電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池在線絕緣電阻檢測(cè)方法研究*

劉廣敏 喬 昕 張曉鵬

（山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所）

1 前言

隨著能源和環(huán)保問(wèn)題的日益突出，車輛的電動(dòng)化已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。電動(dòng)汽車無(wú)論使用車載蓄電池、燃料電池還是超級(jí)電容，其直流電壓已超過(guò)人體所能承受的范圍，有的電池電壓甚至達(dá)到600 V[1，2]。在如此高壓條件下，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池發(fā)生漏電或人員觸電造成的絕緣性能下降非常必要。GB/T 18384.1中規(guī)定了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池電壓超過(guò)交流25 V或直流60 V時(shí)必須檢測(cè)動(dòng)力電池的絕緣電阻，當(dāng)絕緣電阻降低到標(biāo)準(zhǔn)以下時(shí)必須及時(shí)報(bào)警以及采取必要的保護(hù)措施[3，4]。本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池在線絕緣檢測(cè)方法。

2 蓄電池在線絕緣電阻檢測(cè)方法

目前，我國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車絕緣電阻的檢測(cè)方法有2種，一是采用信號(hào)注入的方法進(jìn)行測(cè)量[5，6]，另外一種方法是采用外接電阻切換測(cè)量[4，7～9]。信號(hào)注入的方法是指對(duì)電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)注入一定頻率的直流電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)量反饋的直流信號(hào)計(jì)算絕緣電阻。這種信號(hào)對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生紋波干擾，影響系統(tǒng)的正常工作。而現(xiàn)有的外接電阻切換的絕緣電阻測(cè)量方法檢測(cè)精度較低，同時(shí)因長(zhǎng)時(shí)間接入測(cè)量電阻，所以降低了系統(tǒng)的絕緣性能，增加了電池功耗。為此，根據(jù)現(xiàn)有的外接電阻切換測(cè)量方法，提出了一種采用光電MOSFET開(kāi)關(guān)、分壓電阻及高共模電壓差分運(yùn)放，且成本低、功耗小、性能安全的在線絕緣檢測(cè)方法。

3 動(dòng)力鋰電池絕緣電阻測(cè)量原理

GB/T 18384.1—2001中將動(dòng)力蓄電池絕緣電阻定義為“如果動(dòng)力蓄電池與地之間的某一點(diǎn)短路，最大（最壞情況下）的泄漏電流所對(duì)應(yīng)的電阻”。絕緣電阻分為絕緣電阻無(wú)限大、絕緣電阻為零、絕緣電阻為某一值等3種情況。GB/T 18384.1—2001中規(guī)定動(dòng)力蓄電池絕緣電阻最小值為100 Ω/V，安全值為 100～500 Ω/V[1]。

實(shí)際上，動(dòng)力蓄電池的正負(fù)兩端子對(duì)底盤的絕緣電阻是有限的，利用圖1和圖2的電路模型可推導(dǎo)出絕緣電阻計(jì)算公式。

通常動(dòng)力蓄電池Vb（圖1）正端對(duì)底盤絕緣電阻Ri1與動(dòng)力蓄電池負(fù)端對(duì)底盤絕緣電阻Ri2是不相等的，特別是有漏電的情況下。因?yàn)镽i1和Ri2串接在電路中，較小的電阻會(huì)允許較大的電流流過(guò)動(dòng)力蓄電池另一端與底盤相接的外部電路，因此動(dòng)力蓄電池的絕緣電阻等于Ri1或Ri2中較小者。采用內(nèi)阻大于10M的電壓表，按圖1所示模型測(cè)量動(dòng)力蓄電池正、負(fù)端對(duì)底盤的電壓V1和V2，即為動(dòng)力蓄電池正、負(fù)端對(duì)底盤絕緣電阻串聯(lián)在動(dòng)力蓄電池Vb中分壓后得到的電壓。假設(shè)電壓表的內(nèi)阻足夠大可忽略，此時(shí)應(yīng)有:

測(cè)量得到的V1和V2有2種情況:V1≥V2或V1＜V2。

當(dāng)V1≥V2時(shí)，在動(dòng)力蓄電池的正端與底盤之間插入1個(gè)已知阻值的電阻R0（R0為按照國(guó)標(biāo)規(guī)定的安全域值100～500 Ω/V計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)電阻）,然后測(cè)量電阻R0兩端電壓，得V3值。假設(shè)電壓表的內(nèi)阻足夠大可忽略，此時(shí)應(yīng)有:

經(jīng)推導(dǎo)得:

當(dāng)V1＜V2時(shí)，也在動(dòng)力蓄電池的負(fù)端與底盤之間插入電阻R0，然后再次測(cè)量電阻R0上的電壓，得V4值。

經(jīng)推導(dǎo)得:

4 在線絕緣電阻檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池在線絕緣電阻檢測(cè)方法設(shè)計(jì)方案采用GB/T 18384.1—2001中規(guī)定的測(cè)量方案。國(guó)標(biāo)中規(guī)定的測(cè)量步驟為:第1步測(cè)量動(dòng)力鋰電池正、負(fù)兩端對(duì)底盤的電壓，找到較小的絕緣電阻；第2步是在具有較大絕緣電阻的動(dòng)力鋰電池的一端對(duì)底盤并聯(lián)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，并重新測(cè)量R0兩端電壓；第3步是計(jì)算絕緣電阻，并判斷絕緣電阻是否危及人身安全，以及采取相應(yīng)的措施。

4.1 在線絕緣電阻檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池在線絕緣電阻檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

在線絕緣電阻檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)分為電壓分壓測(cè)量電路和采樣計(jì)算電路2部分。電阻分壓測(cè)量電路采用模擬分立電路設(shè)計(jì)，按GB/T 18384.1—2001的測(cè)量要求，控制MCU采樣動(dòng)力電池正、負(fù)兩端對(duì)底盤的電壓，及在并聯(lián)電阻R0的情況下測(cè)量動(dòng)力電池兩端對(duì)底盤的電壓。圖3中的K1、K2、K3、K4為高壓開(kāi)關(guān)，并采用光電隔離、高阻斷電阻低導(dǎo)通電阻的光電繼電器AQW224，運(yùn)算放大器采用高共模電壓的差分運(yùn)算放大器。

高壓開(kāi)關(guān)K1與電阻R1、R2、R3串聯(lián)組成動(dòng)力鋰電池正端對(duì)底盤的電壓測(cè)量電路，R1、R2、R3串聯(lián)電阻值為10.11 MΩ（《GB/T 18384.1》規(guī)定電壓表內(nèi)阻大于10MΩ）。當(dāng)需要采樣時(shí)，MCU控制高壓開(kāi)關(guān)K1閉合，采用電阻分壓后經(jīng)過(guò)高共模電壓差分運(yùn)算放大器將電池正端對(duì)底盤的電壓采樣放大，得到端電壓V1。

高壓開(kāi)關(guān)K2與電阻R4、R5、R6串聯(lián)組成動(dòng)力鋰電池負(fù)端對(duì)底盤的電壓測(cè)量電路，測(cè)量過(guò)程同動(dòng)力電池正端對(duì)底盤的電壓測(cè)量過(guò)程，得到端電壓為V2。

高壓開(kāi)關(guān)K3與電阻R011、R012、R013串聯(lián)組成動(dòng)力蓄電池正端對(duì)底盤的電壓測(cè)量電路。圖3中R011、R012、R013串聯(lián)組成電阻 R0，阻值為 30.3 KΩ。當(dāng)需要采樣時(shí)，MCU控制高壓開(kāi)關(guān)K3閉合，采用電阻分壓后經(jīng)過(guò)高共模電壓差分運(yùn)算放大器將電阻R0對(duì)底盤的電壓采樣放大，得到端電壓V3。

高壓開(kāi)關(guān)K4與電阻R021、R022、R023串聯(lián)組成動(dòng)力蓄電池負(fù)端對(duì)底盤并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)已知電阻R0的電壓測(cè)量電路，測(cè)量過(guò)程同動(dòng)力蓄電池正端對(duì)底盤并聯(lián)電阻R0的電壓測(cè)量，得到端電壓V4。

在電壓分壓測(cè)量電路反壓采樣得到電壓后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換為總線式的數(shù)字電壓，經(jīng)過(guò)總線隔離器后到 MCU，MCU 按式（5）和式（6）即可計(jì)算出絕緣電阻。高壓開(kāi)關(guān)部分采用光電隔離控制，A/D采樣部分也采用了數(shù)字隔離，因此MCU測(cè)量電路部分與高壓動(dòng)力蓄電池實(shí)現(xiàn)了完全的電氣隔離。

4.2 在線絕緣檢測(cè)軟件測(cè)量流程

系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，主要包括絕緣檢測(cè)部分和通信部分，絕緣檢測(cè)部分流程如圖4所示。

5 測(cè)試結(jié)果及誤差分析

為測(cè)試在線絕緣電阻檢測(cè)方法的性能，在試驗(yàn)室搭建了模擬試驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。試驗(yàn)中的電池組采用三元材料60 V/2 A鋰電池組，底盤采用1塊金屬板模擬，電池正、負(fù)兩端對(duì)底盤并聯(lián)精度為5%的可調(diào)電位器電阻，調(diào)節(jié)不同阻值模擬不同情況下的絕緣電阻狀況，采用在線絕緣電阻檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示。

分3種情況進(jìn)行試驗(yàn):電池正端對(duì)底盤絕緣電阻為安全值，電池負(fù)端對(duì)底盤絕緣電阻從大到小逐漸變化，選取數(shù)個(gè)點(diǎn)測(cè)量絕緣電阻值；電池負(fù)端對(duì)底盤絕緣電阻為安全值，電池正端對(duì)底盤絕緣電阻從大到小逐漸變化，選取數(shù)個(gè)點(diǎn)測(cè)量絕緣電阻值；電池正、負(fù)端對(duì)底盤絕緣電阻都小于安全值，兩側(cè)絕緣電阻在安全值附近從大到小逐漸變化，選取數(shù)個(gè)點(diǎn)測(cè)量絕緣電阻值。測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)先斷電，采用FLUKE 17B型萬(wàn)用表測(cè)量絕緣電阻值并記錄，系統(tǒng)上電，采用在線絕緣電阻檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量，并記錄測(cè)量結(jié)果。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算絕對(duì)誤差和百分比誤差并選取典型值，如表1所列。

表1 絕緣電阻試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

從表1可知，采用在線絕緣電阻檢測(cè)方法對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3種情況下的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，均可檢測(cè)出絕緣電阻的具體數(shù)值，測(cè)量誤差在5%范圍內(nèi)，可滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池的絕緣檢測(cè)要求。但是所得到的絕緣電阻數(shù)值均偏低，說(shuō)明零點(diǎn)選取的不是很準(zhǔn)確，還有改進(jìn)的空間。通過(guò)提高AD采樣精度可進(jìn)一步提高所設(shè)計(jì)的在線絕緣檢測(cè)方法的測(cè)量精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池在線絕緣檢測(cè)方法，無(wú)需電壓電流傳感器，只需要光電MOSFET開(kāi)關(guān)、分壓電阻及高共模電壓差分運(yùn)放，成本低。因采用光電開(kāi)關(guān)，并聯(lián)電阻在測(cè)量時(shí)才接入電池正、負(fù)兩端，所以降低了電池功耗，同時(shí)避免了長(zhǎng)時(shí)間電阻接入造成的絕緣電阻下降帶來(lái)的漏電危害。實(shí)現(xiàn)了測(cè)量裝置和動(dòng)力蓄電池的電氣隔離，安全性能高。測(cè)試結(jié)果表明，該在線絕緣檢測(cè)方法能準(zhǔn)確地檢測(cè)各種情況下蓄電池的絕緣電阻，可滿足電動(dòng)汽車在線實(shí)時(shí)檢測(cè)需求。

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