V-Vn '， 其中Vp'为Kp闭合、Kn断开时的正极母线与大地或车体之间的电压，Vn'为Kp闭合、Kn断 开时的负极母线与大地或车体之间的电压， (3)当Kp断开，Kn闭合时，Vi输出为0，单片机对V2进行采样，计算出Vn"，Vn"= V-Vp "， 其中Vp"为Kp断开、Kn闭合时的正极母线与大地或车体之间的电压，Vn"为Kp断开、Kn闭 合时的负极母线与大地或车体之间的电压。
7. 根据权利要求6所述的检测电路中高压电池组系统绝缘电阻的检测方法， (1) 根据（公式1)得出绝缘电阻Rn值， Vn x Vp n + R4 瓦' (2) 根据（公式2)得出绝缘电阻Rp值， V" X Vp' Rp + Rl + R2 ^ °
8. 根据权利要求7所述的检测电路中高压电池组系统绝缘电阻的检测方法， 当Rp >> Rn时，按照（公式3)得出绝缘电阻Rn值， D (Rp + Rl + R2)xV" 办=-~~y~~^公式 3， y P 当Rp << Rn时，按照（公式4)得出绝缘电阻Rp值， (Rn + R3 + R4)xVn Rp = -----^公式 4。 ν η
9. 一种权利要求1所述检测电路的信号处理方法，首先通过电压跟随器0Ρ1和0Ρ2无 损获取原始信号Vori，高通滤波器提取其中的高频信号Vac，利用差分放大器0P5和0P6使 原始信号Vori减去高频信号Vac，从而得到有效的信号。
【文档编号】G01R19/10GK104049136SQ201310078332
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月11日 优先权日:2013年3月11日
【发明者】雷晶晶, 郑伟伟, 陈小源 申请人:欣旺达电子股份有限公司