动力电池绝缘阻抗在线监测装置及方法制造方法及图纸

一种动力电池绝缘阻抗在线监测装置，所述监测装置包括：控制器单元、信号转换模块、继电器开关模块和信号放大模块，控制器单元的一个输出端接入信号转换模块，控制器单元的另一个输出端接入继电器开关模块，信号转换模块的输出端分别接入继电器开关模块和信号放大模块，信号放大模块的输出端接入控制器单元，控制器单元产生PWM信号，信号转换模块将控制器单元输出的PWM信号转换成固定频率的正弦信号；控制器单元控制继电器开关模块的切换；正弦信号经过继电器开关模块后注入动力电池输出回路；信号放大模块将获取的绝缘阻抗检测信号调整到控制器单元可检测范围内；控制器单元通过采集到的绝缘阻抗检测信号，计算获得动力电池绝缘阻抗值。

On-line Insulation Impedance Monitoring Device and Method for Power Batteries

An on-line monitoring device for insulation impedance of power battery includes a controller unit, a signal conversion module, a relay switch module and a signal amplification module. One output terminal of the controller unit is connected to a signal conversion module, the other output terminal of the controller unit is connected to a relay switch module, and the output terminal of the signal conversion module is connected to a relay switch module, respectively. Block and signal amplification module, the output terminal of signal amplification module is connected to the controller unit, the controller unit generates PWM signal, the signal conversion module converts the PWM signal output from the controller unit into sinusoidal signal of fixed frequency; the controller unit controls the switch of relay switch module; the sinusoidal signal is injected into the power battery output circuit after the relay switch module; the signal amplification module converts the PWM signal output from the controller unit into sinusoidal signal of fixed frequency. The module adjusts the acquired insulation impedance detection signal to the detectable range of the controller unit. The controller unit calculates the insulation impedance value of the power battery by collecting the insulation impedance detection signal.

【技术实现步骤摘要】
动力电池绝缘阻抗在线监测装置及方法
本专利技术属于电动车
，特别涉及一种动力电池绝缘阻抗在线监测装置及方法。
技术介绍
随着新能源科技的不断发展，电动汽车的使用已经越来越普遍。与传统汽车以燃油为动力源的特点不同，电动汽车是以电池包储能系统作为其动力源。为了尽可能增大电动汽车的续航里程，通常电池包储能系统具有高电压、大电流的特点。电动汽车在正常使用的理想情况下，电池包储能系统及其高压电气回路作为一个完全封闭的系统，它与电动汽车壳体和底盘之间是完全绝缘的。然而电动汽车在长期使用过程中，汽车行驶路况颠簸以及暴晒雨淋等恶劣环境因素，使得汽车内部电池系统及电气回路容易受到振动、温度和湿度急剧变化以及酸碱腐蚀的影响，这将加剧高压电气回路部件的老化和破损，从而导致高压电气回路与汽车壳体间绝缘阻抗不断降低。同时，电动汽车的电池模组是由许多节电芯依次通过铜排连接而串联组成，当电动汽车在受到车辆撞击和刮蹭等外部应力作用时，这些电芯容易发生铜排脱落或者电芯损坏漏液等现象，这也将导致高压电气回路与汽车壳体或底盘之间发生绝缘性能下降的问题。当高压电气回路与汽车壳体间绝缘阻抗降低到一定程度时，高压电气回路母线两端将与汽车壳体底盘之间通过该低阻抗绝缘故障路径而形成漏电回路，导致汽车壳体底盘电位急剧上升，这不仅极大地影响车辆的正常使用，而且也会对驾驶人员以及乘客的人身安全造成严重危害。因此，为了提高电动汽车的绝缘安全性能，避免因绝缘不良而引发的安全事故，如何能够准确地、快速地监测高压电气系统与车辆壳体底盘之间的绝缘状态则显得尤为重要。目前，国内针对电动汽车中电池储能装置的绝缘监测方法主要分为两种，一种是外加电阻切换的方法进行检测，另一种是采用采用低频PWM信号注入的方法进行检测。其中，外加电阻切换检测方法的工作原理表述为，如图1所示，假设电池储能装置的绝缘阻抗等效为Rp和Rn，分别为电池储能装置高电压正端或负端对车壳体地之间的绝缘阻抗；R0为已知电阻，S1和S2均为切换开关，分别并联于等效绝缘阻抗Rp和Rn两端；Vp和Vn分别为等效绝缘阻抗Rp和Rn两端检测电压。以等效绝缘阻抗Rp的检测过程为例，当S1断开时，电池储能装置高电压正端对车壳体地之间的绝缘阻抗为Rp，此时Vp电压检测值为Vp1；当S1闭合时，电池储能装置高电压正端对车壳体地之间的绝缘阻抗为Rp与Rc1并联阻抗，此时Vp电压检测值为Vp2；同理，当S2断开或闭合时，Vn电压检测值分别为Vn1和Vn2；根据电路原理计算可得，等效绝缘阻抗Rp和Rn的阻值分别为：和因此，在开关S1和S2在不同通断状态下，通过监测电压信号Vp和Vn的幅值大小，就可以通过上述公式换算得到绝缘阻抗Rp和Rn的实时阻值大小。低频PWM信号注入检测方法的工作原理表述为，如图2所示，假设电池储能装置的绝缘阻抗等效为Riso；电阻R和电容C为已知器件；首先，控制器输出低频PWM信号，并将其通过RC串联电路后注入电池储能装置高电压母线输出回路中，然后，控制器通过ADC采样器检测电阻R和电容C之间节点信号电压幅值Uo；当绝缘阻抗Riso变小时，检测信号Uo幅值也会相应地变小，因此，通过实时监测信号Uo的幅值变化，就可以间接地测量绝缘阻抗Riso的实时阻值大小。目前，该方法在通过监测采样信号Uo幅值来测量绝缘阻抗Riso阻值的算法上有相应地改进，不再以采样信号Uo幅值的时域量作为估算绝缘阻抗Riso阻值的计算输入量，而是以采样信号Uo幅值的频域量作为估算绝缘阻抗Riso阻值的计算输入量。具体表现为：通过对采样信号Uo进行连续采样而得到信号Uo时域离散样本数据，然后再对这一组样本数据进行快速傅里叶变换而得到相应样本频谱，再根据频谱中各个频点幅度值变化来估算绝缘阻抗Riso的实时阻值大小。由于外加电阻切换的检测方法不需要复杂的信号转换电路设计和繁琐的检测算法，实现起来成本也很低，因而该方法得到了广泛的应用。但是，该方法存在很多缺点。例如：(1).外加电阻切换过程中，检测信号是直流电压的状态量，而电池储能装置内部是通过很多节电池串联而构成的，当某些电池因电解液泄漏或者连接铜排发生脱落而引起绝缘阻抗降低时，外部检测电路因所采样的直流电压将受到各串联电池本身电压的影响而无法稳定测量；因此，外加电阻切换的测量方法只能检测电池储能装置外部母线输出回路的绝缘阻抗大小，无法检测电池储能装置内部串联电池节点对车壳体地的绝缘阻抗变化情况；(2).该方法检测过程中很容易受到外部环境因素变化的影响，例如，随着电池储能装置内部各个串联电芯长期充放电使用而老化造成电芯内部直流阻抗变化，同时，电动汽车内部环境温度和湿度的恶劣变化，都将造成该检测方法的采样信号变化异常。因此，该方法在长期使用过程中，容易产生检测过程不稳定，检测精度较低等问题；(3).该方法在实际检测过程中存在一定的延时，因而检测实时性较差，不利于绝缘阻抗在线监测功能的实现；其主要原因表述为，通常电池储能装置输出回路中，母线两端与车壳地之间存在用于EMC滤波的Y电容器件，由于Y电容器件具有一定数量级的容值，并且被检测的绝缘阻抗值很大，而被检测的采样信号取自Y电容两端，电容器件本身的电压相位滞后性将造成被检测的采样信号变化滞后于实际的绝缘阻抗变化。因此，当电池储能装置母线输出端对车壳体的绝缘阻抗变化时，在延迟一定时间之后，被检测的采样信号才能呈现出相应的变化，由此可见，该检测方法实时性较差。另一种常用的低频PWM信号注入的检测方法能弥补外加电阻切换检测方法的一些缺陷；例如，低频信号注入检测法是通过注入PWM信号来工作的，PWM信号作为交流信号，能解决直流信号检测存在的问题；该方法在实际检测过程中不会受到电池本身电压的影响，因而不仅能检测电池储能装置外部输出回路的绝缘状态变化，也能检测电池储能装置内部串联电池组的绝缘状态变化。同时，该方法不容易受到外部环境温度、湿度变化和电芯老化后直流内阻变化的影响。但是，该方法的实现同样存在一些缺点。(1).该方法是将低频PWM信号注入电池储能装置输出回路中，由于电池储能装置输出端对车壳地间Y电容和耦合分布电容的影响，将造成PWM信号的高频谐波部分出现衰减而造成被检测的采样信号畸变，从而造成该方法的检测精度变差；(2).该方法检测过程中，为了减少被检测的采样信号幅值衰减，通常将被注入的PWM信号幅值尽量增大，而PWM信号低频部分谐波信号的幅值也将被相应地增大，该低频谐波信号随着PWM信号一起被注入电池储能装置输出回路后，该低频谐波将传导到各个串联模组的电池电压采样电路中，从而增大了电池电压采样的纹波系数，形成一定传导干扰。因此，低频PWM信号注入的检测方法容易引起电池储能装置相关的其他电路模块的不稳定工作；(3).该方法实际工作过程中，由于电动汽车内部EMC电磁环境的恶劣变化，电池储能装置输出回路中通常具有较大的耦合噪声信号，而检测电路通过隔值电容C直接连接于电池储能装置输出回路，因而被检测的采样信号很容易受到耦合噪声信号的影响，造成被检测的采样信号幅值变化不稳定，传统方法是以采样信号幅值变化作为主要检测判据，这将很容易引发该方法在检测过程中产生一系列错误检测等问题；目前，针对传统方法以采样信号幅值的时域量变化作为检测判据的问题，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动力电池绝缘阻抗在线监测装置，该动力电池用于驱动电动车，其特征在于，所述监测装置包括：控制器单元、信号转换模块、继电器开关模块和信号放大模块，控制器单元的一个输出端接入信号转换模块，控制器单元的另一个输出端接入继电器开关模块，信号转换模块的输出端分别接入继电器开关模块和信号放大模块，信号放大模块的输出端接入控制器单元，控制器单元产生PWM信号，信号转换模块将控制器单元输出的PWM信号转换成固定频率的正弦信号；控制器单元控制继电器开关模块的切换；正弦信号经过继电器开关模块后注入动力电池输出回路；信号放大模块将获取的绝缘阻抗检测信号调整到控制器单元可检测范围内；控制器单元通过采集到的绝缘阻抗检测信号，计算获得动力电池绝缘阻抗值。

【技术特征摘要】
1.一种动力电池绝缘阻抗在线监测装置，该动力电池用于驱动电动车，其特征在于，所述监测装置包括：控制器单元、信号转换模块、继电器开关模块和信号放大模块，控制器单元的一个输出端接入信号转换模块，控制器单元的另一个输出端接入继电器开关模块，信号转换模块的输出端分别接入继电器开关模块和信号放大模块，信号放大模块的输出端接入控制器单元，控制器单元产生PWM信号，信号转换模块将控制器单元输出的PWM信号转换成固定频率的正弦信号；控制器单元控制继电器开关模块的切换；正弦信号经过继电器开关模块后注入动力电池输出回路；信号放大模块将获取的绝缘阻抗检测信号调整到控制器单元可检测范围内；控制器单元通过采集到的绝缘阻抗检测信号，计算获得动力电池绝缘阻抗值。2.根据权利要求1所述的动力电池绝缘阻抗在线监测装置，其特征在于，控制器单元通过CAN总线连接车辆控制单元，控制器单元将获得的动力电池绝缘阻抗值通过CAN总线上报给电动车的车辆控制单元。3.根据权利要求1所述的动力电池绝缘阻抗在线监测装置，其特征在于，信号转换模块采用无源RC滤波电路将控制器单元输出的PWM信号转换成相同频率的正弦信号，并将该正弦信号注入动力电池储能装置输出回路中，其中，信号转换模块的输入端Vin1处为PWM信号输入端，连接至控制器单元和电阻R1，电阻R1、R2和NPN型三极管Q1组成驱动电路，用以提高控制器输出管脚的电流驱动能力；NPN型三极管Q1的集电极连接电阻R3，电阻R3、R4和电容C1、C2组成二阶滤波器，用以将PWM信号转换成同频率的正弦信号；电阻R4接入运算放大器U1的一个输入端，同时，电阻R5、R6和运算放大器U1及直流电压Vref组成信号调理电路，用以进行阻抗隔离，避免运算放大器后端电路的阻抗变化对其前端滤波电路的影响，此时直流电压Vref用于调整转换后正弦信号的直流偏置而便于后续电路的放大处理；运算放大器U1的一个输出端连接电阻R7，电阻R7是用于与被测量的绝缘阻抗形成分压电路，从而使得信号转换模块的输出端Vout1处正弦信号幅值变化与被测量的绝缘阻抗产生正相关性。4.根据权利要求1所述的动力电池绝缘阻抗在线监测装置，其特征在于，控制器单元控制继电器开关模块的光电MOS器件的通断，从而将信号转换模块输出的正弦信号注入电池储能装置输出回路中；其中，继电器开关模块的Vin2处为正弦信号输入端，被连接至信号转换模块输出端Vout1处；Vin2处通过电容C3连接光电MOS器件U2的输出端，电容C3用于隔离被注入的正弦信号直流分量；电阻R8、NPN型三极管Q2和光电MOS器件U2组成正弦信号注入通道，IO1处为控制器单元的IO1控制端口，用于控制正弦信号注入通道的通断状态；电阻R8、NPN型三极管Q3...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳威，杨锡旺，
申请(专利权)人：常州索维尔电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32