一种交流注入绝缘电阻检测电路及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，特别指一种交流注入绝缘电阻检测电路及方法。

背景技术

随着电动汽车的普及，关于电动汽车自燃事件的报道数也在不断增加，人们开始关注电动汽车的安全性，而电动汽车电池的绝缘性是最为重要的一项指标。针对电池的绝缘检测，传统上存在电桥法和低频注入法两种方法。

方法一：电桥法的测试电路如图8所示，分别闭合K1和K2得到两组等式：

通过联立上述两组等式即可得到绝缘电阻R

然而，传统的电桥法存在如下缺点：1、不能测试绝缘电阻R

方法二：低频注入法的测试电路如图9所示，将充电桩与电池隔离，不影响电池自身的绝缘检测；脉冲发生电路发出一个方波(交流信号)，如图10所示，在方波上升沿的瞬间，认为R

然而，传统的低频注入法存在如下缺点：1、电路的采样时刻很难把握；2、由于电容存储的电荷在短时间内泄放不了，导致单次绝缘电阻检测的时间较长；3、想要测量大范围的绝缘电阻需要用到位数较多的AD芯片，且对layout和电路抗干扰设计要求严苛，导致成本较高；4、转折点的计算存在偏差，当绝缘阻值较低时，转折点不明显，当阻值较高时，阻值之间的电压差别很小，导致读取的绝缘电阻精度低，如图11所示。

因此，如何提供一种交流注入绝缘电阻检测电路及方法，实现提升绝缘电阻检测的精度以及速度，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种交流注入绝缘电阻检测电路及方法，实现提升绝缘电阻检测的精度以及速度。

第一方面，本发明提供了一种交流注入绝缘电阻检测电路，包括一单片机U3、一AD转换芯片U4、一电压保持电路、一电压泄放电路以及一电压转折点提取电路；

所述电压保持电路的输入端与电压转折点提取电路连接，输出端与所述AD转换芯片U4连接；所述单片机U3的输入端与AD转换芯片U4连接，输出端与所述电压转折点提取电路以及电压泄放电路连接；所述电压泄放电路与电压保持电路连接。

进一步地，所述电压保持电路包括一运放U1、一运放U2、一二极管D1、一二极管D2、一二极管D3、一电容C4、一电容C5、一电阻R5以及一电阻R6；

所述运放U1的引脚1与二极管D1的输入端、二极管D3的输出端以及电容C5连接，引脚2与电容C5、二极管D3的输入端以及电阻R6连接，引脚3与电压转折点提取电路连接；

所述运放U2的引脚1和2均与AD转换芯片U4、电阻R5以及电阻R6连接，引脚3与二极管D2的输出端、电容C4以及电压泄放电路连接；

所述电容C4接地；所述二极管D1的输出端与电阻R5以及二极管D2的输入端连接。

进一步地，所述电压泄放电路包括一电阻R4以及一NMOS开关管Q1；

所述电阻R4的一端与单片机U3连接，另一端与NMOS开关管Q1的G极连接；所述NMOS开关管Q1的D极与电压保持电路连接，S极接地。

进一步地，所述电压转折点提取电路包括一电阻R1、一电阻R2、一电容C1以及一电容C2；

所述电阻R1的一端与单片机U3连接，另一端与电容C1以及电压保持电路连接；所述电阻R2的一端与单片机U3以及电阻R1连接，另一端与电容C2连接；所述电容C1与电容C2连接。

进一步地，所述电容C1与电容C2的电容量相同；所述电阻R1的阻值是电阻R2的阻值的5至10倍。

第二方面，本发明提供了一种交流注入绝缘电阻检测方法，包括如下步骤：

步骤S10、将电压转折点提取电路与待检测电池连接，单片机U3向电压转折点提取电路发送交流波形信号；

步骤S20、电压转折点提取电路接收到所述交流波形信号后，对所述交流波形信号产生一个电压转折点；

步骤S30、电压保持电路对各所述电压转折点的转折电压进行电压保持操作；

步骤S40、AD转换芯片U4对电压保持电路进行连续n次的电压采样得到电压采样值，并将各所述电压采样值发送给单片机U3；n为大于5的整数；

步骤S50、单片机U3基于各所述电压采样值、交流波形信号、电阻R1、电阻R2计算绝缘电阻后，通过电压泄放电路对电容C4进行泄放。

进一步地，所述步骤S10具体为：

将电压转折点提取电路的电容C1以及电容C2与待检测电池的正极或者负极连接后，单片机U3基于通信芯片U5下发的绝缘检测指令，向电压转折点提取电路发送交流波形信号。

进一步地，所述步骤S20具体为：

电压转折点提取电路接收到所述交流波形信号后，电容C1和电容C2瞬间短路，通过电阻R2对电容C2充电后，通过电阻R1以及电容C2同时对电容C1进行充电，让电阻R1和电容C1支路的电压瞬间下降产生电压转折点。

进一步地，所述步骤S30具体为：

运放U1对电压转折点提取电路的电压进行采样后，依次经过二极管D1和二极管D2将电荷存储至电容C1，二极管D2反向截止，运放U2通过引脚1输出电容C1两端的电压，完成电压保持操作。

进一步地，所述步骤S50具体为：

单片机U3选取各所述电压采样值的平均值为u

其中R1//R2表示电阻R1和电阻R2并联后的电阻值；R

单片机U3通过电阻R4向NMOS开关管Q1输送高电平，进而导通NMOS开关管Q1对电容C4进行泄放。

本发明的优点在于：

1、通过设置电压转折点提取电路，将曲线拟合求值变为区间内取最大值的采样方案，降低了电压转折点的转折电压的采样难度，极大的提高了采样的准确性；通过设置电压保持电路对电压转折点提取电路产生的转折电压(尖峰电压)进行电压保持操作，进一步保障了AD转换芯片U4的电压采样精度，且降低了对AD采样速度的要求，进一步降低了采样难度，最终极大的提升了绝缘电阻检测的精度。

2、通过设置电压泄放电路对电压保持电路中电容C4的电压进行泄放，相对于传统的自然泄放，极大的加快了泄放速度，进而极大的提升了绝缘电阻检测的速度。

3、通过将电压转折点提取电路的电容C1以及电容C2与待检测电池的正极或者负极连接进行绝缘电阻检测，避免像传统上直连电池两端导致电池自身的高压影响检测精度，进一步提升了绝缘电阻检测的精度。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种交流注入绝缘电阻检测电路的电路原理框图。

图2是本发明一种交流注入绝缘电阻检测电路的电路图。

图3是本发明一种交流注入绝缘电阻检测电路的使用状态的电路原理框图。

图4是本发明一种交流注入绝缘电阻检测方法的流程图。

图5是本发明电压转折点提取的波形整图和局部图。

图6是本发明电压保持的波形示意图。

图7是本发明电压泄放电路的泄放波形示意图。

图8是传统电桥法的测试电路。

图9是传统低频注入法的测试电路。

图10是传统低频注入法的波形整图和局部图。

图11是传统低频注入法在不同绝缘阻值下的转折点的示意图。

具体实施方式

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：通过设置电压转折点提取电路，将曲线拟合求值变为区间内取最大值的采样方案，降低电压转折点的转折电压的采样难度，提高采样的准确性；通过设置电压保持电路对电压转折点提取电路产生的转折电压(尖峰电压)进行电压保持操作，保障AD转换芯片U4的电压采样精度，降低对AD采样速度的要求；通过设置电压泄放电路对电压保持电路中电容C4的电压进行泄放加快泄放速度，以提升绝缘电阻检测的精度以及速度。

请参照图1至图11所示，本发明一种交流注入绝缘电阻检测电路的较佳实施例，包括一单片机U3、一AD转换芯片U4、一电压保持电路、一电压泄放电路以及一电压转折点提取电路；所述单片机U3的型号优选为STM32F103，用于向电压转折点提取电路发送交流波形信号，并基于电压采样值、交流波形信号、电阻R1、电阻R2计算绝缘电阻，控制电压泄放电路对电容C4进行泄放；所述AD转换芯片U4的型号优选为LTC1864，用于对电压保持电路输出的电压进行AD采样；所述电压保持电路用于对电压转折点提取电路的转折电压(尖峰电压)进行电压保持；所述电压泄放电路用于对电压保持电路中的电容C4进行电压泄放；所述电压转折点提取电路用于将电压转折点变为尖峰；

所述电压保持电路的输入端与电压转折点提取电路连接，输出端与所述AD转换芯片U4连接；所述单片机U3的输入端与AD转换芯片U4连接，输出端与所述电压转折点提取电路以及电压泄放电路连接；所述电压泄放电路与电压保持电路连接。

所述电压保持电路包括一运放U1、一运放U2、一二极管D1、一二极管D2、一二极管D3、一电容C4、一电容C5、一电阻R5以及一电阻R6；所述电容C4的取值范围为10～100nF；所述电容C5的取值范围为1～100nF；所述电阻R5和电阻R6的阻值大于10kΩ；

所述运放U1的引脚1与二极管D1的输入端、二极管D3的输出端以及电容C5连接，引脚2与电容C5、二极管D3的输入端以及电阻R6连接，引脚3与电压转折点提取电路连接；

所述运放U2的引脚1和2均与AD转换芯片U4、电阻R5以及电阻R6连接，引脚3与二极管D2的输出端、电容C4以及电压泄放电路连接；

所述电容C4接地；所述二极管D1的输出端与电阻R5以及二极管D2的输入端连接。

所述电压泄放电路包括一电阻R4以及一NMOS开关管Q1；所述电阻R4的阻值大于1kΩ；

所述电阻R4的一端与单片机U3连接，另一端与NMOS开关管Q1的G极连接；所述NMOS开关管Q1的D极与电压保持电路连接，S极接地。

所述电压转折点提取电路包括一电阻R1、一电阻R2、一电容C1以及一电容C2；

所述电阻R1的一端与单片机U3连接，另一端与电容C1以及电压保持电路连接；所述电阻R2的一端与单片机U3以及电阻R1连接，另一端与电容C2连接；所述电容C1与电容C2连接。

所述电容C1与电容C2的电容量相同，取值优选为10nF～100nF；所述电阻R1的阻值是电阻R2的阻值的5至10倍，所述电阻R2的取值优选为100k～20MΩ。

本发明一种交流注入绝缘电阻检测方法的较佳实施例，包括如下步骤：

步骤S10、将电压转折点提取电路与待检测电池连接，单片机U3向电压转折点提取电路发送交流波形信号；

步骤S20、电压转折点提取电路接收到所述交流波形信号后，对所述交流波形信号产生一个电压转折点；

步骤S30、电压保持电路对各所述电压转折点的转折电压进行电压保持操作；所述转折电压为图5所示的尖峰电压，通过对所述电压转折点附近的电压进行连续采样，再计算平均值用于确定所述转折电压，相对于传统上直接查找所述转折电压，更加方便、准确，极大的降低了对AD采样速率的要求；

步骤S40、AD转换芯片U4对电压保持电路进行连续n次的电压采样得到电压采样值，并将各所述电压采样值发送给单片机U3；n为大于5的整数；

步骤S50、单片机U3基于各所述电压采样值、交流波形信号、电阻R1、电阻R2计算绝缘电阻后，通过电压泄放电路对电容C4进行泄放。

所述步骤S10具体为：

将电压转折点提取电路的电容C1以及电容C2与待检测电池的正极或者负极连接后，单片机U3基于通信芯片U5下发的绝缘检测指令，向电压转折点提取电路发送交流波形信号。

所述步骤S20具体为：

电压转折点提取电路接收到所述交流波形信号后，电容C1和电容C2瞬间短路，通过电阻R2对电容C2充电后，通过电阻R1以及电容C2同时对电容C1进行充电，让电阻R1和电容C1支路的电压瞬间下降产生电压转折点(尖峰)。由于R1C1＞R2C2，因此电容C2的充电速度比电容C1更快，造成电容C2部分的电荷反向给电容C1充电，导致电容C1的电压瞬间下降。

所述步骤S30具体为：

运放U1对电压转折点提取电路的电压进行采样后，依次经过二极管D1和二极管D2将电荷存储至电容C1，二极管D2反向截止，运放U2通过引脚1输出电容C1两端的电压，完成电压保持操作。由于运放U2同向输入端的阻抗很大，二极管D2反向截止，短时间内电容C1的电荷变化缓慢，运放U2输出端的电压跟随电容C1两端的电压，使得转折电压(尖峰电压)得以保持。

所述步骤S50具体为：

单片机U3选取各所述电压采样值的平均值为u

其中R1//R2表示电阻R1和电阻R2并联后的电阻值；R

单片机U3通过电阻R4向NMOS开关管Q1输送高电平，进而导通NMOS开关管Q1对电容C4进行泄放。

综上所述，本发明的优点在于：

1、通过设置电压转折点提取电路，将曲线拟合求值变为区间内取最大值的采样方案，降低了电压转折点的转折电压的采样难度，极大的提高了采样的准确性；通过设置电压保持电路对电压转折点提取电路产生的转折电压(尖峰电压)进行电压保持操作，进一步保障了AD转换芯片U4的电压采样精度，且降低了对AD采样速度的要求，进一步降低了采样难度，最终极大的提升了绝缘电阻检测的精度。

2、通过设置电压泄放电路对电压保持电路中电容C4的电压进行泄放，相对于传统的自然泄放，极大的加快了泄放速度，进而极大的提升了绝缘电阻检测的速度。

3、通过将电压转折点提取电路的电容C1以及电容C2与待检测电池的正极或者负极连接进行绝缘电阻检测，避免像传统上直连电池两端导致电池自身的高压影响检测精度，进一步提升了绝缘电阻检测的精度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。