基于新型絕緣阻值計算方法的純電動汽車電池包內(nèi)部高壓漏電精準(zhǔn)定位系統(tǒng)

張笑林 孫巖洲 袁永軍

摘 要：針對純電動汽車應(yīng)用場合電池包內(nèi)部高壓漏電發(fā)生絕緣故障的問題，研究了一種可以精確計算絕緣電阻以及故障點位置的測量方法。系統(tǒng)采用MC9S12XDT256單片機為主控芯片，采用新型計算方法，在Simulink/Stateflow中完成邏輯系統(tǒng)建模，通過目標(biāo)機完成絕緣檢測系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。系統(tǒng)能在較短時間內(nèi)監(jiān)測出電池包內(nèi)部故障位置處的絕緣電阻值大小及相應(yīng)的對地短路故障點位置，以保證更高效地實現(xiàn)絕緣監(jiān)測功能。

關(guān)鍵詞：純電動汽車；電池包內(nèi)部高壓漏電；絕緣監(jiān)測

DOI：10.11907/rjdk.172958

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）006-0136-06

Abstract：To solve the problem of insulation fault in the battery pack in the application of pure electric vehicle， a method of measuring the insulation resistance and verifying the location of the fault point is studied. The system uses MC9S12XDT256 MCU as the main control chip， adopts the new algorithm to complete the logic system modeling in the Simulink/Stateflow， and accomplishes the function of the insulation detection system by the target machine. The system can monitor the insulation resistance value and verify the corresponding ground short-circuit fault location in a short time so as to ensure more efficient realization of insulation monitoring.

Key Words：pure electric vehicle； high-voltage leakage； inside the battery pack； insulation monitoring

0 引言

隨著新能源科技的不斷發(fā)展，純電動汽車領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)汽車不同，電動汽車依靠電池組提供部分或全部動力，直流用電設(shè)備接在電池組上，電池組電壓高達300V及以上，電動汽車的動力系統(tǒng)是一個高電壓、大電流的電路。在正常情況下，高壓動力系統(tǒng)對車輛殼體完全絕緣，但不排除由于長時間高壓電纜老化或受潮等問題帶來的絕緣降低導(dǎo)致車身帶電，且電動汽車工作環(huán)境復(fù)雜，如振動、溫度和濕度急劇變化、酸堿氣體腐蝕等都會引起絕緣層損失，使絕緣性能下降[1-2]。動力電池系統(tǒng)正極或負極引線以及電池包內(nèi)部機軸通過絕緣層和底盤構(gòu)成漏電回路，使底盤電位上升，危害駕乘人員的人身安全，因此準(zhǔn)確、實時地監(jiān)測高壓電氣系統(tǒng)對車輛底盤的絕緣性能，對保證駕乘人員人身安全和車輛安全運行具有重要意義[3]。

目前，國內(nèi)外對電動汽車絕緣電阻檢測模型已形成不同方法，但主要側(cè)重于整包絕緣電阻檢測[4-6]，以減小漏電對乘客的危害。在電動汽車領(lǐng)域?qū)τ陔姵匕鼉?nèi)部故障檢測以及定位的研究較少，國標(biāo)GB/T 18384[1]給出傳統(tǒng)的電壓注入式絕緣檢測方法[7]，即接入標(biāo)準(zhǔn)電阻法，通過分壓、采樣獲取電池端電壓和正極母線電壓，然后通過電阻的分壓關(guān)系計算直流側(cè)絕緣電阻值，實驗結(jié)論中將誤差隨標(biāo)準(zhǔn)電阻增大而增大的情況簡單歸結(jié)為標(biāo)準(zhǔn)電阻對絕緣電阻進行了分流，且針對動力電池包內(nèi)部單體電池某一點發(fā)生絕緣故障，仍存在不能得到絕緣電阻降低點位置的問題。針對動力電池包內(nèi)部絕緣監(jiān)測方法的不足，本文采用新型監(jiān)測計算方法，目的是準(zhǔn)確得到電池包內(nèi)部絕緣電阻降低的位置和相對精確的絕緣阻值。

1 絕緣電阻測量

1.1 傳統(tǒng)絕緣阻值測量原理

傳統(tǒng)的絕緣電子測量原理如圖1所示。

圖1中R-c1、R-c2為測量用的已知阻值的標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻，R-p、R-n為正負母線等效對地電阻。根據(jù)采樣正負母線對地電壓的不同，接入標(biāo)準(zhǔn)電阻得到另一組采樣電壓，從而得到如下公式[1]

如果動力電池系統(tǒng)與外殼/底盤之間某一個點絕緣電阻降低，最大泄露電流所對應(yīng)的電阻即為有效絕緣電阻，也即求出的R-n、R-p，取兩者的最小值。

因為傳統(tǒng)測量算法是將電池包內(nèi)所有單體看作一個電壓為U-b的高壓電池，所以當(dāng)出現(xiàn)如圖2 所示的電池包內(nèi)部M點發(fā)生絕緣阻值降低時，依舊以圖1中R-n、R-p對地的位置，即圖2中N點對應(yīng)位置進行計算，計算得出的絕緣阻值會產(chǎn)生一定的誤差。所以無論故障點的位置發(fā)生在電池包何處，都等效為同一位置，即圖1正負母線對地的絕緣阻值的位置。因此當(dāng)電池包內(nèi)部某處絕緣阻值降低，傳統(tǒng)的絕緣電阻測量原理不能滿足精確的故障定位以及對絕緣阻值大小的計算，由于電源的的具體位置無法確定，導(dǎo)致計算出的絕緣阻值與真實值之間有一定誤差。

1.2 新型絕緣阻值測量原理

新型絕緣測量原理如圖3所示，其中V-1～V-n分別為蓄電池各單體電池電壓，R-p和R-n為并聯(lián)在正負母線的對地絕緣電阻，虛線框圖內(nèi)為虛擬絕緣阻值降低點，該點對地的絕緣阻值為R-i。實線部分為純電動汽車絕緣電阻測量電路，其中R-0為標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻，R-0、S-1和S-2構(gòu)成一個偏置電阻網(wǎng)絡(luò)。R-1和R-2，R-3和R-4構(gòu)成了測量采樣分壓電路，V-p、V-n分別為正、負極對地分壓采樣電壓。

與傳統(tǒng)絕緣阻值測量方法不同，新型絕緣阻值測量算法在原有電路基礎(chǔ)上，分別在等效的正負母線對地電阻并聯(lián)兆歐級別的固定電阻R-p，R-n。如圖4所示電路，根據(jù)基爾霍夫定律可得：

2 新型絕緣阻值測量程序設(shè)計與仿真

2.1 新型絕緣阻值測量控制流程

系統(tǒng)測量控制程序流程如圖5所示，加入了絕緣系統(tǒng)自檢測狀態(tài)， 其中包括快速絕緣診斷、快速故障診斷，確認各采樣開關(guān)與電阻開關(guān)無故障之后進行電壓采樣分析，如果檢測出相應(yīng)故障后，跳出快速絕緣檢測保證絕緣測量電路完整可靠。判斷正負端采樣電壓的大小，選擇進入相應(yīng)的模塊進行絕緣故障位置判斷及絕緣阻值大小計算，根據(jù)系統(tǒng)整體功能要求和絕緣監(jiān)測計算方法，在Simulink/Stateflow中完成邏輯系統(tǒng)建模，通過AutoSAR編譯生成代碼，在Stateflow中可以方便操作修改邏輯，以便代碼策略升級。

2.2 系統(tǒng)測量電路仿真

絕緣監(jiān)測系統(tǒng)仿真電路如圖6所示，U-1～U-24等效為24節(jié)單體電池，單體電壓為標(biāo)稱電壓3.7V，R-p為并聯(lián)在正端母線兩端的固定阻值電阻；R-n為并聯(lián)在負端母線兩端的固定阻值電阻；R-i為等效的電池包內(nèi)部某點與底盤或地之間發(fā)生短路時的電阻；R-1、R-2為當(dāng)進行絕緣監(jiān)測計算時并入的偏置電阻，即公式中的R-0；SPEenable1_flg控制偏置電阻開關(guān)S-1使能，SPEenable2_flg控制偏置電阻開關(guān)S-2使能；PosVolt為正端采樣輸出電壓，NegVolt為負端采樣輸出電壓。與系統(tǒng)測量控制狀態(tài)機構(gòu)成閉環(huán)，進行絕緣電阻R-i以及絕緣阻值降低處n位置的計算。

斷開兩并電阻開關(guān)S-1和S-2，獲得正負母線對地的電壓值V-P和V-N，根據(jù)V-P和V-N的大小確定兩偏置電阻開關(guān)S-1、S-2是否閉合，若所測V-N值大于或等于V-P值，則閉合開關(guān)S-2，斷開開關(guān)S-1，測得一組正負對地電壓值V-P和V-N，由電路原理可得直流高壓系統(tǒng)的絕緣電阻R-i和故障位置n的計算公式，如下所示：

其中U-1、U-2為S-1，S-2斷開時采樣得到的電壓，即正負端對地電壓V-P、V-N，U′-1和U′-2為閉合開關(guān)S-2后得到的正負端對地采樣電壓，R-P和R-N為硬件電路內(nèi)嵌入的固定阻值電阻，偏置電阻R-0即仿真圖中的R-1、R-2，均為已知量。由式（3）、（4）即可求得出故障的絕緣電阻R-i和發(fā)生故障處的電池包位置n的值，n為絕緣降低點到正端零點位之間的單體電池數(shù)量。

3 實驗與討論

為了驗證該絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，在載有24個單體且每個單體電源電壓為標(biāo)稱電壓3.7V的單體電池模擬器的平臺中，模擬電池包內(nèi)部各電池組串接進行故障注入和實驗驗證。

電池模擬器能夠模擬單體的串聯(lián)、并聯(lián)，一個標(biāo)準(zhǔn)機箱內(nèi)含有24節(jié)單體，能夠輸出單體的電壓、溫度，電芯電壓模擬通道數(shù)24，電壓模擬輸出范圍0～5V，電壓通道電流范圍-1A～1A，電流回讀精度≤1mA，電壓設(shè)定精度≤1mV，電壓回讀精度≤1mV。

將目標(biāo)機的正負端高壓引線接入端子排兩端的HV+、HV-口，如圖7所示端子排，將單體模擬器中的24通道輸出的電壓，引出到端子排的1-48個接口中等效于電池通道。模擬電池包內(nèi)部串接在一起的電池，將制造故障用的電阻一端依次插入到端子排不同單體電池對應(yīng)位置，另一端接到單體模擬箱外殼（接地），監(jiān)測不同位置下單體位置電壓是否相同。

實驗?zāi)繕?biāo)機如圖8所示。

主要參數(shù)見表1。

啟動運行單體電壓模擬箱，將制作好的絕緣故障電阻一端插入端子排其中一處電池位，另一端與外殼相連接地，進行故障注入，使絕緣阻值降低。

表2、表3、表4、表5為注入10組不同絕緣阻值故障后，傳統(tǒng)絕緣算法計算得到絕緣阻值結(jié)果及誤差與新型絕緣算法計算的對比，已知輸入電壓為89V，單體電壓為3.7V，偏置電阻為120kΩ，故障注入10組39kΩ-600kΩ的絕緣電阻；在并聯(lián)正負對地絕緣阻值為2000kΩ的情況下，測得絕緣阻值降低處的電阻。

由表2、3中的數(shù)據(jù)分析可以看出，傳統(tǒng)絕緣阻值監(jiān)測計算結(jié)果在最高電位和最低電位時的誤差最小達到0.04%，在其余電池位誤差均大于5%，在中間位的誤差達到99%。

圖9為傳統(tǒng)絕緣算法在10組數(shù)據(jù)下的曲線圖，其中實線部分為傳統(tǒng)算法下得出的電阻值，虛線部分為不同位置下測出絕緣故障降低處組阻值的誤差。圖表清楚地顯示故障位越偏離最高、低電位的位置，誤差越大。

由表4、表5的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中可以分析得出，新型絕緣算法在同一故障點、不同絕緣阻值下得到的故障點的位置準(zhǔn)確，故障處的絕緣阻值也相對準(zhǔn)確。

圖10中的曲線可以進一步反映，當(dāng)注入的故障在 1MΩ以下時，計算得出的阻值誤差范圍在2%以內(nèi)，且計算得到阻值浮動范圍穩(wěn)定。

實驗結(jié)果表明，不同故障點注入相同或不同的絕緣阻值，通過新型絕緣計算方法計算得出的絕緣阻值精度相比傳統(tǒng)絕緣算法更準(zhǔn)確，且誤差范圍小；在同一故障點根據(jù)不同絕緣阻值計算得到的故障點位置精確。注入不同故障，系統(tǒng)通過采樣電壓都能夠?qū)⒔^緣故障的位置精確計算出來，包括電池包在最高電位、中間電位、最低電位發(fā)生絕緣阻值降低故障時，都可以精確計算出故障點位置及故障點處絕緣阻值大小。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)電動汽車絕緣阻值測量方法的基礎(chǔ)上，分析和研究了一種可以精確定位電池包內(nèi)部絕緣降低處位置以及絕緣故障處阻值大小的測量計算方法。新的絕緣阻值測量系統(tǒng)測量精度準(zhǔn)確，可靠性高，符合動力電池系統(tǒng)安全要求，適合于單個或多個電池包系統(tǒng)的監(jiān)測測量，內(nèi)外兼顧，擴展性能好。根據(jù)該測量系統(tǒng)，能獲得較準(zhǔn)確的故障點位置及絕緣阻值，提高整個電動汽車的安全等級。因此，基于新型絕緣阻值計算方法的電池包內(nèi)部高壓漏電精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，能夠更好地滿足電動汽車安全應(yīng)用中對絕緣阻值計算的要求。

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（責(zé)任編輯：江 艷）