電動(dòng)汽車絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)方法的研究

吳成加

電動(dòng)汽車絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)方法的研究

吳成加

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

設(shè)計(jì)一種電流信號(hào)注入方式的電動(dòng)汽車新型絕緣檢測(cè)裝置，通過(guò)在高壓系統(tǒng)和車輛底盤之間注入一個(gè)電流信號(hào)，在高壓系統(tǒng)、車輛底盤、漏電電阻、采樣電阻和電流源之間形成一個(gè)測(cè)量回路，檢測(cè)測(cè)量回路中取樣電阻上產(chǎn)生的電壓信號(hào)，并進(jìn)行運(yùn)算得到絕緣電阻阻值。實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)工作可靠，測(cè)量精度高，可有效在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的絕緣性能，保障行車安全。

電動(dòng)汽車；在線監(jiān)測(cè)；絕緣電阻；電流注入

電動(dòng)汽車集機(jī)械裝置、動(dòng)力電池、電力配電傳輸、變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)等為一體，是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化移動(dòng)綜合體。電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)中的輸配電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換等都會(huì)涉及到絕緣問(wèn)題。直流高壓系統(tǒng)的電纜絕緣介質(zhì)老化或受潮濕環(huán)境等因素影響都會(huì)導(dǎo)致高壓電氣系統(tǒng)和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正極或負(fù)極引線將通過(guò)絕緣層和底盤之間構(gòu)成漏電回路，使車輛底盤電位上升，影響高壓電氣和電機(jī)控制器的正常工作，危及駕乘人員的人身安全。當(dāng)車輛高壓電路和底盤之間出現(xiàn)多點(diǎn)絕緣性能下降時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量積聚效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電氣火災(zāi)。因此，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)高壓電氣系統(tǒng)對(duì)車輛底盤的絕緣性能，對(duì)保證乘客人身安全、電氣設(shè)備正常工作和車輛安全運(yùn)行具有重要意義［1］。

1　絕緣電阻檢測(cè)原理

對(duì)電動(dòng)汽車絕緣電阻的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)都進(jìn)行了一些研究［2-7］。這些研究的方法大多數(shù)是采用電阻法、母線端電壓法或?qū)ΨQ電壓測(cè)量法進(jìn)行檢測(cè)，在直流母線正負(fù)極和車輛底盤之間接入電阻，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)或高壓繼電器接通電阻和車輛底盤，然后測(cè)量這些電阻上的電壓或電流，再計(jì)算得到絕緣電阻的大小。這些方法或多或少都有一些缺陷，如工作不可靠，不能響應(yīng)動(dòng)力電池內(nèi)部對(duì)地短路故障、不能測(cè)量正負(fù)對(duì)稱故障、無(wú)法精確測(cè)量正負(fù)母線雙端對(duì)稱接地時(shí)的絕緣電阻，系統(tǒng)泄漏電容增大時(shí)測(cè)量參數(shù)偏差大等問(wèn)題。本文采用一種新的檢測(cè)原理，通過(guò)向高壓回路注入一個(gè)可變電流信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)接收回路上的電流變化值來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前的絕緣電阻值，可徹底解決電池內(nèi)部對(duì)地短接或正負(fù)對(duì)稱接地時(shí)無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題；且不受系統(tǒng)泄漏電容的影響，同時(shí)無(wú)需改變檢測(cè)電路中硬件參數(shù)值就可在全電壓（DC0～800 V）范圍內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)的絕緣電阻。

車輛絕緣狀況的好壞由直流高壓正負(fù)極對(duì)車輛底盤的電阻值來(lái)確定。電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)（GB-T18384.1-2001）中規(guī)定，在動(dòng)力蓄電池的整個(gè)壽命期內(nèi)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法得到的絕緣電阻值除以動(dòng)力蓄電池的標(biāo)稱電壓U，所得值應(yīng)大于100 Ω/V，才符合安全需要［8］。

檢測(cè)電路原理如圖1所示，檢測(cè)回路由動(dòng)力電池系統(tǒng)、高壓正負(fù)極回路串聯(lián)電阻Ri、信號(hào)源、測(cè)量電阻Rm、汽車底盤、回路漏電電阻Rf組成。信號(hào)源是一個(gè)電流源信號(hào)，它通過(guò)高壓正負(fù)極回路串聯(lián)電阻Ri向動(dòng)力電池系統(tǒng)注入一個(gè)低頻的電流信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)高壓正負(fù)極回路串聯(lián)電阻Ri、動(dòng)力電池組、回路漏電電阻Rf、車輛底盤、測(cè)量電阻Rm形成一個(gè)信號(hào)回路［9］。在電流信號(hào)注入時(shí)，采樣電阻上的電流為

在圖1的測(cè)量回路中，信號(hào)源的注入電壓分別加載到回路的各個(gè)電阻上，其總電壓為分回路電壓之和。

由于測(cè)量回路的電阻Ri及Rm是已知的，由此可以計(jì)算出URi及URm，則回路漏電電阻上所加的電壓值URf值

由（1）、（3）式可得到最終的漏電電阻值

微處理器通過(guò)對(duì)注入信號(hào)的改變及Rm上電壓信號(hào)變化，進(jìn)行運(yùn)算、分析，最終計(jì)算出本系統(tǒng)的漏電電阻。在直流高壓系統(tǒng)單端對(duì)地漏電或正負(fù)對(duì)稱漏電時(shí)，由于回路的串并聯(lián)電阻發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)注入信號(hào)的極性判斷及采樣點(diǎn)的電壓變化值與參考電壓的變化差，判斷其故障點(diǎn)所在。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所述檢測(cè)原理，研制了電動(dòng)汽車電氣絕緣檢測(cè)系統(tǒng)，電路原理框圖如圖2所示。整個(gè)電路主要由信號(hào)注入回路和信號(hào)采樣回路、多階低通濾波器及數(shù)據(jù)采集處理單元組成。處理器采用飛思卡爾公司的16位高性能微控制器S9S12G128MAL，它是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的面向汽車行業(yè)的低成本、低功耗、高性能、低引腳數(shù)的16位微控制器產(chǎn)品，適合于CAN通信的通用汽車電子應(yīng)用，具有良好的EMC性能和代碼效率等優(yōu)勢(shì)。在信號(hào)注入回路中，由處理器產(chǎn)生一個(gè)超低頻的信號(hào)，用來(lái)改變檢測(cè)電路的當(dāng)前狀態(tài)，低頻信號(hào)通過(guò)放大器產(chǎn)生一個(gè)電流注入信號(hào)，注入到高壓系統(tǒng)回路中。如果直流高壓系統(tǒng)與車輛底盤之間有漏電現(xiàn)象，此電流信號(hào)經(jīng)漏電電阻、車輛底盤、檢測(cè)電路形成一個(gè)電流回路。在信號(hào)接收端，采樣電阻上得到相應(yīng)的輸出變化電壓，此電壓經(jīng)過(guò)多階低通濾波器，濾除高壓系統(tǒng)中在工作時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)，最終得到一個(gè)隨注入信號(hào)變化的檢測(cè)值。送入到處理器的AD采樣單元，微處理器通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算，得到當(dāng)前的絕緣電阻值。當(dāng)檢測(cè)值低于安全值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)報(bào)警信號(hào)，經(jīng)報(bào)警電路進(jìn)行輸出；同時(shí)通過(guò)CAN通訊接口將檢測(cè)值及報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳遞給車輛CAN網(wǎng)絡(luò)上的其它ECU控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息共享［10-11］。

圖3為主控處理器的信號(hào)采樣及報(bào)警處理部分軟件流程圖。由于注入電流信號(hào)頻率較低，以及在硬件上做了多階低通濾波設(shè)計(jì)，同時(shí)在軟件上也進(jìn)行多次采樣平滑濾波，信號(hào)的完整性得到了保證。

2.2測(cè)試結(jié)果與誤差分析

首先在試驗(yàn)室對(duì)不同的絕緣狀況進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)接入不同的正負(fù)極電阻，可模擬不同絕緣狀況對(duì)不同的母線電壓進(jìn)行測(cè)試［12］。表1為560 V直流母線電壓下正負(fù)極對(duì)地漏電電阻接入時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

表1　高壓正極/負(fù)極對(duì)地漏電電阻測(cè)試值

上表中測(cè)量值是在正負(fù)極分別接入并接電阻時(shí)得到的。由上表可見(jiàn)，當(dāng)接入電阻越大時(shí)，誤差值越大；當(dāng)接入電阻小到一定值后，接入電阻越來(lái)越小時(shí)，誤差值也會(huì)越來(lái)越大。電動(dòng)客車直流高壓系統(tǒng)的總電源電壓為600 V左右，根據(jù)電動(dòng)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)要求，它的絕緣電阻安全值應(yīng)大于60 kΩ，將其報(bào)警值設(shè)定為80 kΩ時(shí)，為一級(jí)故障報(bào)警，表明系統(tǒng)存在絕緣問(wèn)題；當(dāng)漏電電阻值大于80 kΩ且小于500 kΩ時(shí)，為二級(jí)故障報(bào)警，表明系統(tǒng)有輕微漏電現(xiàn)象。經(jīng)上表測(cè)試結(jié)果，當(dāng)漏電電阻為50 kΩ～100 kΩ時(shí)，得到的絕緣電阻值誤差范圍在1.5%～2.5%之間，直流高壓系統(tǒng)正常情況下，其絕緣電阻值為5 000 kΩ左右，此時(shí)，接入5 000 kΩ模擬漏電電阻時(shí)，其檢測(cè)值誤差范圍在3.0%～3.5%之間，符合電動(dòng)汽車安全需要。

本方案的顯著特點(diǎn)是，直流高壓系統(tǒng)與汽車底盤之間沒(méi)有直接電氣連接，保證了系統(tǒng)的安全可靠。由于向高壓系統(tǒng)注入的是低頻電流信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)干擾小，在測(cè)量時(shí)，不受直流高壓系統(tǒng)的電壓變化影響，在直流高壓系統(tǒng)的工作電壓從0～800 V之間，均可進(jìn)行精確測(cè)量。由于高壓系統(tǒng)和地之間存在泄漏電容，可由軟件自動(dòng)調(diào)整信號(hào)注入?yún)?shù)，自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)的變化，使系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)不受系統(tǒng)漏電容的影響，做到精確測(cè)量。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文研究并試制了一種新型的電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)電路，通過(guò)在高壓系統(tǒng)和車輛底盤之間注入一個(gè)電流信號(hào)并形成一個(gè)測(cè)量回路。通過(guò)檢測(cè)測(cè)量回路中采樣信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算，得到絕緣電阻值。并在安凱汽車股份公司自主研發(fā)的各類純電動(dòng)、混合動(dòng)力客車上實(shí)際裝車應(yīng)用800余套。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，結(jié)果表明，該電路能較準(zhǔn)確地檢測(cè)各種絕緣狀況，滿足電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。

［1］李頂根，陳軍，黃榮化，等.純電動(dòng)汽車電氣與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.汽車科技，2007，（5）

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修改稿日期：2014-12-07

Research on Method of Electric Vehicle Insulation Resistance on-line Monitoring

Wu Chengjia
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

The author designs a new insulation testing device of electric vehicles with the current signal injection method.Through a current signal injection between the high-voltage systems and the vehicle chassis，it will form a measuring circuit among the high-voltage systems，vehicle chassis，leakage resistance，sampling resistance and the current source.Bydetectingthe voltage signal generated bythe samplingresistance in the measuringcircuit，the author gets the insulation resistance value through mathematical operation.The practical tests showthat the system is reliable work，high accuracy，the insulation performance of the vehicle can be monitored efficiently，on-line and real-time toensure traffic safety.

electric vehicle；on-line monitoring；insulation resistance；current injection

U469.72；U463.6

B

1006-3331（2015）01-0026-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題；湖南省科學(xué)技術(shù)廳基金資助項(xiàng)目（2014BAG06B02）

吳成加（1971-），男，工程師；研究方向：新能源汽車電驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)核心零部件關(guān)鍵技術(shù)研究。