電動汽車高壓電連接與絕緣狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測

周啟晟， 楊 林， 蔡亦山， 梁偉銘， 劉 奮

(1.上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海201804)

電動汽車高壓電連接與絕緣狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測

周啟晟1， 楊 林1， 蔡亦山1， 梁偉銘2， 劉 奮2

(1.上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海201804)

介紹了電動汽車高壓電系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)，分析了安全管理中所需解決的問題，重點(diǎn)討論了連接狀態(tài)檢測和絕緣狀態(tài)檢測?；谕讲蓸犹岢隽诉B接狀態(tài)在線檢測方案以及絕緣狀態(tài)在線檢測方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給出了實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果，證明方案的有效性。

電動汽車；連接狀態(tài)；絕緣狀態(tài)

電動汽車的電壓一般在幾百伏左右，一旦發(fā)生事故，將直接影響人的生命財(cái)產(chǎn)安全。因而對于電動汽車的高壓電安全管理需要引起足夠的重視。良好的高壓電安全管理，對于保障生命安全，提高能量利用率等有著重大意義。以純電動汽車為例，介紹高壓電系統(tǒng)的集成，集成結(jié)構(gòu)如圖1所示。高壓電系統(tǒng)主要由電池包、高壓電模塊、高壓電管理系統(tǒng)和負(fù)載組成，負(fù)載可以看成等效電阻和等效電容的并聯(lián)。K1和K2是直流接觸器。高壓電管理系統(tǒng)需集成預(yù)充電功能，在上電前，控制預(yù)充電繼電器對容性負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電，防止上電瞬時(shí)的大電流沖擊。除此之外，高壓電管理系統(tǒng)還需集成過電流檢測、高低壓保護(hù)、高壓互鎖檢測、碰撞事故檢測、連接狀態(tài)檢測和絕緣狀態(tài)檢測等功能[1]。

前5項(xiàng)功能都具有較為成熟的技術(shù)[2-3]，而連接狀態(tài)和絕緣狀態(tài)的在線檢測是整個(gè)高壓電管理系統(tǒng)的難點(diǎn)。本文基于AD同步采樣并通過一些算法，提出了實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能的方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有較高的精度。同步采樣是這些算法的基礎(chǔ)，研究現(xiàn)有同步采樣芯片的數(shù)據(jù)手冊，其實(shí)現(xiàn)同步采樣的方法是加入了多路采樣保持環(huán)節(jié)，但此類芯片價(jià)格昂貴，而傳統(tǒng)車用9S12X系列單片機(jī)只能實(shí)現(xiàn)順序采樣。本文通過外擴(kuò)采樣保持器與順序采樣的方法實(shí)現(xiàn)同步采樣，既實(shí)現(xiàn)了功能，又節(jié)約了成本，并具有較大靈活性。

圖1 高壓電系統(tǒng)集成

1 高壓電故障診斷方案

1.1 連接狀態(tài)檢測

連接狀態(tài)檢測主要有兩個(gè)方法，輔助低壓回路法和動態(tài)電參數(shù)推算法。前者在高壓線路上附加低壓回路，優(yōu)點(diǎn)是功能實(shí)現(xiàn)比較簡單，缺點(diǎn)是只能對于局部的連接狀態(tài)進(jìn)行定性的估計(jì)。后者根據(jù)電壓、電流等參數(shù)的變化實(shí)時(shí)判斷連接電阻的變化[4]。

文獻(xiàn)[5]中提出了一種連接狀態(tài)檢測方法，可以歸類為輔助低壓回路法。利用高壓母線的電壓變化驅(qū)動光耦，根據(jù)光耦的輸出電平來判斷連接是否出現(xiàn)了問題。正如前文所述，這類方法只能定性地確定是否有連接故障發(fā)生。而且當(dāng)連接良好時(shí)，高壓母線上幾乎沒有電壓降，如果高壓母線上的電壓大到可以驅(qū)動光耦的程度，那么連接狀況已經(jīng)比較惡化了，無法在連接狀況惡化的前期發(fā)出警告。

文獻(xiàn)[4]利用動態(tài)電參數(shù)推算法計(jì)算連接電阻，是一種比較實(shí)用的方法，但由于電壓、電流采集的實(shí)時(shí)性和同步性沒有達(dá)到要求，計(jì)算的連接電阻值波動較大。

本文基于同步采樣技術(shù)提出連接電阻的在線監(jiān)測方法。連接電阻在線檢測的原理圖如圖2所示。其中，電池可以簡化成電動勢和電池內(nèi)阻的串聯(lián)，線路連接電阻用表示。

圖2 連接電阻在線檢測原理

同理，電池內(nèi)阻的計(jì)算公式為：

提高連接電阻的計(jì)算精度除了提高電壓和電流采樣的精度以外，關(guān)鍵在于提高和的差值。和的差值越大，其對應(yīng)的兩個(gè)電壓的差值也越大，由連接電阻的計(jì)算公式可知，此時(shí)電壓、電流采樣的誤差對連接電阻計(jì)算精度造成的影響越小。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況盡可能提高這兩個(gè)電流的差值。

1.2 絕緣狀態(tài)檢測

1.2.1絕緣安全的判據(jù)

綜合研究國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[6-9]，以SAE J2344[9]對于絕緣電阻的規(guī)定最為詳細(xì)。SAE J2344中提到，如果電流不超過10 mA (DC)或2 mA(AC)，這對人體來說是安全的電流，它們對應(yīng)的絕緣電阻分別是100和500 Ω/V，絕緣電阻的測量對正極和負(fù)極都要進(jìn)行。如果是直流電路，正端對電底盤的絕緣電阻、負(fù)端對電底盤的絕緣電阻都必須大于100 Ω/V；如果是交流電路，正端對電底盤的絕緣電阻、負(fù)端對電底盤的絕緣電阻都必須大于500 Ω/V。綜合考慮，對于直流系統(tǒng)，應(yīng)以泄漏電流不超過10 mA(DC)為絕緣良好的判據(jù)，因?yàn)樾孤╇娏髋c人體生命安全直接相關(guān)。100 Ω/V在數(shù)值和單位上是10 mA的倒數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)中討論的絕緣模型下，100 Ω/V可以保證任何高壓部件與電底盤之間的短路都不會使泄漏電流超過10 mA。

1.2.2絕緣狀態(tài)檢測方案

標(biāo)準(zhǔn)[6]的附錄中描述了總正或總負(fù)發(fā)生絕緣薄弱時(shí)的檢測方法，其建立的絕緣模型也是基于此。標(biāo)準(zhǔn)中提到了電池組內(nèi)部也會有泄漏通路，但并沒有討論在這種情況下，如何實(shí)現(xiàn)絕緣檢測。很多文獻(xiàn)在論述絕緣檢測時(shí)，認(rèn)為只有總正和總負(fù)處才有可能發(fā)生絕緣薄弱，內(nèi)部總是絕緣良好的，這是理想化的。文獻(xiàn)[4]中提出了單點(diǎn)絕緣薄弱的計(jì)算和定位方法，認(rèn)為動力蓄電池組內(nèi)部也有可能發(fā)生絕緣薄弱，這填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于內(nèi)部泄漏通路絕緣檢測方法的空白，但這個(gè)方法認(rèn)為除了這個(gè)絕緣薄弱點(diǎn)以外，其他位置絕緣電阻是無窮大，這也是比較理想化的。文獻(xiàn)[10]提出了較為符合實(shí)際的絕緣電阻模型，而且不拘泥于絕緣電阻的測量，提出了與高壓電絕緣安全最緊密相關(guān)的泄漏電流的測量方法，是對現(xiàn)有方法的創(chuàng)新，但文中假設(shè)了人體電阻為0 Ω，這個(gè)假設(shè)不太符合實(shí)際，因而這種方法在絕緣薄弱電阻與人體電阻可比擬的時(shí)候精度不會很高。上述方法都只討論了離線情況，并沒有討論在線情況下的絕緣薄弱計(jì)算和定位。本文依舊沿用文獻(xiàn)[10]中的絕緣電阻模型，認(rèn)為電池組間的每個(gè)接點(diǎn)與電底盤之間都存在有限值的絕緣電阻，在此基礎(chǔ)上，提出了絕緣電阻在線檢測的方法。通過在總負(fù)和地之間加入兩個(gè)不同阻值的偏置電阻，并對總負(fù)對地電壓和電池端電壓進(jìn)行同步采樣，可以進(jìn)行絕緣狀況的在線監(jiān)測，如圖3所示。

圖3 絕緣電阻檢測原理

恒壓源與電阻的串聯(lián)可以看成恒流源與電阻的并聯(lián)，反之亦然。反復(fù)利用這兩個(gè)原理，圖3中點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的電路最終可以等效為一個(gè)電壓源和電阻的串聯(lián)。其中等效電壓源。式中的是指從到的并聯(lián)值，而等效電阻的值為。由的表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)至中有任何一處發(fā)生絕緣薄弱，遠(yuǎn)小于它們的比值可近似為0，而近似相等，它們的比值可近似為1。所以，當(dāng)處發(fā)生單點(diǎn)絕緣薄弱時(shí)，計(jì)算出來的電壓值就近似等于距離負(fù)極的電壓大小。這就實(shí)現(xiàn)了絕緣薄弱的定位。

根據(jù)本文的絕緣電阻模型，每一個(gè)絕緣電阻大于100 Ω/V并不能保證最大泄漏電流小于10 mA，而當(dāng)絕緣電阻的并聯(lián)值大于100 Ω/V時(shí)，可以保證泄漏電流小于10 mA。在文獻(xiàn)[10]中證明了最大泄漏電流是總正對地短路和總負(fù)對地短路時(shí)泄漏電流的較大值。基于此結(jié)論，并利用本文中推導(dǎo)的公式，總負(fù)對地短路時(shí)的泄漏電流的表達(dá)式為，當(dāng)(即，式中：為電池組總電壓，，對于總正對地短路，也可類似證明。

加入偏置后，有下式成立：

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中提出方案的有效性，搭建如圖4所示的電路。

圖4 實(shí)驗(yàn)電路

采用3節(jié)標(biāo)稱電壓是12 V的鉛酸電池串聯(lián)作為電源，負(fù)載采用充放電機(jī)編寫動態(tài)電流工況，為電壓采樣，為電流采樣。由控制器進(jìn)行這4個(gè)量的同步采樣。為絕緣電阻，分為絕緣良好和絕緣薄弱兩種工況，用4個(gè)撥動開關(guān)手動控制，和是總負(fù)處不同阻值的偏置電阻，由控制器控制。為連接電阻，分別用0.1，0.2 Ω的大功率電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。計(jì)算出的結(jié)果通過CAN總線發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

2.1 連接狀態(tài)檢測方案驗(yàn)證

程序中制定，當(dāng)電流大于50 A時(shí)，可以作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流，在后面的電流工況中，一旦有電流比標(biāo)準(zhǔn)電流小10 A，就可以用這兩次的數(shù)據(jù)進(jìn)行連接電阻的計(jì)算。不論是否計(jì)算，如果此電流大于50 A，將之作為新的標(biāo)準(zhǔn)電流。初始標(biāo)準(zhǔn)電流為0，初始連接電阻值為0。以標(biāo)準(zhǔn)電流減去當(dāng)前電流為縱坐標(biāo)1，虛線線型繪制。以當(dāng)前計(jì)算得到的連接電阻值為縱坐標(biāo)2，實(shí)線線型繪制，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，同時(shí)將電流工況附于計(jì)算結(jié)果圖的下方，則兩個(gè)連接電阻的實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩個(gè)連接電阻的實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，以電流差為橫坐標(biāo)，連接電阻計(jì)算精度為縱坐標(biāo)作圖，0.1和0.2 Ω的誤差分析如圖6所示。

分析圖6中的曲線可知，當(dāng)兩個(gè)計(jì)算電流之間差異較大時(shí)，計(jì)算的連接電阻較為準(zhǔn)確，差異較小時(shí)，連接電阻計(jì)算會有較大偏差。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，當(dāng)電流差達(dá)到30 A時(shí)，精度可以達(dá)到20%以內(nèi)，即0.1 Ω電阻的計(jì)算結(jié)果在0.08～0.12 Ω，0.2 Ω電阻的計(jì)算結(jié)果在0.16～0.24 Ω。當(dāng)電流差達(dá)到60 A時(shí)，精度可以達(dá)到10%以內(nèi)，即0.1 Ω電阻的計(jì)算結(jié)果在0.09～0.11 Ω，0.2 Ω電阻的計(jì)算結(jié)果在0.18～0.22 Ω。因此，在實(shí)際應(yīng)用中通過調(diào)整程序中設(shè)定的電流差值，可以得到很好的計(jì)算精度，且具有實(shí)用性。

2.2 絕緣狀態(tài)檢測方案驗(yàn)證

總正到總負(fù)之間有4個(gè)位置，設(shè)位置號為1，2，3，4，總正值為36 V，實(shí)驗(yàn)值約為35 V，2號位故障理論值為24 V，實(shí)驗(yàn)值約為24 V，3號位故障理論值為12 V，實(shí)驗(yàn)值約為13 V，4號位故障理論值為0 V，實(shí)驗(yàn)值約為1 V。

圖6 兩個(gè)連接電阻的實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果誤差分析

表1 絕緣檢測電阻分布

圖7 絕緣電阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

控制撥動開關(guān)，在動態(tài)電流工況下，依次接入1，2，3，4處的絕緣薄弱電阻，按照接入位置1，還原；接入位置2，還原；接入位置3，還原；接入位置4，還原的順序，制造單點(diǎn)絕緣薄弱故障。各個(gè)位置的絕緣電阻分布如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7(a)是驗(yàn)證絕緣檢測方案采用的動態(tài)電流曲線(充電工況)，圖7(b)是計(jì)算的絕緣等效并聯(lián)阻值，圖7(c)是等效電壓。圖中時(shí)間軸55～80 s是接入1號位絕緣薄弱，105～130 s是接入2號位絕緣薄弱，150～170 s是接入3號位絕緣薄弱，185～225 s是接入4號位絕緣薄弱，其他時(shí)間都是還原狀態(tài)，4個(gè)位置全部絕緣良好。從圖7(b)看，當(dāng)沒有任何絕緣故障發(fā)生時(shí)，的計(jì)算值在18 kΩ附近波動，理論值是18.412 kΩ。當(dāng)4號位發(fā)生絕緣薄弱時(shí)，計(jì)算誤差較大，其他位置發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算值在1.2 kΩ左右，理論值約為0.95 kΩ。的計(jì)算值用于絕緣薄弱的定位。從圖7(c)的定位結(jié)果來看，1號位故障理論會有誤差，但也不會影響定位。實(shí)際應(yīng)用中，可以將兩個(gè)方案結(jié)合，當(dāng)定位值靠近總負(fù)時(shí)，采用總正偏置的電阻計(jì)算值，當(dāng)定位值靠近總正時(shí)，采用總負(fù)偏置的電阻計(jì)算值，實(shí)際應(yīng)用中還需要對計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行濾波。總的來說，這個(gè)方案可以準(zhǔn)確地監(jiān)測絕緣狀況，并對絕緣故障進(jìn)行定位。

3 結(jié)論

本文介紹了高壓電系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)以及高壓電管理系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，對于管理系統(tǒng)中的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出了在線連接狀態(tài)檢測和在線絕緣狀態(tài)檢測的方案，方案的實(shí)現(xiàn)以AD同步采樣為基礎(chǔ)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)電流差大于60 A時(shí)，連接電阻的計(jì)算精度可以達(dá)到10%以內(nèi)，絕緣并聯(lián)阻值和絕緣薄弱的定位也具有很好的精度，在實(shí)車上具有實(shí)用意義。

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Online monitoring of high voltage safety parameters in electric vehicles

The integrated structure and problems needed to be solved in high voltage system in electric vehicles were introduced.Great emphasis was placed on discussing connection state and insulation state, which were basic functions of high voltage management system.Methods of online monitoring of connection state and insulation state based on AD synchronous sampling were proposed.These methods were verified by experiments.

electric vehicle;connection state;insulation state

TM 83

A

1002-087 X(2016)03-0655-04

2015-08-28

國家科技支撐計(jì)劃(2013BAG03B01)；上海市創(chuàng)新行動計(jì)劃(12dz1202103)

周啟晟(1989—)，男，上海市人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡妱悠嚫邏弘姲踩芾怼?/p>

楊林，E-mail:yanglin@sjtu.edu.cn