混合動(dòng)力汽車用電池包動(dòng)態(tài)絕緣電阻檢測(cè)方法研究

周興葉　朱建新　陳祥　儲(chǔ)愛(ài)華

摘 要： 基于混合動(dòng)力汽車高壓動(dòng)力電池安全性的要求，設(shè)計(jì)一種快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)絕緣電阻檢測(cè)電路。分析絕緣檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)原理，分別測(cè)試電池包正負(fù)高壓母線外接不同絕緣電阻阻值時(shí)的檢測(cè)精度。測(cè)試表明，該電路測(cè)量精度高，在1 MΩ以下的絕緣電阻檢測(cè)中，誤差小于5%，滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力汽車； 新能源汽車； 絕緣檢測(cè)； 電池管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN37?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0121?04

Abstract： For the safety requirement of the high?voltage power battery of hybrid power automobile， a dynamic insulation resistance detection circuit with rapid response was designed. The design theory of the insulation detection circuit is analyzed. The detection accuracy of the battery pack′s positive and negative high?voltage buses connected with different insulation resistances was tested. The test results show that the circuit has high measuring accuracy， and its error is less than 5% while detecting the insulation resistance below 1 MΩ， which satisfies the practical design requirement.

Keywords： hybrid power automobile； new energy vehicle； insulation detection； battery management system

0 引 言

電動(dòng)汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，在滿足現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，對(duì)其安全性能要求也是越來(lái)越高。動(dòng)力電池作為新能源汽車部分或全部的動(dòng)力源，其電壓一般比較高，并且工作時(shí)充放電電流較大，加上惡劣的使用環(huán)境，如振動(dòng)、沖擊、氣候冷熱交替等影響，高壓絕緣部分可能會(huì)出現(xiàn)絕緣故障[1]。因此，動(dòng)力電池工作中，若電池組的正極或負(fù)極與車身發(fā)生短路，會(huì)影響汽車使用安全及人身安全，在高壓電池的正極或負(fù)極與車身發(fā)生短路隱患時(shí)，能夠及時(shí)通過(guò)絕緣電阻檢測(cè)電路檢出，并及時(shí)報(bào)故障進(jìn)行處理才能避免人身安全受到傷害。因此，高壓電池包的安全性一直是新能源汽車行業(yè)備受關(guān)注的問(wèn)題，絕緣檢測(cè)在新能源汽車行業(yè)的發(fā)展意義重大[2]。目前，絕緣電阻檢測(cè)電路及其控制方式一般比較復(fù)雜[3]，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，并且極易造成電池管理系統(tǒng)（BMS）的損壞。針對(duì)高壓電池包的危險(xiǎn)性，以飛思卡爾單片機(jī)為控制器，設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單快速檢測(cè)絕緣電阻的電路，其主要通過(guò)控制器向電路中注入電流，測(cè)量基準(zhǔn)電阻兩端電壓，并通過(guò)計(jì)算得出絕緣電阻值[4?6]。實(shí)驗(yàn)證明，該絕緣電阻檢測(cè)電路反應(yīng)速度快、精度高，增加了新能源汽車使用的安全性。

1 絕緣電阻檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

目前絕緣檢測(cè)的方法主要有兩種，一是采用信號(hào)注入的方法進(jìn)行測(cè)量，另外一種方法是采用外接電阻切換測(cè)量[7]。本文主要采用信號(hào)注入法進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。信號(hào)注入法主要是通過(guò)注入一定頻率的直流電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)量反饋信號(hào)以測(cè)量絕緣電阻。圖1為設(shè)計(jì)的絕緣檢測(cè)電路。圖中，V1為基準(zhǔn)電阻R1的前端電壓，V2為基準(zhǔn)電阻R1的后端電壓，VCC為5 V電壓，D1，D2為兩個(gè)鉗位二極管，用于鉗制基準(zhǔn)電阻R1的后端電壓V2在0～5 V之間，C1為高壓電容，CPU為飛思卡爾單片機(jī)，其中與該電路的接口為單片機(jī)某一控制口，Rx為所需測(cè)試的當(dāng)量絕緣電阻。V1的測(cè)壓電路包括電阻R5、放大器E1及電阻R6。V2測(cè)壓電路由電阻R7、放大器E2、電阻R8、放大器E3、電阻R9以及電容C4組成，后端放大器主要為了防止零點(diǎn)漂移，V1，V2外接單片機(jī)的控制口來(lái)采集基準(zhǔn)電阻R1兩端的電壓值。R4為上拉電阻，防止放電時(shí)流經(jīng)三極管Q的電壓過(guò)大而被擊穿。

2 絕緣電阻硬件檢測(cè)原理

該電路主要通過(guò)采集基準(zhǔn)電阻R1兩端電壓，再經(jīng)單片機(jī)處理計(jì)算得出當(dāng)量絕緣電阻值Rx。當(dāng)動(dòng)力電池正極或電池中間部分發(fā)生絕緣故障時(shí)，電池組電流從正極或中間部分依次流經(jīng)絕緣電阻、二極管D2、限流電阻以及電容再流回電池組負(fù)極，從而形成閉合回路，當(dāng)電容充滿電后，回路中的電流為零，此時(shí)可以忽略二極管D2的壓降，則高壓電容的電壓等于電池組的總電壓。因此，高壓電容在正常情況下可以起到將電池組與車身隔離的作用，并且可以平衡當(dāng)量絕緣電阻非接地端與電池組總負(fù)端之間的電壓，使電容的正端與當(dāng)量絕緣電阻非接地端之間的電壓近似為零，從而使電池組自身的電壓不能產(chǎn)生附加的電流，計(jì)算出來(lái)的絕緣電阻的數(shù)值更加準(zhǔn)確。此外，當(dāng)絕緣電阻快速恢復(fù)正常時(shí)，電容上的電荷可迅速地通過(guò)二極管D1向充電端的電路中釋放，迅速消除故障。負(fù)極短路的絕緣檢測(cè)原理與正極相同，主要檢測(cè)時(shí)序如下：

（1） 單片機(jī)（圖1中CPU）輸出低電平時(shí)，三極管Q截止，此時(shí)通過(guò)充電端VCC向高壓電容C1充電，并實(shí)時(shí)采集基準(zhǔn)電阻R1兩端的電壓V11，V12。

（2） 單片機(jī)（圖1中CPU）輸出高電平時(shí)，三極管Q導(dǎo)通，此時(shí)高壓電容C1向接地端放電，并實(shí)時(shí)采集基準(zhǔn)電阻R1兩端的電壓V21，V22。

（3） 計(jì)算絕緣電阻Rx，由歐姆定律可知：在控制單元輸出低電平時(shí)，在該電路對(duì)高壓電容充電的過(guò)程中，都可以通過(guò)歐姆定律即時(shí)得出：

3 絕緣檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是驗(yàn)證該絕緣檢測(cè)電路的有效方法之一，系統(tǒng)軟件采用基于單片機(jī)的C語(yǔ)言編程，其編程環(huán)境在Code Warrior IDE中進(jìn)行。具體軟件時(shí)序流程見(jiàn)圖2。

實(shí)時(shí)中斷中，對(duì)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行有效判斷：

（1） CPU端輸出低電平，此時(shí)三極管Q截止，5 V的VCC通過(guò)R1，R2向高壓電容C充電；

（2） 采集V1，V2兩點(diǎn)電壓分別記為V11，V12；

（3） CPU端輸出高電平，此時(shí)三極管Q導(dǎo)通，高壓電容C通過(guò)R1，R2向地放電；

（4） 采集采集V1，V2兩點(diǎn)電壓，分別記為V21，V22；

（5） CPU端輸出低電平，此時(shí)三極管Q截止，5 V 的VCC通過(guò)R1，R2向高壓電容C充電；

（6） 維持充電狀態(tài)，直到進(jìn)入下個(gè)測(cè)試周期。

4 試驗(yàn)測(cè)試與分析

4.1 電池包模擬實(shí)驗(yàn)

4.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與對(duì)象

實(shí)驗(yàn)儀器包括，集成絕緣檢測(cè)電路的BMS電路板、色環(huán)電阻、四通道采樣示波器、288 V/6 A·h的鎳氫動(dòng)力電池包。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)中采用鎳氫動(dòng)力電池包進(jìn)行測(cè)試，連接好測(cè)試平臺(tái)，圖3為單板測(cè)試平臺(tái)，圖4為色環(huán)電阻。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

在電池包電壓采樣電路中接入了2 MΩ的電阻，因此，在測(cè)量的數(shù)據(jù)中實(shí)際絕緣電阻Rx應(yīng)該是其與2 MΩ并聯(lián)的值，在電源負(fù)極連接上述阻值的電阻分別進(jìn)行測(cè)試，在軟件時(shí)序控制中示波器抓取V1，V2兩端電壓，其中圖5為電池包負(fù)極接絕緣阻值30 kΩ時(shí)捕捉的基準(zhǔn)電阻R1兩端V1，V2的波形；圖6為電池包負(fù)極接絕緣阻值300 kΩ時(shí)捕捉的基準(zhǔn)電阻R1兩端V1，V2的波形， 記錄采集后回放的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

同理，其中圖7為電池包正極接絕緣阻值200 kΩ時(shí)抓取的基準(zhǔn)電阻R1兩端V1，V2的波形；圖8為正極接絕緣阻值500 kΩ時(shí)抓取的基準(zhǔn)電阻R1兩端V1，V2的波形， 記錄采集后回放的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，正負(fù)極絕緣檢測(cè)等效，負(fù)極絕緣檢測(cè)精度較正極略高，但在允許的誤差范圍之內(nèi)，采樣精度隨著測(cè)試阻值的增大而降低，且當(dāng)絕緣阻值在1 MΩ以下時(shí)其采樣精度大于95%。一般情況下，當(dāng)電池包上強(qiáng)電后（電池包高壓閉合），檢測(cè)到絕緣阻值到達(dá)某一值時(shí)可觸發(fā)絕緣故障報(bào)警，從而可以從源頭發(fā)現(xiàn)電池包故障，保證車輛行駛安全與人身安全。

5 結(jié) 論

絕緣檢測(cè)是電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分析設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)絕緣電阻檢測(cè)電路，通過(guò)高壓電容將高壓與低壓進(jìn)行隔離，降低高壓對(duì)絕緣檢測(cè)精度的影響，結(jié)合軟件時(shí)序控制，在動(dòng)力電池包上分別進(jìn)行了正負(fù)極短接色環(huán)電阻測(cè)試，通過(guò)對(duì)高壓電容的充放電，可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量出絕緣電阻，發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)觸發(fā)報(bào)警，解決了現(xiàn)有絕緣電阻檢測(cè)響應(yīng)速度及檢測(cè)精度等問(wèn)題，保證汽車行駛安全與人身安全。測(cè)試表明，該測(cè)量電路具有穩(wěn)定性好、電路簡(jiǎn)單、測(cè)試方法簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、反饋速度快等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車的發(fā)展中具有重要前景。

注：本文通訊作者為朱建新。

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