绝缘电阻检测装置
阅读说明：本技术 绝缘电阻检测装置 (Insulation resistance detection device ) 是由 林保泓 陈柏燊 郑国和 张明俊 林才富 于 2018-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种绝缘电阻检测装置包括一检测单元、一控制单元及一计算单元。检测单元包括一电路模块、一第一开关、一第二开关、一检测节点及一电压检测装置,电路模块由多个固定电阻连接组成,且电路模块并联在一高压电池组的一正极与一负极之间,第一开关连接于电路模块与一接地端之间,所述第二开关连接于电路模块与负极之间,检测节点设置在电路模块中的固定电阻连接节点其中之一节点位置,并在检测节点位置外接电压检测装置。控制单元用于控制第一开关与第二开关的断开或接通状态。计算单元用于运算电压检测装置检测的电压并计算得到一高电位绝缘电阻值与一低电位绝缘电阻值。(The invention discloses an insulation resistance detection device which comprises a detection unit, a control unit and a calculation unit. The detection unit comprises a circuit module, a first switch, a second switch, a detection node and a voltage detection device, wherein the circuit module is formed by connecting a plurality of fixed resistors, the circuit module is connected between an anode and a cathode of a high-voltage battery pack in parallel, the first switch is connected between the circuit module and a grounding terminal, the second switch is connected between the circuit module and the cathode, and the detection node is arranged at one node position of the fixed resistor connection nodes in the circuit module and is externally connected with the voltage detection device at the detection node position. The control unit is used for controlling the off or on states of the first switch and the second switch. The calculating unit is used for calculating the voltage detected by the voltage detecting device and calculating a high potential insulation resistance value and a low potential insulation resistance value.)
技术领域
本发明涉及一种检测绝缘电阻的装置，尤其涉及一种用于车用的绝缘电阻检测装置。
背景技术
如图1所示，目前电动汽车90内通常包括一高压电池系统91以及一动力系统92，高压电池系统91连接动力系统92并装置于车体上。
然而，电动汽车在雨天、涉水、振动、温度变化等环境因素或是交通事故下，容易造成原有的绝缘电阻降低，而引发人员触电的危险，因此为了保障系统运作的安全性，需要即时监控电动汽车绝缘电阻，并适时通知或断电以防意外发生。
如图2到图4所示，现有的检测绝缘电阻技术80包括一系统模块81、一检测模块82、一第一电压检测装置(图未示)以及一第二电压检测装置(图未示)，系统模块81包含一电源系统811与控制系统812，且系统模块81连接于高压电池系统91的正极911与负极912之间，其中高压电池系统91的正极911与接地端931之间视为具有一绝缘电阻RH(Rp)，高压电池系统91的负极912与接地端931之间视为具有一绝缘电阻RL(Rn)，检测模块82一端连接所述接地端931另一端连接负极912，所述检测模块82包括一开关821以及与开关821串联的一电阻Ro，第一电压检测装置并联一固定电阻其一端连接正极911另一端连接负极912，用来检测正极911与负极912之间的总电压，而第二电压检测装置并联另一固定电阻其一端连接接地端931另一端连接负极912，用来检测接地端931与负极912之间的电压。
检测步骤如下：首先利用第一与第二电压检测装置检测获得端点之间的电压，再计算出绝缘电阻Rp和Rn在开关821接通前的跨压Vp和Vn值，以及开关821接通后的跨压Vp′和Vn′值，并列出电路公式，求解得到绝缘电阻Rp和Rn，计算公式如下所示。
尽管现有的电阻式检测技术使用的检测模块82结构简单，但是现有的电阻式检测技术中需要外接额外的第一电压检测装置及第二电压检测装置(图未示)，才可以检测出端点之间的电压，并进一步的计算出绝缘电阻Rn和Rp在开关821接通前后的电压Vp、Vn、Vp′和Vn′，另外依此结构无法在检测电路完成后，与第一电压检测装置及第二电压检测装置回路断开，而降低绝缘电阻值的大小，并且两组电压检测单元需要两个类比数位转化器(ADC)，因此，在使用设计上仍有改进的空间。
因此需要设计一款成本低，并可以精确测量绝缘电阻的绝缘电阻检测装置来保证电池组对人身的安全。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有设计的不足，提供一种绝缘电阻检测装置。
为了实现以上目的，本发明提供一种绝缘电阻检测装置，用于检测主电池系统中的一高压电池组与一接地端之间的绝缘电阻值，其中所述主电池系统包括与所述高压电池组串联的一主开关，所述主开关由一电池电源管理系统控制，所述高压电池组的一正极与所述接地端之间视为具有一高电位绝缘电阻，所述高压电池组的一负极与相对于所述接地端之间视为具有一低电位绝缘电阻，其包括：
一检测单元，包括一电路模块、一第一开关、一第二开关、一检测节点及一电压检测装置，所述电路模块由多个固定电阻连接组成，且所述电路模块并联在所述正极与所述负极之间，所述第一开关连接于所述电路模块与所述接地端之间，所述第二开关连接于所述电路模块与所述负极之间，所述检测节点设置在所述电路模块中的多个固定电阻连接节点其中之一节点位置，并在所述检测节点位置外接所述电压检测装置；
一控制单元，所述控制单元连接所述所述第一开关与所述第二开关，且用于控制所述第一开关与所述第二开关的断开或接通状态；
一计算单元，所述计算单元连接所述电压检测装置，且用于接收所述电压检测装置检测的电压并进行多个公式运算，最后求得一高电位绝缘电阻与一低电位绝缘电阻，其中
当所述第一开关断开且所述第二开关断开时，所述电压检测装置检测所述检测节点的一第一电压，然后计算单元利用所述第一电压推导出一第二电压；
当所述第一开关接通且所述第二开关断开时，所述电压检测装置检测所述检测节点的一第三电压，然后计算单元利用所述第三电压推导出一第四电压；
当所述第一开关接通且所述第二开关接通时，所述电压检测装置检测所述检测节点的一第五电压，然后计算单元利用所述第五电压推导出一第六电压；
当得到所述第二电压、所述第四电压以及所述第六电压后，所述计算单元利用所述第二电压相减所述第四电压得到一第七电压，所述计算单元利用所述第二电压相减所述第六电压得到一第八电压；
所述计算单元将所述第四电压、所述第六电压、所述第七电压以及所述第八电压组成一第一函数；
所述计算单元分别在当第一开关接通且所述第二开关断开时以及当第一开关接通且所述第二开关接通时建立公式，进而计算出一低电位绝缘电阻运算式与一高电位绝缘电阻运算式，其中两个运算式是由所述第一函数、第四电压、第七电压与所述每个固定电阻组成的运算式。
作为进一步的改进，所述第一函数定义符号为M*，所述第一函数
其中Vn为第四电压，Vn′为第六电压，Vp为第七电压，Vp′为第八电压。
作为进一步的改进，所述每个固定电阻为一第一固定电阻Ra、一第二固定电阻Rb、一第三固定电阻Rc以及一第四固定电阻Rd，所述第一固定电阻Ra依序串联到所述第四固定电阻Rd，且所述第一固定电阻Ra一端连接于所述正极，所述第四固定电阻Rd的一端连接于所述负极。
作为进一步的改进，所述第一固定电阻Ra与所述第二固定电阻Rb之间连接所述第一开关，所述第三固定电阻Rc与所述第四固定电阻Rd之间连接所述第二开关，所述第二固定电阻Rb与所述第三固定电阻Rc的连接节点为所述检测节点的位置。
作为进一步的改进，所述低电位绝缘电阻定义符号为Rn，所述低电位绝缘电阻Rn的运算式为：
以及所述高电位绝缘电阻定义符号为Rp，所述高电位绝缘电阻Rp的运算式为：
其中M*为第一函数，Vn为第四电压，Vp为第七电压，Ra为第一固定电阻，Rb为第二固定电阻，Rc为第三固定电阻，Rd为第四固定电阻。
作为进一步的改进，所述电路模块包括一第一固定电阻Ra、一第二固定电阻Rb、一第三固定电阻Rc以及一第四固定电阻Rd，所述第一固定电阻Ra、所述第二固定电阻Rb与所述第三固定电阻Rc形成串联，且所述第一固定电阻Ra一端连接于所述正极，所述第三固定电阻Rc的一端连接于所述负极，所述第四固定电阻Rd一端连接于所述第一固定电阻Ra与所述第二固定电阻Rb的连接节点位置，所述第四固定电阻Rd另一端连接所述第二开关，且所述第二开关另一端连接于所述负极，因此第四固定电阻Rd并联第二固定电阻Rb和第三固定电阻Rc。
作为进一步的改进，所述第一固定电阻Ra与所述第二固定电阻Rb之间连接所述第一开关，所述第二固定电阻Rb与所述第三固定电阻Rc的连接节点为所述检测节点的位置。
作为进一步的改进，所述低电位绝缘电阻定义符号为Rn，所述低电位绝缘电阻Rn的运算式为：
以及所述高电位绝缘电阻定义符号为Rp，所述高电位绝缘电阻Rp的运算式为：
其中M*为第一函数，Vn为所述第四电压，Vp为所述第七电压，Ra为第一固定电阻，Rb为第二固定电阻，Rc为第三固定电阻，Rd为第四固定电阻。
作为进一步的改进，进一步包括一外加电压模块，所述外加电压模块包括一固定电压源、一第三开关以及一第四开关，所述固定电压源与所述第三开关串联于所述正极与所述负极之间，所述第四开关串联于所述正极与所述电源电池管理系统之间，其中所述电池电源管理系统可控制所述第三开关与所述第四开关的断开或接通，且当所述第三开关接通时所述第四开关为断开状态，当所述第三开关断开时所述第四开关为接通状态。
本发明绝缘电阻检测装置通过检测单元内部的电路模块以及第一开关和第二开关的配置组合，可经由算数运算后得到所述绝缘电阻Rn、Rp，并且可以在回路检测完成后将检测单元完全和回路断开，不会在使用上降低绝缘电阻Rn、Rp，另外，通过外加电压模块可先在主电池供电前预先进行检测以确保供电安全。
附图说明
图1为现有电动汽车内包括一高压电池系统以及一动力系统的配置架构示意图。
图2为现有电动汽车内设置现有检测绝缘电阻技术的一检测模块的示意图。
图3为现有检测绝缘电阻技术的电路结构示意图。
图4为现有检测绝缘电阻技术的一开关接通时的电路结构示意图。
图5为本发明绝缘电阻检测装置的电路结构示意图。
图6为本发明绝缘电阻检测装置的第一实施例电路结构示意图。
图7为本发明第一实施例的电路结构示意图，其中第一开关为断开状态，第二开关为断开状态。
图8为本发明第一实施例的电路结构示意图，其中第一开关为接通状态，第二开关为断开状态。
图9为本发明第一实施例的电路结构示意图，其中第一开关为接通状态，第二开关为接通状态。
图10为本发明绝缘电阻检测装置的第二实施例电路结构示意图。
图11为本发明第二实施例的电路结构示意图，其中第一开关为断开状态，第二开关为断开状态。
图12为本发明第二实施例的电路结构示意图，其中第一开关为接通状态，第二开关为断开状态。
图13为本发明第二实施例的电路结构示意图，其中第一开关为接通状态，第二开关为接通状态。
图14为本发明绝缘电阻检测装置的第三实施例电路结构示意图。
图中各附图标记说明如下。
90 电动汽车 91 高压电池系统
911 正极 912 负极
92 动力系统 93 车壳
931 接地端 80 现有检测绝缘电阻技术
81 系统模块 811 电源系统
812 控制系统 82 检测模块
821 开关
200 绝缘电阻检测装置 10 检测单元
11 电路模块 12 第一开关
13 第二开关 14 检测节点
15 电压检测装置 20 控制单元
30 计算单元 40 电池电源管理系统
50 事件触发单元 60 主电池系统
61 主开关 62 高压电池组
70 外加电压模块 71 固定电压源
72 第三开关 73 第四开关。
具体实施方式
为详细说明本發明的技术内容、构造特征、所实现的目的及功效，以下结合具体实施例并配合附图予以详细说明。
应理解的，在本发明说明书中，连接是指电连接，并相当于能够供应或传送电流、电压的状态。因此，连接不一定必须是指直接连接的状态，而在连接状态的范畴内还包括以能够供应或传送电流、电压的方式通过布线、电阻器等元件间接连接的状态。
应理解的，在本发明说明书中，所述开关可为一种电子元件例如MOSFET、BTJ、Thyristor等或其他方式呈现断开或接通状态的装置或元件，例如为一种机械开关、继电器、电磁接触器等及其类似装置。
如图1所示，一般电动汽车90包括一高压电池系统91以及连接所述高压电池系统91的动力系统92并配置于一车壳93内，其中高压电池系统91的正极911与接地端931之间具有一高电位绝缘电阻RH，高压电池系统91的负极912与接地端931之间具有一低电位绝缘电阻RL
如图5所示，所述绝缘电阻检测装置200包括一检测单元10、一控制单元20、一计算单元30、一电池电源管理系统40、一事件触发单元50以及一主电池系统60，所述主电池系统60连接于所述正极911与负极912之间，并且在正极911与接地端931之间视为具有一高电位绝缘电阻Rp，在负极912与接地端931之间视为具有一低电位绝缘电阻Rn。
所述检测单元10包括一电路模块11、一第一开关12、一第二开关13、一检测节点14、一电压检测装置15，所述电路模块11是由多个固定电阻连接组成，且所述电路模块11并联在所述正极911与所述负极912之间，所述第一开关12连接于所述电路模块11与所述接地端931之间，所述第二开关13连接于所述电路模块11与所述负极912之间，所述检测节点14设置在所述电路模块11中的多个固定电阻连接节点其中之一节点位置，并在所述检测节点14位置外接所述电压检测装置15。所述电压检测装置15包括一类比数位转化器(图未示)，可将检测到的类比讯号电压转化成数位讯号。
所述控制单元20分别连接第一开关12与所述第二开关13并控制所述第一开关12与所述第二开关13断开或接通的状态。
所述计算单元30连接电压检测装置15并接收所述电压检测装置15所检测的所述检测节点14电压，然后再进一步的运算出一第一函数。
所述计算单元30亦用于运算多个公式，并最后求得一高电位绝缘电阻Rp值与一低电位绝缘电阻Rn值。
所述电池电源管理系统40连接事件触发单元50以规划事件触发单元50，依据应用需求可启动检测程序，再由控制单元20控制第一开关12与所述第二开关13断开或接通状态。
所述电池电源管理系统40分别连接计算单元30与主电池系统60，用以获得计算单元30得到的高电位绝缘电阻Rp与低电位绝缘电阻Rn资讯，然后进一步地判断是否超出原先预设的高电位绝缘电阻Rp与低电位绝缘电阻Rn的安全范围，若超出安全范围，则直接关闭主电池系统60。
所述主电池系统60包括一主开关61以及一高压电池组62，所述电池电源管理系统40连接主开关61以控制所述主开关61的接通或断开，所述高压电池组62一端为正极911另一端为负极912。
如图6所示，其中部分元件省略未出示于图中，但本发明第一实施例所欲表达为所述电路模块11中所述每个固定电阻的配置方式，以及本发明检测绝缘电阻的检测程序。
所述电路模块11包括一第一固定电阻Ra、一第二固定电阻Rb、一第三固定电阻Rc以及一第四固定电阻Rd，第一固定电阻Ra与第二固定电阻Rb与第三固定电阻Rc以及第四固定电阻Rd形成串联，且第一固定电阻Ra的一端连接所述正极911，所述第四固定电阻Rd的一端连接所述负极912，其中，第一固定电阻Ra与第二固定电阻Rb之间连接所述第一开关12，第三固定电阻Rc与第四固定电阻Rd之间连接所述第二开关13，第二固定电阻Rb与第三固定电阻Rc的连接节点为所述检测节点14的位置，所述检测节点14另外接所述电压检测装置15(图5所示)。
如图7所示，当所述第一开关12断开且所述第二开关13断开时，所述电压检测装置15检测所述检测节点14的一第一电压Vof，然后计算单元30利用所述第一电压Vof推导出一第二电压Vpack，所述第二电压Vpack为正极911到负极912之间的电压，采用如以下方式计算第二电压Vpack
如图8所示，当所述第一开关12接通且所述第二开关13断开时，所述电压检测装置15检测所述检测节点14的一第三电压Vnf，然后计算单元30利用所述第三电压Vnf推导出一第四电压Vn，所述第四电压Vn为接地端931到负极912之间的电压，采用如以下方式计算第四电压Vn
如图9所示，当所述第一开关12接通且所述第二开关13接通时，所述电压检测装置15检测所述检测节点14的一第五电压Vnf′，然后计算单元30利用所述第五电压Vnf′推导出一第六电压Vn′，所述第六电压Vn′为接地端931到负极912之间的电压，采用如以下方式计算第六电压Vn′
当得到所述第二电压Vpack、所述第四电压Vn以及所述第六电压Vn′后，所述计算单元30利用所述第二电压Vpack相减所述第四电压Vn得到一第七电压Vp，所述计算单元30利用所述第二电压Vpack相减所述第六电压Vn′得到一第八电压Vp′，其中所述第七电压Vp为当第一开关12接通且所述第二开关13断开时，所述正极911到接地端931之间的电压，所述第八电压Vp′为当所述第一开关12接通且所述第二开关13接通时，所述正极911到接地端931之间的电压。
所述计算单元30将所述第四电压Vn、所述第六电压Vp、所述第七电压Vn′以及所述第八电压Vp′组成一第一函数M*，采用如以下方式计算所述第一函数M*：
当第一开关12接通且所述第二开关13断开时，所述计算单元30建立一公式（A），公式（A）采用如以下方式计算：
当第一开关12接通且所述第二开关13接通时，所述计算单元30建立一公式（B），公式（B）采用如以下方式计算：
将（A）带入（B），并且整理调整后获得：
一低电位绝缘电阻Rn运算式：
以及一高电位绝缘电阻Rp运算式：
这两个运算式是由所述第一函数M*与所述每个固定电阻组成，由于所述第一函数M*是由已运算出来的电压Vn、Vp、Vn′以及Vp′所组成，所述每个固定电阻也是在设计所述电路模块11时已经知道的资料，因此，计算单元30可以顺利算出所述低电位绝缘电阻Rn与所述高电位绝缘电阻Rp。
如图10所示，其中部分元件省略未出示于图中，但本发明第二实施例所欲表达为所述电路模块11中所述每个固定电阻的配置方式，以及本发明检测绝缘电阻的检测程序。
所述电路模块11包括一第一固定电阻Ra、一第二固定电阻Rb、一第三固定电阻Rc以及一第四固定电阻Rd，第一固定电阻Ra、第二固定电阻Rb与第三固定电阻Rc形成串联，且第一固定电阻Ra一端连接于所述正极911，第三固定电阻Rc的一端连接于所述负极912，其中第一固定电阻Ra与第二固定电阻Rb之间连接所述第一开关12，第二固定电阻Rb与第三固定电阻Rc的连接节点为所述检测节点14的位置，所述检测节点14另外接电压检测装置15(图5所示)，第四固定电阻Rd一端连接于第一固定电阻Ra与第二固定电阻Rb的连接节点位置，第四固定电阻Rd另一端连接所述第二开关13，且所述第二开关13另一端连接于所述负极912，因此第四固定电阻Rd并联第二固定电阻Rb和第三固定电阻Rc。
如图11所示，当所述第一开关12断开且所述第二开关13断开时，所述电压检测装置15检测所述检测节点14的一第一电压Vof，然后计算单元30利用所述第一电压Vof推导出一第二电压Vpack，所述第二电压Vpack为正极911到负极912之间的电压，采用如以下方式计算第二电压Vpack
如图12所示，当所述第一开关12接通且所述第二开关13断开时，所述电压检测装置15检测所述检测节点14的一第三电压Vnf，然后计算单元30利用所述第三电压Vnf推导出一第四电压Vn，所述第四电压Vn为接地端931到负极912之间的电压，采用如以下方式计算第四电压Vn
如图13所示，当所述第一开关12接通且所述第二开关13接通时，所述电压检测装置15检测所述检测节点14的一第五电压Vnf′，然后计算单元30利用所述第五电压Vnf′推导出一第六电压Vn′，所述第六电压Vn′为接地端931到负极912之间的电压，采用如以下方式计算第六电压Vn′
当得到所述第二电压Vpack、所述第四电压Vn以及所述第六电压Vn′后，所述计算单元30利用所述第二电压Vpack相减所述第四电压Vn得到一第七电压Vp，所述计算单元30利用所述第二电压Vpack相减所述第六电压Vn′得到一第八电压Vp′，其中所述第七电压Vp为当第一开关12接通且所述第二开关13断开时，所述正极911到接地端931之间的电压，所述第八电压Vp′为当所述第一开关12接通且所述第二开关13接通时，所述正极911到接地端931之间的电压。
所述计算单元30将所述第四电压Vn、所述第六电压Vp、所述第七电压Vn′以及所述第八电压Vp′组成一第一函数M*，采用如以下方式计算所述第一函数M*：
当第一开关12接通且所述第二开关13断开时，所述计算单元30建立一公式（C），公式（C）采用如以下方式计算：
当第一开关12接通且所述第二开关13接通时，所述计算单元30建立一公式（D），公式（D）采用如以下方式计算：
将（C）带入（D），并且整理调整后获得：
一低电位绝缘电阻Rn运算式：
以及一高电位绝缘电阻Rp运算式：
这两个运算式是由所述第一函数M*、第四电压Vn、第七电压Vp与所述每个固定电阻组成，由于所述第一函数M*是由已运算出来的电压Vn、Vp、Vn′以及Vp′所组成，所述每个固定电阻也是在设计所述电路模块11时已经知道的资料，因此，计算单元30可以顺利算出所述低电位绝缘电阻Rn与所述高电位绝缘电阻Rp。
如图13所示，其中部分元件省略未出示于图中，但本发明第三实施例所欲表达的内容为一外加电压模块70配置于绝缘电阻检测装置200内，其可应用于前述本发明第一实施例与本发明第二实施例内。
外加电压模块70包括一固定电压源71、一第三开关72以及一第四开关73，固定电压源71与第三开关72串联于正极911与负极912之间，第四开关73串联于正极911与电源电池管理系统40之间，其中电池电源管理系统40可控制第三开关72与第四开关73的断开或接通，且当第三开关72接通时第四开关73为断开状态，当第三开关72断开时第四开关73为接通状态。
外加电压模块70的电压比主电池系统60中的高压电池组62的电压小，当高压电池组62未供电前，外加电压模块70可作为预先检测绝缘电阻的测试电压，并确保绝缘电阻Rn、Rp于一定安全范围后，再接通主电池系统60运作。
如上所述，本发明绝缘电阻检测装置200通过检测单元10内部的电路模块11以及第一开关12和第二开关13的配置组合，可经由算数运算后得到所述绝缘电阻Rn、Rp，相较于先前技术在正极911与负极912外接两组电压检测装置，本发明仅需一组电压检测装置15，而且可以在回路检测完成后将检测单元10完全和回路断开，不会在使用上降低绝缘电阻Rn、Rp，另外，通过外加电压模块可先在主电池供电前预先进行检测以确保供电安全。