基于單片機的電動汽車絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)研制

李 燁，張 磊，盧 浩

（1.北京航空航天大學 工程訓練中心，北京 100191；2.濰柴動力股份有限公司新能源動力系統(tǒng)工程部，濰坊261061；3.北京航天微系統(tǒng)所，北京100094）

與傳統(tǒng)汽車不同，電動汽車電氣系統(tǒng)分為低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)。低壓系統(tǒng)一般采用直流12 V或24 V蓄電池為車輛的中央控制器、燈光、雨刷等提供電能；高壓系統(tǒng)采用高達300 V～700 V的高壓動力蓄電池為車輛驅(qū)動電機、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和車載空調(diào)等提供功率[1-3]。高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)之間通過隔離設備隔離，高壓系統(tǒng)與底盤（汽車低壓系統(tǒng)的零電位）之間沒有直接的電氣連接。

如果高壓系統(tǒng)對車架絕緣電阻過低，高壓母線正負極引線將通過絕緣電阻與底盤構(gòu)成漏電流回路，提升底盤電位，這不僅會影響整車低壓各系統(tǒng)的正常工作[4]，而且會因熱量積聚效應損壞線束，嚴重時引起火災，危及駕乘人員的人身安全。

國家標準GBT18384《電動汽車安全要求》[5]明確要求，電動汽車動力系統(tǒng)和車輛底盤及輔助電路必須有相應的絕緣電阻，且絕緣電阻值除以電動汽車直流標稱電壓至少為100 Ω/V，當絕緣電阻不能滿足安全要求時，應及時更換維修。因此實時監(jiān)測電動汽車電氣絕緣性能對保證整車正常運行和駕乘人員安全有重要意義。

1 電動汽車絕緣監(jiān)測方法現(xiàn)狀

電動汽車高壓直流系統(tǒng)的絕緣性能使用高壓直流電對汽車電底盤的漏電流大小進行描述。根據(jù)國家標準規(guī)定，泄漏電流任何情況下均不能超過2 mA。通常在檢測中可以通過傳感器直接測量電流或者測量絕緣電阻的阻值進而推斷出泄漏電流的大小。

目前對電動汽車絕緣監(jiān)測的方法主要有2種[6-7]，其一為橋式電阻法，即在直流母線正負極和電底盤之間接入匹配電阻，通過電子開關或高壓繼電器連接電阻和電底盤，然后利用電壓或電流傳感器測量該電阻的電壓或電流，再計算得到絕緣電阻。這種方法需要外接傳感器，且整車在運行過程中直流母線電壓及正負極對地絕緣電阻值會發(fā)生變化，橋式電阻法忽略了直流母線變化這一因素。第二種方法為電流傳感器法，即采用霍爾電流傳感器將待測系統(tǒng)中電源的正極和負極一起同方向穿過電流傳感器，當沒有漏電流時，從電源正極流出的電流等于返回電源負極的電流，此時傳感器輸出電壓為零；當發(fā)生漏電現(xiàn)象時，電流傳感器輸出電壓不為零，根據(jù)傳感器輸出電壓正負可進一步確定漏電在正極還是負極，但該系統(tǒng)無法在電源空載狀態(tài)下監(jiān)測，且無法確定正極和負極分別對電底盤的絕緣電阻。

針對以上2種測量絕緣電阻方法的弊端，本文設計了一種新的電動汽車絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅不需要外接傳感器，而且能夠?qū)崟r監(jiān)測高壓系統(tǒng)母線電壓及正負極分別對底盤絕緣電阻，隨后通過CAN總線將電阻值發(fā)送到整車控制器，進行數(shù)字化控制。通過內(nèi)部設置限值，當系統(tǒng)監(jiān)測到絕緣電阻低于限值時，向整車控制器發(fā)送故障代碼，同時啟動聲光報警裝置，提醒駕駛員靠邊停車。

2 絕緣電阻監(jiān)測原理

本文設計的絕緣電阻監(jiān)測電路如圖1所示。

圖1 絕緣電阻監(jiān)測電路Fig.1 Detection circuit of insulation resistance

U+和U-分別為正負極對電底盤電壓值，R1和R2分別為正負極對車架絕緣電阻值。R0為已知電阻值，為保證正極對車架絕緣性能，R0可在100 Ω/V～500 Ω/V選擇。運放A和電阻R3～R6構(gòu)成比例放大電路，將高壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C可用的低壓。由圖1可以看出，當R5/R3=R6/R4，有如下結(jié)果

由式（1）和式（2）可知，單片機采集到 U1和 U0后可以反推正極對電底盤電壓U+和高壓母線電壓U+-U-。當開關S斷開時

當開關S閉合時，單片機采集到的分別為U1′和 U0′。

由于 R3＜＜R5，由式（3）～式（6）可以推得：

3 系統(tǒng)設計方案

根據(jù)第2節(jié)所示原理，設計了電動汽車絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示。圖中比例電路采用精密運放和電阻網(wǎng)絡，用來將直流母線高壓電轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱CAD允許輸入的電壓，便于單片機進行數(shù)據(jù)處理。開關S采用BUP203型IGBT開關管，耐壓等級為1000 V，通過將S斷開或閉合，將R0斷開或接入到電路中。模擬電壓隔離部分采用Aligent公司的HCNR201構(gòu)成的線性光耦隔離電路，以減少對單片機輸入信號的干擾。單片機采用飛思卡爾XEP100，其內(nèi)置CAN通信接口及A/D轉(zhuǎn)換模塊，便于使整個監(jiān)測模塊小型化[8]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of hardware structure

XEP100在系統(tǒng)中的主要作用：1）驅(qū)動功率開關IGBT動作；2）采集U0、U1電壓信號，通過內(nèi)部計算確定整車高壓母線電壓及高壓正負極對電底盤絕緣電阻值；3）將計算數(shù)值通過CAN通信發(fā)送到整車控制器；4）當絕緣電阻值低于限值時，向整車控制器報故障代碼，并啟動聲光報警裝置。

4 系統(tǒng)測試及分析

為對該電動汽車絕緣監(jiān)測系統(tǒng)進行測試，搭建了系統(tǒng)測試平臺。使用可調(diào)輸出的整流電源模擬母線輸入電壓，在電源正負極與底盤之間分別跨接已知阻值高精密大電阻代替正負極對電底盤絕緣電阻，分別更換輸入電壓和模擬絕緣電阻值，系統(tǒng)測試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 母線電壓測試結(jié)果Tab.1 Cable voltage test result

表2 正負極對電底盤絕緣電阻測試結(jié)果Tab.2 Test results of insulation resistance

由表1和表2可以看出，設計的電動汽車絕緣監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱悠嚹妇€電壓及母線正負極對地絕緣阻抗進行實時監(jiān)測，且母線電壓和正負極絕緣電阻最大誤差均不超過1%，能夠滿足測量要求。

5 結(jié)語

對電動汽車母線正負極絕緣阻抗的監(jiān)測不僅關系到整車的正常運行，而且關系到駕乘人員的安全。本文設計的電動汽車絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，不需要外接任何傳感器，可以對母線電壓及母線正負極對電底盤絕緣阻抗進行實時監(jiān)測，且測量誤差小，滿足電動汽車實時監(jiān)測的需要。

[1]黃勇，陳全世，陳伏虎.電動汽車電氣絕緣檢測方法的研究[J].儀器儀表與檢測，2005（4）：93-95.

[2]吳平安，張少海，易志明.直流系統(tǒng)漏電檢測方法的比較[J].華北電力技術，2003（2）：52-54.

[3]潘磊，姜久春，李景新，等.電動汽車智能無源接地檢測裝置的研制[J].電氣傳動自動化，2003，25（4）：47-48.

[4]Thomas Baldw in et al.Directional Ground-Fault Indicator for High-Resistance Grounded Systems.IEEE Transcation on Industry Application，2003，39（2）：325-332.

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 18384.1～3-2001.電動汽車安全要求[S]，2001：1-22.

[6]郭宏榆，姜久春，溫家鵬，等.新型電動汽車絕緣檢測方法研究[J].電子測量與儀器學報，2011，25（3）：253-257.

[7]馬春排，張元斌.絕緣電阻數(shù)字化測量的研究[J].中國儀器儀表，2002（1）：7-10.

[8]袁開鴻，陳新喜，魏麗君.基于STM32的機車絕緣電阻測試儀的研究與設計[J].儀表技術與傳感器，2014（7）：40-42，45.