[发明专利]一种电动汽车动力电池双边绝缘电阻监测装置

权利要求书

1.一种电动汽车动力电池双边绝缘电阻监测方法，其特征在于：该方法利用的装置包括：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，再通过后续电路完成信号采样与处理，实现动力电池双边绝缘电阻检测功能；

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，控制单片机输出固定频率固定占空比的方波信号，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电压由相应的系统电源电路产生；

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；

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；

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，将小信号抬升至合理范围内，有利于提高AD采样精度；

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，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；

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或负反馈信号抬升至合理的电压范围内；

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；

信号抬升表是在系统初试化阶段完成的，PWM占空比以一定的幅值从0逐次增加到100％，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；

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；

系统计算结果通过CAN接口和串口RS232实时输出；

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；

显示电路用于实时显示绝缘电阻和动力电池电压V_B；

动力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实现动力电池电压采集；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；

电池正端接至差分电路U1的一个输入端，电池负端接至差分电路U1的另外一个输入端，电池正端还依次连接电阻R₁、光耦开关S₁，电池负端还依次连接另一电阻R₁、光耦开关S₂，光耦开关S₃接在注入信号电源输出端和底盘之间，通过控制光耦开关S₁、S₂和S₃导通和关断决定差分电路U1的通断；

电池正端通过限流电阻R₀、光耦开关S₄接至差分电路U2的一个输入端，底盘通过限流电阻R₀、光耦开关S₅接至差分电路U2的另外一个输入端，通过控制光耦开关S₄和S₅导通和关断决定差分电路U2的通断；

差分电路U1输入端的两个限流电阻R₁阻值相同，差分电路U2输入端的两个限流电阻R₀阻值相同；

该方法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、寄存器初始化，再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方波经过推挽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完成动力电池电压V_B采集；

3.注入信号经过绝缘电阻R_P、R_N以及限流电阻R₁、反馈电阻R_f和信号源V_h构成回路，在反馈电阻R_f上形成反馈电压V_f；

4.反馈电压V_f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V_h+和反馈信号最大值V_f+以及负半周期注信号最小值V_h-和反馈信号最小值V_f-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V_P，则负端对地电压V_N＝V_P–V_B；

6.完成步骤2到步骤5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如下：

单片机先预采集反馈信号V_f，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的正相输入引脚12脚信号V₁₂相加，V₁₂＝5R₆/(R₅+R₆)，5V电压信号与电阻R₅连接，电阻R₅另一端与电阻R₆连接，电阻R₆另一端接地，电容C₂与电阻R₆并联，在输出引脚14脚产生抬升信号V₁₄，滤波后的反馈信号V_f和抬升信号V₁₄经过加法电路U3C相加，得到抬升后信号U_n，此时抬升后信号U_n在4V左右，有利于提高AD采样精度；

绝缘电阻推导公式过程如下：

①光耦开关S₁、S₂、S₃闭合，S₄、S₅断开，对绝缘电阻R_P、R_N以及信号源V_h的公共点，由基尔霍夫电流定律(KCL)得：

同理，对两个限流在光耦开关S₁、S₂的公共点由KCL得：

其中：V_h：注入信号电压值；

V_f：反馈信号电压值；

并且电池端电压V_B满足：

V_B＝V_P-V_N (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，其中用脚标“+”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V_P，负端对地电压为：

V_N＝V_P-V_B (8)

再对绝缘电阻R_P、R_N以及信号源V_h的公共点由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：

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，R_f：反馈电阻；

R₁：限流电阻；

V_h+：注入信号最大值；

V_h-：注入信号最小值；

V_f+：反馈信号最大值；

V_f-：反馈信号最小值；

R_P：电池正端对地绝缘电阻；

R_N：电池负端对地绝缘电阻；

V_B：动力电池电压；

V_P：电池正端对地电压；

V_N：电池负端对地电压。