電動(dòng)汽車絕緣電阻檢測(cè)方法研究

張志雄，李小鵬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)分為高壓電氣系統(tǒng)和低壓電氣系統(tǒng)。高壓電氣系統(tǒng)的“高壓”與電力系統(tǒng)的“高壓”有所不同。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)是指帶有B級(jí)電壓的電路部分，B級(jí)電壓是指電路組件或電路的工作電壓交流>30 V且≤1 000 V，直流>60 V且≤1 500 V的電壓分類[1-2]。從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中可以看出電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)的工作電壓高于人體的安全電壓范圍，一旦發(fā)生觸電事故，將嚴(yán)重危害駕乘人員的人身安全。在電動(dòng)汽車高壓安全預(yù)警方面，出于對(duì)觸電事故的預(yù)防以及汽車安全性的考慮，對(duì)電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)研究具有重大意義。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于絕緣檢測(cè)的方法很多，包括外接電阻法、直流漏電電流監(jiān)測(cè)法、平衡電橋法、直流高壓注入法和低頻信號(hào)注入法等，這些絕緣檢測(cè)方法均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[3-6]，如外接電阻法是在電路中外接偏置電阻，該方法比較簡(jiǎn)單，但會(huì)降低系統(tǒng)的絕緣效果；直接漏電電流法通過檢測(cè)漏電電流來判斷系統(tǒng)絕緣情況，該檢測(cè)方法很大程度上依賴于傳感器精度；有的方法能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣電阻實(shí)時(shí)檢測(cè)，但無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池開路檢測(cè)；有的檢測(cè)模型能夠?qū)崿F(xiàn)開路檢測(cè)，但在不開路狀態(tài)下的絕緣檢測(cè)相當(dāng)于加入了外接電阻，會(huì)降低系統(tǒng)的絕緣效果。綜合上述檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種在現(xiàn)有檢測(cè)模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的新的檢測(cè)模型，該模型能很好地解決上述問題。

1 電動(dòng)汽車絕緣電阻檢測(cè)方法

1.1 絕緣電阻報(bào)警判斷依據(jù)

絕緣電阻常用來表征材料絕緣性能的好壞，電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：在直流電路中正端對(duì)電底盤的絕緣電阻、負(fù)端對(duì)電底盤的絕緣電阻都必須大于100 Ω/V，交流電路中正端對(duì)電底盤的絕緣電阻、負(fù)端對(duì)電底盤的絕緣電阻都必須大于 500 Ω/V[2]，從 100 Ω/V和500 Ω/V這2個(gè)數(shù)值的設(shè)定可以看出，100 Ω/V對(duì)應(yīng)的電流是10 mA，500 Ω/V對(duì)應(yīng)的電流是2 mA，10 mA和2 mA的數(shù)值均小于人體的擺脫閥[7]，即當(dāng)絕緣電阻必須大于規(guī)定值，人體才能處于安全環(huán)境中，這也成為判斷整個(gè)高壓系統(tǒng)絕緣好壞的一個(gè)依據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到絕緣電阻低于設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)切斷高壓電路。

1.2 檢測(cè)原理

電動(dòng)汽車絕緣狀況的優(yōu)劣是通過動(dòng)力電池正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻來判斷，因此絕緣電阻的檢測(cè)原理主要是測(cè)出絕緣電阻值，但是在電動(dòng)汽車上絕緣電阻值又無法直接測(cè)量，所以只能通過其他方法間接測(cè)出絕緣電阻值，以此來判斷電動(dòng)汽車絕緣狀況。絕緣電阻檢測(cè)模型如圖1所示。

圖1 絕緣電阻檢測(cè)模型

圖1中，虛線框?yàn)榻^緣電阻檢測(cè)電路；US為低頻低壓的交流信號(hào)源，用來進(jìn)行絕緣電阻的實(shí)時(shí)檢測(cè)；C1為隔離電容，R7為測(cè)量電阻，RL為負(fù)載。單片機(jī)通過PWM信號(hào)控制變壓器輸出，使之產(chǎn)生高電壓來進(jìn)行動(dòng)力電池開路狀態(tài)下的絕緣電阻檢測(cè)，其中R1、R2、R4、R6為采樣電阻，Rn、Rp為直流電源正負(fù)極母線對(duì)地絕緣電阻。另外，單片機(jī)通過控制繼電器S1、S2、S3的閉合與斷開，實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同狀況下的絕緣電阻檢測(cè)。下面從3種情況分析絕緣電阻檢測(cè)模型：判斷系統(tǒng)是否發(fā)生絕緣故障；系統(tǒng)絕緣故障，但動(dòng)力電池未開路狀態(tài)下的絕緣電阻檢測(cè)；動(dòng)力電池開路狀態(tài)下的絕緣電阻檢測(cè)。

1.2.1 判斷是否絕緣

閉合開關(guān)S1，使開關(guān)S2、S3處于斷開狀態(tài)，在線路中接入低頻交流信號(hào)源US，由電路知識(shí)可知，交流電源加入直流電路中，如果直流電源內(nèi)阻很小，可視為短路；內(nèi)阻很大，可視為開路。一般動(dòng)力電池的內(nèi)阻為毫歐級(jí)別，故可視為短路，則有下式成立：

式中：Z為整個(gè)電路的阻抗；|Z|為阻抗模。因?yàn)镽7的電壓U7為實(shí)際所測(cè)，即為已知，故由式（1）和式（2）可得：

因?yàn)镽pn為Rn與Rp的并聯(lián)電阻值，所以小于它們其中的任何一個(gè)，如果Rpn小于設(shè)定閾值，則判斷為絕緣故障；否則，絕緣良好。

1.2.2 系統(tǒng)絕緣故障，電池未開路

（i）斷開 S1，閉合 S2、S3，則 PWM 信號(hào)電路不工作采集R1、R2的電壓U1、U2，則動(dòng)力電池電壓為U0且假設(shè)在整個(gè)過程中保持不變，則

（ii）斷開 S1、S3，閉合 S2，采集 R1的電壓 U11，則

（iii）斷開 S1、S2，閉合 S3，采集 R2的電壓 U22，則

聯(lián)立式（5）、（6）和（7）即可解得 Rn與 Rp為：

1.2.3 動(dòng)力電池開路狀態(tài)下的絕緣電阻檢測(cè)

斷開 S1、S3，閉合 S2，正端注入 PWM1信號(hào)，R1、R4的采樣電壓分別為 U1、U4，則

解式（10）得：

同理可得：

式中：U2和U6為開關(guān)S1和S2斷開、S3閉合、負(fù)端注入PWM2信號(hào)狀態(tài)下R2和R6的采樣電壓。

1.3 誤差分析

由式（4）可知，因Rpn由定值電阻R7及R7所測(cè)的電壓值經(jīng)公式計(jì)算而得，可知Rpn精度值與采樣電壓及定值電阻的精度有關(guān)。假設(shè)ωC保持不變，定值電阻R7保持不變，R7的采樣電壓為 U7，其相對(duì)誤差為 γU7，注入的低頻電壓為US，其相對(duì)誤差為γUS，Rpn的相對(duì)誤差為γRpn，根據(jù)誤差理論及Rpn的計(jì)算公式可知，US、U7、Rpn可表示為：

根據(jù)式（4）、（12）和（13）可得：

由式（9）和（10）可知，Rn與 Rp的值與采樣電阻自身的阻值以及采樣電壓有關(guān)，假設(shè)ωC電阻R1、R2、R4、R6的采樣電壓分別為 U1、U2、U4、U6，其相對(duì)誤差分別為 γU1、γU2、γU4、γU6，標(biāo)稱電阻 R1、R2、R4、R6的相對(duì)誤差為 γR1、γR2、γR4、γR6，根據(jù)誤差理論及 Rn和 Rp的計(jì)算公式，設(shè)其相對(duì)誤差分別為 γRn、γRp，則

分析可知，系統(tǒng)Rpn的相對(duì)誤差與標(biāo)稱電阻R7的采樣電壓和注入低頻電壓US有關(guān)，當(dāng)二者的相對(duì)誤差值越小時(shí)，系統(tǒng)Rpn的相對(duì)誤差也越小。由式（13）和（14）可知，Rn與Rp的相對(duì)誤差與標(biāo)稱電阻阻值的相對(duì)誤差和采樣電壓的相對(duì)誤差有關(guān)，當(dāng)采樣電阻R1或R2阻值與標(biāo)稱阻值的誤差為0時(shí)，要使Rn或Rp的相對(duì)誤差最小，則其他標(biāo)稱電阻阻值的相對(duì)誤差和采樣電壓的相對(duì)誤差需滿足一定的關(guān)系。

2 絕緣電阻檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng)主要完成電動(dòng)汽車絕緣狀況報(bào)警、絕緣電阻測(cè)量、通訊、切斷動(dòng)力電池高壓輸出等功能，其硬件原理如圖2所示。

圖2 絕緣檢測(cè)硬件原理

由圖2可見，系統(tǒng)主要包括電壓采樣模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警模塊、繼電器控制模塊和通信模塊。電壓采樣模塊主要完成采樣電阻的電壓采集；電壓轉(zhuǎn)換模塊主要完成電壓的轉(zhuǎn)換，為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；報(bào)警模塊主要完成整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，及時(shí)報(bào)警，并發(fā)送信號(hào)給BMS；繼電器控制模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的繼電器工作；通信模塊主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部通信和外部通信。

2.2 繼電器控制電路

繼電器控制電路如圖3所示。單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制繼電器的工作。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出的輸入信號(hào)為高電平時(shí)，光電耦合器不導(dǎo)通，繼電器不工作；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，光耦合器導(dǎo)通，三極管基極有電流通過，三極管導(dǎo)通，此時(shí)繼電器電路接地，繼電器工作。由于當(dāng)電流流過繼電器時(shí)，繼電器的線圈產(chǎn)生自感阻礙，電流增大，影響繼電器閉合時(shí)間，為消除這種影響，利用電容的電流可發(fā)生突變的原理，在電路中串聯(lián)電容，這樣可以使繼電器快速工作，當(dāng)電流穩(wěn)定后，繼電器電流從電阻R31流向繼電器線圈，電阻R31起限流作用。

2.3 控制策略

具體控制流程如圖4所示?？刂屏鞒谭譃?部分：第1部分為系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車絕緣狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，動(dòng)力電池對(duì)外輸出電壓；第2部分為系統(tǒng)檢測(cè)出動(dòng)力電池發(fā)生絕緣故障（動(dòng)力電池對(duì)外輸出電壓），并計(jì)算動(dòng)力電池正負(fù)極母線對(duì)電底盤絕緣電阻值；第3部分為動(dòng)力電池不對(duì)外輸出電壓（開路狀態(tài)），系統(tǒng)計(jì)算出動(dòng)力電池正負(fù)極母線對(duì)電底盤絕緣電阻值。

第1部分控制流程為閉合開關(guān)S2、S3，檢測(cè)電阻R1、R2的電壓，判斷動(dòng)力電池電壓U0是否為0，如果動(dòng)力電池電壓不為0，則使開關(guān)S2、S3處于斷開狀態(tài)，使S1處于閉合狀態(tài)，然后注入低頻交流信號(hào)US，計(jì)算出Rn與Rp的并聯(lián)電阻Rpn，如果Rpn大于設(shè)定閾值，則判定系統(tǒng)絕緣良好。

圖3 繼電器控制電路

圖4 具體控制流程

第2部分控制流程在第1部分控制流程檢測(cè)出系統(tǒng)絕緣故障后進(jìn)行。當(dāng)檢測(cè)出系統(tǒng)絕緣故障后，斷開負(fù)載并使隔離變壓器不工作，使繼電器S1、S3斷開，S2閉合，采集采樣電阻R1的電壓。R1電壓采集完成后，使繼電器S1、S2斷開，S3閉合，采集采樣電阻R2的電壓，控制器根據(jù)采集的采樣電壓計(jì)算動(dòng)力電池正負(fù)極母線對(duì)電底盤絕緣電阻Rp和Rn的值。

第3部分控制流程在動(dòng)力電池電壓U0為0（動(dòng)力電池開路）下進(jìn)行，使開關(guān)S1、S3處于斷開狀態(tài)，使S2處于閉合狀態(tài)，正端注入PWM信號(hào)，采集采樣電阻R1、R4的采樣電壓，然后使開關(guān)S1、S2處于斷開狀態(tài)，開關(guān)S3處于閉合狀態(tài)，負(fù)端注入PWM信號(hào)，采集采樣電阻R2、R6的采樣電壓，則根據(jù)采樣電壓計(jì)算出絕緣電阻Rn與Rp的值。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)采用程控電源模擬直流母線電壓，并將電壓設(shè)定在310 V左右，考慮到電動(dòng)汽車工作中存在交、直流電路，其組合電路絕緣電阻值應(yīng)至少大于500 Ω，故將系統(tǒng)絕緣電阻閾值設(shè)定為155 kΩ，并選用100～400 kΩ的電阻并入系統(tǒng)中，以此來模擬系統(tǒng)的絕緣電阻，并手動(dòng)控制電源電壓的輸出來模擬動(dòng)力電池開路故障。不同狀態(tài)下測(cè)得的數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 不同狀態(tài)下測(cè)得的數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果

表1的數(shù)據(jù)共分為3部分：系統(tǒng)絕緣良好；系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障，但動(dòng)力電池仍對(duì)外輸出電壓；動(dòng)力電池不對(duì)外輸出電壓，檢測(cè)系統(tǒng)的絕緣狀況。從表1的數(shù)據(jù)中可分析出，該檢測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)絕緣狀況的檢測(cè)，并在3種不同狀況下，該檢測(cè)能保證測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差小于4%，符合測(cè)量精度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電動(dòng)汽車絕緣電阻檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，并在已有的檢測(cè)方法上進(jìn)行改進(jìn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足，從而實(shí)現(xiàn)了絕緣電阻實(shí)時(shí)檢測(cè)和動(dòng)力電池開路狀態(tài)下的檢測(cè)。經(jīng)測(cè)試，測(cè)量誤差在允許范圍內(nèi)，達(dá)到預(yù)期效果。本研究仍存在一些不足，如無法定位絕緣故障發(fā)生位置，這將成為下一步研究的重點(diǎn)。