一種基于低頻脈沖信號響應的絕緣電阻檢測方法

丁更新

（安徽江淮汽車股份有限公司新能源汽車院電控技術部，合肥 230000）

一種基于低頻脈沖信號響應的絕緣電阻檢測方法

丁更新

（安徽江淮汽車股份有限公司新能源汽車院電控技術部，合肥 230000）

電動汽車是未來汽車技術發(fā)展的重要方向，電動汽車中，高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)間的絕緣電阻關系到電動汽車的使用安全，本文提供了一種基于低頻脈沖注入法的絕緣電阻檢測方案，相比于已有的絕緣電阻檢測方案，低頻脈沖注入法具有較高檢測精度，同時可避免絕緣電阻檢測電路本身降低了電動汽車絕緣電阻的問題。

電動汽車；絕緣電阻；低頻脈沖注入法

丁更新

畢業(yè)于合肥工業(yè)大學機械制造及其自動化專業(yè)，碩士學歷，現(xiàn)任安徽江淮汽車股份有限公司技術中心新能源汽車研究院電控技術部工程師，主要研究方向為整車控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)軟硬件開發(fā)。

1 引 言

電動汽車的絕緣電阻指標影響了電動汽車本身的使用安全，已有的絕緣檢測方式是通過橋式分壓電路方案實現(xiàn)了對車身對電池包高壓部分的絕緣電阻檢測，現(xiàn)有的技術下，絕緣電阻檢測電路本身就降低了車身和電池包高壓部件間的絕緣電阻。

如圖1所示為橋式分壓方案的絕緣電阻檢測電路，其中模塊1為整車地，2為繼電器控制模塊，3為動力電池高壓部分，4為基準電源模塊，5為橋式分壓電路，6為ADC檢測單元。

圖1 中，靠近電池包負極一側形成一個基準電源VREF，通過對VREF分壓形成一個2.5 V的基準，該基準經(jīng)過了運算放大器U1后進入兩個分壓橋臂，兩個橋臂分別由RB3和RB5串聯(lián)、RB4和RB6串聯(lián),將兩個之路并聯(lián)，這里需要設定條件：RB3/RB5≠RB4/RB6。兩部分在并聯(lián)構成，隨即通過繼電器KB1連接到整車地，當整車地和電池包之間存在絕緣電阻R，那么由此就形成了檢測回路，當絕緣電阻越大時，2.5 V基準電源通過分壓橋臂后回路的電流越小，從而在AN1和AN2之間電壓差值越小，并且越靠近2.5 V，若絕緣電阻越小，AN1和AN2之間電壓差值越大，根據(jù)該特征，判別當前絕緣電阻阻值。

2 低頻脈沖注入法電路硬件

如圖2所示為低頻脈沖注入法的絕緣電阻檢測電路[1]，包括緩沖器，用于接收低頻數(shù)字量脈沖信號，并滿量程地輸出幅值為基準電壓的模擬量脈沖信號，電路的一端與電池組一側連接的連接端，另一端作為檢測端經(jīng)匹配電阻與緩沖器的輸出端電連接，以在檢測端形成具有交流特征的檢測信號。

表1為低頻脈沖注入法電路中各模塊定義：

電壓跟隨器輸入端與所述檢測端電連接，其輸出端輸出電壓反饋信號。使主單片機可以根據(jù)反饋信號輸出端提供的電壓反饋信號準確地計算出絕緣電阻的阻值，具有結構簡單且精度較高的優(yōu)點[2]。

3 低頻脈沖注入法工作原理分析

本文中涉及的硬件電路中有一電容CC1跨接在了高壓側和低壓側，絕緣電阻跨接在整車高壓側和低壓側之間[3]。

如圖3所示為低頻脈沖注入法電路實際應用說明。其中R為掛接在整車高壓側和低壓側之間的絕緣電阻。

低頻脈沖注入法是采用了交變信號對絕緣電阻的采集功能，這里將電池包電源看做直流電源，直流信號相對于交變信號都等效于地，因此低頻脈沖注入法對電池包負極的檢測和對電池包正極的檢測是等效的[4]。

以下將說明緣電阻檢測電路的檢測原理：

工作過程1：當主單片機的輸出管腳輸出高電平時，緩沖器UC2即可滿量程輸出基準電壓，并具有一定驅動能力[5]，在輸出管腳向緩沖器UC1提供數(shù)字量脈沖信號的傳輸線路中，增加一個驅動電阻RC1。

在絕緣電阻R的阻值較大時，則主單片機的輸出管腳輸出高電平時，由檢測電容CC1與絕緣電阻R串聯(lián)構成的綜合阻抗上將獲得一相對較高的分壓，即電壓反饋信號的電壓值較高，主單片機的AD采集管腳通過讀取該電壓反饋信號的電壓值即可反向計算出當前的絕緣電阻R的阻值[6]。

在絕緣電阻R的阻值較小，則主單片機的輸出管腳輸出高電平時，由檢測電容CC1與絕緣電阻R串聯(lián)構成的綜合阻抗上將獲得一相對較小的分壓。主單片機的AD采樣管腳通過讀取該電壓反饋信號的電壓值即可反向計算出當前的絕緣電阻R的阻值。絕緣電阻R的阻值越大，反饋信號輸出端OUT輸出的電壓反饋信號的電壓值越大；反之，反饋信號輸出端OUT輸出的電壓反饋信號的電壓值越小。

工作過程2：當主單片機的輸出管腳輸出低電平時，在檢測電容CC1兩極間存儲的電荷將通過放電回路放電，從而使電壓反饋信號電壓減小。

絕緣電阻檢測電路采用低頻脈沖注入法是根據(jù)在一個周期內反饋信號的幅值特征即可判定當前電池組側與整車地間的絕緣電阻R的阻值[7]。

在本方案中，反饋信號的波峰和波谷之間的差值即表征了絕緣電阻阻值大小，因此本方案是通過對反饋波形的波峰波谷間差值來實現(xiàn)對絕緣電阻阻值的標定，實際檢測過程中，通過查找一個（波峰-波谷）的AD值與實際絕緣阻之間的MAP圖，實現(xiàn)對當前絕緣電阻阻值的檢測操作。按照汽車行業(yè)涉及標準，汽車絕緣電阻阻值標準不應小于500 Ω/V。

4 測試結果分析

如圖4所示分別為絕緣電阻狀態(tài)較差和絕緣狀態(tài)較好兩種狀態(tài)下的檢測波形比較：

假設電池包電壓平臺為350 V，那么在500 Ω /V條件下，對應的絕緣阻值應為350 V*500 Ω /V=175 kΩ。此時表征這整車的絕緣狀態(tài)為安全極限。由此可見，絕緣電阻不良好與絕緣電阻良好的狀態(tài)下，二者反饋波形存在幅值差別。

影響波峰-波谷差值的因素主要電容CC1以及車身與電池高壓部分的寄生電容影響，一般的CC1電容越大，圖4中反饋的波峰-波谷的差值越小，寄生電容過大也會使波峰-波谷的差值越小，但會使波峰尖銳程度越緩。

絕緣電阻阻值最終是通過軟件實現(xiàn)，軟件處理維數(shù)組實現(xiàn)，其中二維數(shù)組中包含了計算了波形（波峰-波峰）對應的AD值，也包含了對應的標定的絕緣電阻阻值，不在數(shù)組中的AD值[8]，則通過線性插值的算法實現(xiàn)對絕緣電阻的查找計算。經(jīng)過實際測試，得到了二維數(shù)組值如下所示：

5 結論

與傳統(tǒng)絕緣電阻檢測方案橋式分壓電路方式相比，低頻脈沖注入法克服了絕緣電阻檢測電路本身降低電動汽車絕緣電阻的問題。是一種有源的絕緣電阻檢測方案，無需電池高壓部分有高壓輸出，就可實現(xiàn)高低壓側間絕緣電阻計算。本方案最終是通過檢測反饋信號的變化幅值來判定當前的絕緣電阻阻值，是一種較為理想的絕緣電阻檢測方案。

[1] 李躍華,楊小健.用C51開發(fā)單片機系統(tǒng)的應用程序[J].微處理機. 1998(03).

[2] 馬春排,張源斌.絕緣電阻數(shù)字化測量的研究[J].中國儀器儀表. 2002(01).

[3] 歐陽潤澤.濕度對絕緣電阻的影響及解決方式[J].電氣時代. 2001(12)[6] 傅元,鞠躍.絕緣電阻測試儀的高壓電源設計[J].電子元器件應用. 2009(05).

[5] 郭鳴.淺談絕緣電阻測試[J]. 電動工具. 2006(01).

[6] 周理.絕緣電阻的測量——吸收比試驗[J]. 上海第二工業(yè)大學學報. 2004(02).

[7] 周鋒,孟曉風,徐志堅. 便攜式絕緣測試儀表檢定裝置[J]. 航空計測技術. 2004(03).

[8] 王勝恩,張根道,姚昆明,楊文榮,楊釗. 絕緣電阻的測量[J]. 河北工業(yè)大學成人教育學院學報. 2001(02).

專家推薦

何華強：

文中所論述的絕緣電阻的檢測方法，對提高電動車輛的安全性有較高的實用價值，文中較詳細地對比了與傳統(tǒng)絕緣電阻的檢測方法，體現(xiàn)了改方法的重新性，最后給出了較詳細的測試數(shù)據(jù)和結果，具有較好的參考價值。。

An Insulation Resistance Detection Method Based On Low Frequency Impulse Response

DING Geng-xin
( Jiang Huai Automobile Corp, Anhui, Hefei 230000, China )

Electric vehicle is an important direction of the development of the automobile technology in the future. The insulation resistance between high voltage and low voltage in electric vehicles relate to safe function. This paper provides a method of insulation resistance detection based on low frequency pulse injection method.Compared with the existing insulation resistance detection scheme, the low frequency pulse injection method has high detection accuracy, and can avoid the problem of the insulation resistance detection circuit itself.

Electric vehicles; insulation resistance; Low frequency pulse injection

TU856

A

1005-2550（2015）06-0052-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.010

2015-08-31