高壓動(dòng)力電池組絕緣性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究

楊為　謝永芳　胡志坤

摘要：傳統(tǒng)的絕緣電阻監(jiān)測(cè)方法不具備實(shí)時(shí)檢測(cè)的功能，特定條件下無(wú)法監(jiān)測(cè)，且抗干擾能力差。具有一定的局限性。本文在分析傳統(tǒng)絕緣電阻監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，提出一種注入低頻交流信號(hào)的有源式絕緣電阻監(jiān)測(cè)方法，基本實(shí)現(xiàn)了絕緣電阻的故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).該檢測(cè)方法分為兩個(gè)階段：故障檢測(cè)、絕緣電阻計(jì)算。其中，故障檢測(cè)：通過(guò)測(cè)量“測(cè)量電阻”兩端電壓，計(jì)算出正、負(fù)絕緣電阻的并聯(lián)電阻值，并由此判斷絕緣電阻故障狀態(tài)；檢測(cè)出絕緣電阻故障后，進(jìn)行絕緣電阻的精確測(cè)量：斷開(kāi)負(fù)載、交流信號(hào)源，分別與正負(fù)極絕緣電阻并聯(lián)接入兩個(gè)電阻并測(cè)量其兩端電壓，計(jì)算出正負(fù)極絕緣電阻值。仿真結(jié)果表明，故障誤報(bào)率小于2.15%，基本實(shí)現(xiàn)了絕緣電阻的故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)能夠有效保證微電網(wǎng)蓄電池儲(chǔ)能電站的絕緣性能，一旦事故發(fā)生，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障，排除隱患，繼續(xù)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。因此對(duì)高壓電池組在實(shí)際生產(chǎn)中有較大的應(yīng)用價(jià)值和意義。

關(guān)鍵詞：絕緣電阻；絕緣檢測(cè)；電池管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

為使微電網(wǎng)儲(chǔ)能電站的動(dòng)力電池達(dá)到高功率輸出的要求，常常需要將多個(gè)電池通過(guò)“串并聯(lián)”的方式構(gòu)成高壓電池組。電池組的直流電壓普遍高于300V，因而電池的絕緣性能至關(guān)重要。由于直流高壓電池組的工況復(fù)雜，應(yīng)用環(huán)境惡劣。其絕緣電阻容易受到溫度（冷熱交替）、濕度（潮濕）、振動(dòng)、撞擊、電池腐蝕性液體等影響，造成高壓動(dòng)力電池組的正負(fù)母線對(duì)地的絕緣性能下降，影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行。如電池組的絕緣電阻降低到某個(gè)閾值，則不僅會(huì)影響電站的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成安全災(zāi)難。因此，絕緣電阻檢測(cè)是高電壓動(dòng)力電池組的電池管理系統(tǒng)（BMS）安全監(jiān)測(cè)的重要任務(wù)。

傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)的絕緣電阻檢測(cè)方法有：外接電阻切換法、直流漏電電流檢測(cè)法、平衡電橋法等。外接電阻切換法通過(guò)并聯(lián)接入電阻來(lái)計(jì)算出絕緣端正負(fù)極的絕緣電阻。這種方法的不足在于并聯(lián)接入的電阻會(huì)降低設(shè)備的絕緣性能。直流漏電電流檢測(cè)法，其檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)與外接電阻切換法相似，只是在兩個(gè)與正負(fù)極絕緣電阻并聯(lián)的電阻中間增加了一個(gè)電流傳感器，測(cè)量該直流漏電電流值。在實(shí)際應(yīng)用中，由于外部干擾，判斷當(dāng)電流傳感器測(cè)量電流大于某個(gè)閾值時(shí)，認(rèn)為絕緣電阻故障。在檢測(cè)絕緣電阻狀態(tài)時(shí)會(huì)降低其絕緣電阻性能，同時(shí)在正負(fù)極絕緣電阻同時(shí)下降時(shí)存在漏報(bào)情況。平衡電橋法是在電池組接入正、負(fù)極對(duì)地，分別并聯(lián)接入電阻，通過(guò)測(cè)量其兩端電壓是否相等，來(lái)判定絕緣電阻是否正常。平衡電橋法因?yàn)橥瑫r(shí)并聯(lián)接入電阻，也會(huì)降低設(shè)備的絕緣性能；在正負(fù)極絕緣電阻同時(shí)降低相同值時(shí)，檢測(cè)不到絕緣電阻故障。值得指出的是，以上常用的三種直流系統(tǒng)的絕緣電阻檢測(cè)方法均不具有絕緣電阻的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。一旦發(fā)生故障，電池組的絕緣性能將會(huì)降低。如果無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除隱患，將會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)損失，甚至引發(fā)嚴(yán)重災(zāi)難。

本文通過(guò)注入低頻交流信號(hào)的方式，提出一種有源式直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，適用于直流高電壓儲(chǔ)能電池。該方法的絕緣電阻檢測(cè)分為兩個(gè)檢測(cè)等級(jí)：故障檢測(cè)、絕緣電阻計(jì)算。前階段為在線過(guò)程，后階段為離線過(guò)程。這種方法能夠很好地解決在線檢測(cè)問(wèn)題，且對(duì)其負(fù)載回路沒(méi)有任何影響。

2總體思路

本文提出了一種有源式直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)方法。高壓動(dòng)力電池組絕緣性能監(jiān)測(cè)的等效電路如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為實(shí)際的運(yùn)行電路部分，U為高電壓的儲(chǔ)能電站電池組的電壓源，R_L為等效負(fù)載，R_p、R_n分別為直流電壓源的正極、負(fù)極對(duì)地的絕緣電阻（下文稱之為正、負(fù)極絕緣電阻）。R_p、R_n常因環(huán)境而發(fā)生變化，影響電路的安全運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)正、負(fù)極絕緣電阻的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，我們提出了一種如圖中虛框以外部分的輔助有源測(cè)量電路，其中U_s為低頻率的交流信號(hào)源，R為“測(cè)量電阻”，C為隔離電容（大功率電容）。

監(jiān)測(cè)時(shí)，打開(kāi)K₁、K₂，在電路中注入低頻交流信號(hào)源U_s。通過(guò)測(cè)量“測(cè)量電阻R”兩端的電壓，則可計(jì)算出正、負(fù)絕緣電阻的并聯(lián)電阻值，并由該值來(lái)判斷系統(tǒng)的正、負(fù)極絕緣電阻的故障狀態(tài)；如出現(xiàn)異常，斷開(kāi)負(fù)載、交流信號(hào)源，即系統(tǒng)處于離線狀態(tài)，接通K₁、K₂，分別測(cè)量“接入電阻R₁、R₂”兩端電壓值，可計(jì)算出正、負(fù)極絕緣電阻R_p、R_n值的大小，為系統(tǒng)的故障診斷提供可靠依據(jù)。

這種有源式直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)方法針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的直流系統(tǒng)絕緣電阻故障可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且對(duì)整個(gè)負(fù)載沒(méi)有影響；絕緣電阻故障后，離線測(cè)量，并計(jì)算絕緣電阻R_p、R_n值的大小，以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的故障診斷提供依據(jù)。在線檢測(cè)和離線檢測(cè)相結(jié)合，增加了監(jiān)測(cè)的可靠性。

本文中絕緣電阻檢測(cè)方法分為故障檢測(cè)和絕緣電阻計(jì)算兩個(gè)階段。整個(gè)檢測(cè)模塊的流程框圖如圖2所示。

3絕緣電阻故障在線檢測(cè)

絕緣電阻故障的在線檢測(cè)方法：在線路中接入交流信號(hào)U_s，測(cè)量電阻R兩端的電壓，則可計(jì)算出正、負(fù)極絕緣電阻的并聯(lián)電阻值R_pn，并由該值來(lái)判斷系統(tǒng)的正、負(fù)極絕緣電阻是否出現(xiàn)故障。

斷開(kāi)K₁、K₂，注入信號(hào)U_s，由圖1可計(jì)算出電阻R兩端的電壓為：

其中，U_s為交流信號(hào)源的電壓，為交流信號(hào)源的頻率，且滿足，R_pn為R_p、R_n的并聯(lián)電阻：且R_p、R_n均為被監(jiān)測(cè)的未知量，同時(shí)，由式（1）可得：

由計(jì)算出的R_p、R_n的并聯(lián)電阻P_pn與設(shè)定的閾值R_th比較即可判斷絕緣電阻是否存在故障。

在正常情況下，絕緣電阻值R_p=R_n，由式（2）可知，R_pn小于絕緣阻值R_p、R_n：

因此，判斷R_pn是否小于閾值R_th，若是，則絕緣電阻故障，否則，絕緣電阻正常。

閾值R_th是通過(guò)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（由于暫無(wú)儲(chǔ)能電站電池組絕緣電阻安全標(biāo)準(zhǔn)，這里參考了電動(dòng)汽車的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）及直流電壓源的電壓值的大小而設(shè)置。例如：電動(dòng)汽車電池組直流電壓源的電壓為U=350V，并參考國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T 18384.1電動(dòng)汽車安全要求第1部分：車載儲(chǔ)能安全》，該標(biāo)準(zhǔn)要求參數(shù)大于500Ω/V。則電動(dòng)汽車電池包直流電壓源的絕緣電阻R_p、R_n均要大于175KΩ。由此可設(shè)定閾值R_ih=175KΩ。

從圖1可看出，由于在線檢測(cè)時(shí)，因K₁、K₂是斷開(kāi)的，故交流信號(hào)源對(duì)整個(gè)負(fù)載回路沒(méi)有影響，這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣電阻的故障狀況。

4絕緣電阻計(jì)算

在檢測(cè)到絕緣電阻故障后，斷開(kāi)負(fù)載R_L及交流信號(hào)源U_s（即系統(tǒng)處于離線狀態(tài)）。接通K₁、K₂，將正、負(fù)極絕緣電阻R_p、R_n分別與“接入電阻”R₁、R₂并聯(lián)，其等效電路圖，如圖3所示：

因?yàn)檎⒇?fù)極絕緣電阻P_p、R_n處于懸空狀態(tài)，很難測(cè)量到其兩端電壓值，接入電阻R₁、R₂是為了方便的測(cè)出R_p、R_n的電壓值。分別測(cè)量電阻R₁、R₂兩端電壓U_p、U_n以及故障檢測(cè)數(shù)據(jù)，則可計(jì)算出正、負(fù)極絕緣電阻值。由此可得下式：

式（5）與式（2）聯(lián)立組成方程組，可計(jì)算得到正、負(fù)極絕緣電阻R_p、R_n的大小為：

因此，通過(guò)上述在線絕緣故障檢測(cè)和離線絕緣電阻測(cè)量?jī)蓚€(gè)過(guò)程，形成切實(shí)可行的絕緣電阻檢測(cè)方案，以實(shí)現(xiàn)絕緣電阻的故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣電阻時(shí)，對(duì)整個(gè)負(fù)載電路沒(méi)有任何的影響，而且檢測(cè)到故障后，系統(tǒng)進(jìn)行離線測(cè)量，使數(shù)據(jù)真實(shí)有效，為整個(gè)系統(tǒng)故障診斷提供依據(jù)。

5仿真驗(yàn)證及誤差分析

為了驗(yàn)證有源式直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)方法的有效性，有必要對(duì)方案進(jìn)行仿真模擬。由于這套有源式直流高壓電池組絕緣性能檢測(cè)方案的離線測(cè)量部分檢測(cè)原理清晰，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。故這里的仿真驗(yàn)證只針對(duì)在線故障檢測(cè)環(huán)節(jié)。

5.1參數(shù)配置

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求儲(chǔ)能電池組的絕緣電阻大于500Ω/V，及動(dòng)力電池組的總電壓U=350V，則相對(duì)應(yīng)的正、負(fù)極絕緣電阻均要大于175KΩ，即x>175KΩ（x∈{R_p，R_n}）。由此可設(shè)定電阻閾值R_th=175KΩ。

考慮到絕緣電阻故障檢測(cè)電路測(cè)量精度、測(cè)量周期、穩(wěn)定時(shí)問(wèn)及閾值大小等因素，選取仿真配置參數(shù)如表1所示。

由表1給出的配置參數(shù)可知低頻交流信號(hào)源的周期為T=0.1s，由此可求得穩(wěn)定時(shí)間t_s≈4（R+R_pn）C。即在正常情況下，R_pn在之間1MΩ～10MΩ，則穩(wěn)定時(shí)間在幾秒到幾十秒之間；在存在故障情況下，穩(wěn)定時(shí)間則在1秒以下。在式（1）中，由于參數(shù)R_pn與1/Cω在同一數(shù)量級(jí)，因此，該類參數(shù)配置不會(huì)影響測(cè)量精度。

然而，在絕緣電阻檢測(cè)時(shí)注入低頻交流信號(hào)源，其電阻R的端電壓U_m滯后于交流信號(hào)源U_s，因此采用其平均值計(jì)算。

故障檢測(cè)的SIMULINK仿真模型如圖4。

圖4中下部分為故障檢測(cè)電路；上半部分為故障檢測(cè)的測(cè)量與計(jì)算，模塊Mean是計(jì)算交流信號(hào)源U_s、測(cè)量電阻R的端電壓U_m的有效值；模塊Calculation是計(jì)算正、負(fù)極絕緣電阻的并聯(lián)電阻值R_pn。其內(nèi)部的封裝如圖5所示：

Mean模塊由兩個(gè)通道，分別對(duì)交流信號(hào)源U_s、測(cè)量電阻R的端電壓U_m進(jìn)行采樣、積分求得各個(gè)電壓平均值Mean_U_m、Mean_U_s。其中，采樣模塊Sampling和Sampling_sub以及積分模塊In-tegration和Integration_sub均由SIMULINK軟件S函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)。

Calculation模塊是實(shí)現(xiàn)公式（3）的計(jì)算，Mean模塊計(jì)算得到交流信號(hào)源、測(cè)量電阻的端電壓的平均值，再根據(jù)公式（3）計(jì)算得到正、負(fù)極絕緣的并聯(lián)電阻值。為了驗(yàn)證對(duì)正、負(fù)極絕緣的并聯(lián)電阻值R_pn測(cè)量的準(zhǔn)確性，設(shè)置6組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)其測(cè)量誤差。其包括：絕緣電阻正常、不同故障情況下的數(shù)據(jù)。正、負(fù)極絕緣電阻值的數(shù)據(jù)設(shè)置如表2所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：

由表2可以看出，前3組實(shí)驗(yàn)隨著絕緣電阻的下降（但未低于閾值R_th=175KΩ，仿真結(jié)果誤差增大。后3組實(shí)驗(yàn)是R_p和R_n中至少有一個(gè)低于閾值，即絕緣電阻出現(xiàn)故障的仿真結(jié)果。正、負(fù)極絕緣電阻并聯(lián)的計(jì)算測(cè)量誤差在4.4%以內(nèi)。經(jīng)過(guò)分析，誤差主要原因來(lái)自求其有效的計(jì)算時(shí)的積分。因此，通過(guò)計(jì)算正負(fù)極絕緣電阻R_pn的并聯(lián)值，則可提取絕緣電阻變化狀態(tài)特征。

5.2故障誤報(bào)率分析

故障報(bào)警是在線監(jiān)測(cè)的必備環(huán)節(jié)。當(dāng)R_p≠R_n或R_p、R_n任何一個(gè)值小于設(shè)定閾值R_th（本文閾值設(shè)為R_th=175 KΩ）時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警?？紤]到測(cè)量R_pn時(shí)存在4.4%以內(nèi)的誤差，因此，有必要分析故障報(bào)警率。

圖6是故障率誤報(bào)分析圖。曲線R_pn=R_pR_n/R_P+R_n（圖中實(shí)曲線）的左下方區(qū)域（A、B、C、D、E、F區(qū)域）為故障報(bào)警區(qū)域。由于故障報(bào)警條件及測(cè)量誤差，區(qū)域E為絕緣電阻故障誤報(bào)區(qū)域。其區(qū)域占故障報(bào)警區(qū)域小于2.15%，并絕緣電阻故障并不是突變的過(guò)程，絕緣電阻完全正常情況下，正、負(fù)極絕緣電阻R_p、R_n均大于10R_th，因此，本套絕緣電阻檢測(cè)方法能夠滿足實(shí)際應(yīng)用。

6結(jié)語(yǔ)

本文在直流系統(tǒng)傳統(tǒng)的絕緣性能監(jiān)測(cè)方法存在缺陷的基礎(chǔ)上提出了一種高壓動(dòng)力電池組絕緣性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案，分在線監(jiān)測(cè)和離線測(cè)量?jī)蓚€(gè)過(guò)程，監(jiān)測(cè)過(guò)程對(duì)負(fù)載回路沒(méi)有任何影響，確保了監(jiān)測(cè)的有效性。在監(jiān)測(cè)到絕緣電阻故障后，加入相應(yīng)的電路可計(jì)算出電池組正、負(fù)極絕緣電阻值，為排除故障提供參考。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，正、負(fù)極絕緣電阻并聯(lián)的計(jì)算測(cè)量誤差在4.4%以內(nèi)，由此造成的監(jiān)測(cè)誤報(bào)率小于2.15%，說(shuō)明該方案切實(shí)可行有效。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方案相比，該方案解決了高壓動(dòng)力電池組絕緣性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難，且在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)負(fù)載回路沒(méi)有任何影響，在生產(chǎn)中有較大的應(yīng)用價(jià)值。