便攜式車輛動力電池絕緣監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)研究

毛明珠 陳振斌 賴佳琴 卞文博 胡皓文

摘 要：動力電池作為電動汽車行駛安全的關(guān)鍵部分，為了能夠監(jiān)測動力電池實(shí)時絕緣狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式絕緣監(jiān)測儀，搭建了絕緣監(jiān)測系統(tǒng)理論模型，利用Simulink仿真模擬驗(yàn)證其有效性。對絕緣監(jiān)測儀進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，通過臺架實(shí)驗(yàn)分析測試數(shù)據(jù)得出，絕緣監(jiān)測儀檢測誤差在5%以內(nèi)，具有較高的檢測精度。該監(jiān)測儀可實(shí)時監(jiān)測動力電池絕緣阻值，根據(jù)閾值判斷動力電池絕緣故障，能夠及時切斷電池輸出并聲光報警，滿足應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：電動汽車;動力電池;絕緣監(jiān)測;絕緣故障

Abstract： As a key part of driving safety of electric vehicle， in order to monitor the real-time insulation state of power battery， a portable insulation monitor is designed in this paper. The theoretical model of insulation monitoring system is built， and its effectiveness is verified by Simulink simulation. The hardware and software of the insulation monitor are designed. Through the experimental analysis of the test data， it is concluded that the detection error of the insulation monitor is less than 5%， and there is a high detection accuracy. The monitor can monitor the insulation resistance of power battery in real time， judging the insulation fault of power battery according to the threshold， meanwhile， cutting off the battery output and alarming driver in time，to meet the application requirements.

1 引言

電動汽車由于其高效、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，成為了未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢[1]。

作為電動汽車的核心部件之一，動力電池很大程度上決定了汽車運(yùn)行的動力性和安全可靠性。動力電池通常由多個單體電池“串并聯(lián)”構(gòu)成[2-4]，工作時直流電壓普遍高于300 V，加之電動汽車使用環(huán)境復(fù)雜，動力電池絕緣性能變化劇烈，容易受到溫度[5-6]、濕度[7]、振動、電池液體腐蝕等影響。一旦高壓系統(tǒng)的絕緣性能下降，若不能及時檢測并處理，很可能會造成安全事故和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2018年以來中國電動汽車共發(fā)生起火事故已超過50起[8]。電動汽車自燃自爆事件的一個主要原因是動力電池發(fā)生絕緣故障。絕緣監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測動力電池絕緣狀態(tài)并計(jì)算絕緣阻值，絕緣阻值的定義為：動力電池發(fā)生短路故障時，最大漏電流對應(yīng)的動力電池正負(fù)端與地之間的阻值[9]。

目前的絕緣檢測方法主要分為信號注入法[10-11]和外接電阻切換法[12-14]，電橋法和電壓表法。電壓表法[15]是一種離線檢測法，即直接測量絕緣阻值，但此方法無法動態(tài)反映動力電池絕緣性能，缺乏實(shí)時性。電橋法[16]分為平衡電橋法和不平衡電橋法。平衡電橋法可檢測簡單電路中的絕緣電阻，但當(dāng)正負(fù)端絕緣阻值同時下降時，易導(dǎo)致誤檢測;改進(jìn)的不平衡橋法克服了平衡橋法的缺點(diǎn)，能夠檢測正負(fù)極絕緣阻值同時下降的情況，但軟件過于復(fù)雜。信號注入法主要分為高壓注入法[17]和低壓脈沖注入法[18]，高壓注入法復(fù)雜度低但易受干擾，因此本文采用的是低壓脈沖注入法，通過注入低壓信號，檢測反饋信號來計(jì)算絕緣阻值，此方法可減少對電池的電壓沖擊，提高了檢測系統(tǒng)的安全性[19]。

首先，本文提出了絕緣檢測儀的理論模型并利用SIMUL -INK進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證了模型的有效性。然后進(jìn)行了絕緣監(jiān)測儀的硬件、軟件設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)臺架，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試監(jiān)測儀精度。測試結(jié)果表明，絕緣監(jiān)測儀的檢測誤差在5%以內(nèi)，能夠?qū)崟r監(jiān)測動力電池的絕緣性能狀態(tài)，具備較高的檢測精度。

2 絕緣監(jiān)測儀理論模型搭建

絕緣監(jiān)測儀的理論模型如圖1所示，其中Vv為動力電池組高壓系統(tǒng)輸出電壓，Rd為檢測電路中的分流電阻，Rr為檢測電路中的采樣電阻，Vr為采樣電阻電壓，Vs為信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的低壓脈沖信號，其負(fù)端為接地端。

假設(shè)絕緣電阻負(fù)極R_為無限大，即負(fù)極絕緣性能良好。根據(jù)支路電流法計(jì)算絕緣阻值正極值R+如下：

（1）當(dāng)R+為無窮大，R_為一較小值，即負(fù)極存在絕緣故障時，Rj的值就無限接近R_;（2）當(dāng)R_為無窮大，R+為一較小值，即正極存在絕緣故障時，Rj的值就無限接近R+;（3）當(dāng)R+和R_均為一較小值時，即正負(fù)極均存在絕緣故障時，Rj一定小于任一端的電阻值，此時的Rj非常小，可判斷電池組高壓系統(tǒng)是否存在絕緣故障。

3 絕緣監(jiān)測儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 基于MATLAB的仿真模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證絕緣監(jiān)測儀理論模型的有效性，利用MATLAB中的可視化仿真工具SIMULINK搭建上文所述的理論模型進(jìn)行仿真模擬。模型各項(xiàng)參數(shù)如表1所示：

注入信號頻率過高會導(dǎo)致檢測系統(tǒng)的安全性能下降，信號頻率過低，則會使采集到的反饋信號過小，不利于后期信號處理。綜合考慮，本文的仿真模型采用的低壓脈沖信號頻率為0.1Hz。

如圖2所示，絕緣監(jiān)測儀系統(tǒng)模型由四個主要部分組成，包括信號產(chǎn)生與采樣模塊、信號處理模塊、絕緣阻值計(jì)算模塊、CAN總線模塊。

本文設(shè)置8組絕緣阻值數(shù)據(jù)，運(yùn)行模型得到仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示，仿真結(jié)果表明以上八組數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果誤差均在1%以內(nèi)，本絕緣監(jiān)測儀的理論模型具有可行性。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的絕緣監(jiān)測儀硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

硬件包括絕緣監(jiān)測儀控制板、可視化聲光報警裝置、高適應(yīng)性封裝、檢測連接器部分。絕緣監(jiān)測儀控制板由供電模塊、信號產(chǎn)生模塊、信號采集模塊、信號調(diào)理模塊和單片機(jī)主控單元構(gòu)成，通過檢測連接器連接動力電池正負(fù)極與BMS CAN總線，構(gòu)成絕緣檢測系統(tǒng)，完成絕緣阻值檢測功能。

主控單元采用飛思卡爾公司的MC9S08DZ606芯片，該芯片具有低成本、低功耗、高性能、引腳數(shù)量多的顯著特點(diǎn)，具備電磁兼容性（EMC）以及代碼效率高等優(yōu)勢。絕緣監(jiān)測儀的信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生±50V的方波信號Vs，信號流經(jīng)高壓系統(tǒng)和分壓電路后注入檢測電路，再經(jīng)取樣電阻到達(dá)參考地端，形成閉環(huán)回路。信號采集模塊采集取樣電阻處的信號，此信號繼續(xù)傳輸至信號調(diào)理模塊信號調(diào)理模塊包括低通濾波電路和信號放大電路，對電壓采樣信號進(jìn)行濾波處理并將其調(diào)整至單片機(jī)所能采樣的電壓范圍，以供單片機(jī)主控單元讀取計(jì)算絕緣阻值并判斷動力電池絕緣性能。

可視化聲光報警裝置用于顯示絕緣阻值、絕緣報警等級，并產(chǎn)生報警聲和報警燈光。高適應(yīng)性封裝由鋁合金殼體和橡膠填充物組成，具備較好的抗腐蝕性，同時采用密封結(jié)構(gòu)形式可以有效地降低電磁干擾，防止水、潮氣、鹽霧以及霉菌進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部影響設(shè)備正常工作，減少使用過程中由振動產(chǎn)生的不良影響，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

3.3 軟件程序設(shè)計(jì)

本絕緣監(jiān)測儀在設(shè)計(jì)時，采用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行模型搭建，并利用SIMULINK中的stateflow模塊對絕緣檢測儀的控制策略進(jìn)行仿真，將其轉(zhuǎn)譯為C語言代碼并進(jìn)行初始化配置，最后導(dǎo)入主控芯片。優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)時間更短，運(yùn)行成功率更高。

本設(shè)計(jì)的軟件程序主要包括：信號發(fā)生模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、絕緣電阻阻值計(jì)算模塊、CAN數(shù)據(jù)傳輸模塊，各模塊間進(jìn)行信號數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)絕緣檢測系統(tǒng)的絕緣阻值檢測功能和絕緣報警信號傳輸功能。絕緣監(jiān)測儀的主程序流程如圖4所示：

其中，注入系統(tǒng)的低壓脈沖信號由主控單元進(jìn)行PWM調(diào)制產(chǎn)生，在不影響動力電池電壓信號和保證采集信號強(qiáng)度的前提條件下，盡量選取較低電壓以提高檢測安全性。采集到的信號經(jīng)過調(diào)制后用于計(jì)算絕緣電阻阻值，根據(jù)提前設(shè)定的絕緣電阻閾值，判斷絕緣性能，決定是否切斷動力電池電壓輸出并控制報警信號的產(chǎn)生。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)臺架搭建

為實(shí)際驗(yàn)證絕緣監(jiān)測儀的檢測精度，搭建實(shí)驗(yàn)臺架進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)臺架主要包括大容量磷酸鐵鋰電池組（72V20Ah）、MC-21-A高精度電阻箱、UT61E高精度四位半數(shù)字萬用表、高精度數(shù)顯式開關(guān)型可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、USBDM BDM 下載器、便攜式絕緣監(jiān)測儀。

考慮到實(shí)驗(yàn)安全問題，搭建實(shí)驗(yàn)臺架中的電池組電壓并未達(dá)到300 V以上，而是采用了72 V電池組作為高壓系統(tǒng)向檢測電路注入高電壓，實(shí)際測得電池組電壓在79 V左右，持續(xù)電流可達(dá)30 A;高精度電阻箱用于模擬絕緣電阻測試監(jiān)測儀精度，本實(shí)驗(yàn)臺架使用兩個電阻箱分別模擬正負(fù)極絕緣電阻，其步進(jìn)阻值為0.1Ω，精度可達(dá)到0.1%-5%，各檔位精度不同。

4.2 測試數(shù)據(jù)處理及分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)置10組不同的絕緣阻值進(jìn)行測試，利用設(shè)置的絕緣阻值計(jì)算正負(fù)絕緣電阻的并聯(lián)值，將計(jì)算值與測試值比較并分析誤差。每組測試時間為5min，最后測試值取均值，以降低測量誤差。設(shè)置的絕緣電阻值需要模擬各種絕緣狀態(tài)，保證測試數(shù)據(jù)的能夠說明大部分情況下絕緣監(jiān)測儀的精度。測試數(shù)據(jù)見表3：

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，電動汽車絕緣阻值需滿足：Rj≥100Ω/V，此時高壓系統(tǒng)無絕緣故障;絕緣阻值達(dá)到500Ω/V以上，表現(xiàn)為絕緣性能良好[20-21]。為了提高安全性，本文設(shè)計(jì)的絕緣監(jiān)測儀采用兩級報警，并將閾值適度增大。當(dāng)任一端絕緣阻值下降到300KΩ時，判斷為一級絕緣故障;當(dāng)絕緣阻值下降到300-600KΩ時，判斷為二級絕緣故障;當(dāng)絕緣阻值大于600KΩ時，判斷為絕緣性能良好。分析表3中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：

第1、2、3、4組數(shù)據(jù)中檢測的絕緣阻值處于一級報警閾值范圍內(nèi);第4、5、6組數(shù)據(jù)中檢測的絕緣阻值處于二級報警閾值范圍內(nèi);第7、8、9組數(shù)據(jù)中檢測的絕緣阻值處于絕緣性能正常閾值范圍內(nèi)。

第1、2組電阻值設(shè)定為兩側(cè)同時發(fā)生阻值下降且同時發(fā)生較為嚴(yán)重的一級絕緣故障的情況。當(dāng)正負(fù)極端電阻同時發(fā)生絕緣故障且阻值較小時，由于實(shí)際并聯(lián)值較小，造成絕緣電阻并聯(lián)值的測量誤差較大。

發(fā)生一級絕緣故障時，測量到的絕緣阻值非常小，容易觸發(fā)聲光報警。在車輛實(shí)際運(yùn)行中，準(zhǔn)確判斷出二級絕緣故障，才能更好地保證駕駛安全性。分析第5、6、7組數(shù)據(jù)可知，在二級絕緣故障下的測量誤差在2%左右，測量精度較高。

第8、9、10組數(shù)據(jù)在絕緣性能正常閾值范圍內(nèi)，分析可知當(dāng)正負(fù)極端電阻絕緣性能良好且兩端阻值較大時，絕緣電阻并聯(lián)值的測量誤差較小。

考慮到實(shí)驗(yàn)中開始和結(jié)束階段的數(shù)據(jù)波動較大，取測量數(shù)據(jù)的中間部分?jǐn)?shù)據(jù)作圖。取第2、3組數(shù)據(jù)作圖3-A，5、7組數(shù)據(jù)作圖3-B，8、9組數(shù)據(jù)作圖3-C。分析實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)表和分析圖可知，本文設(shè)計(jì)的絕緣監(jiān)測儀可以較好的測出正負(fù)極端電阻值，且測量誤差在5%以內(nèi)，絕緣檢測精度較高，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且整體基本符合誤差分析的結(jié)果。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種便攜式車輛動力電池絕緣監(jiān)測儀，能夠?qū)崟r監(jiān)測動力電池的絕緣性能并計(jì)算絕緣阻值大小，根據(jù)與提前設(shè)置的絕緣阻值報警閾值比較，決定是否進(jìn)行聲光報警。在檢測理論上，本絕緣監(jiān)測儀采用低壓脈沖注入法，提高了絕緣檢測過程的安全性;在硬件設(shè)計(jì)方面，便攜一體化的硬件設(shè)計(jì)使本絕緣監(jiān)測儀使用更加便捷，有利于實(shí)際應(yīng)用。本文通過MATLAB進(jìn)行軟件仿真，驗(yàn)證了絕緣檢測系統(tǒng)理論模型的可行性，并搭建臺架開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示絕緣監(jiān)測儀的檢測精度在5%以內(nèi)，能夠滿足絕緣檢測的精度要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Y.Wang，R. Pan，C. Liu，Z. Chen，Q. Ling， J.Power Sources 374 （2018） 12–23.

[2] L.Yao，Z.Wang， J. Ma，J. Power Sources 293 （2015） 548–561.

[3] Y.Zheng，X.Han，L. Lu，J. Li， M.Ouyang， J. Power Sources 223（2013） 136-146.

[4] H.Nordmann，M.Frisch，D.U.Sauer， Measurement 114 （2018） 484– 491.

[5] H. Li， Z. Li， F. Lin， Y. Chen， D. Liu， B. Wang， Power Modulator and High Voltage Conference （IPMHVC），2012 IEEE International， IEEE，2012，pp. 617-619.

[6] H. Torkaman， F. Karimi， Measurement 59 （2015） 21-29.

[7] R.Rui， I. Cotton， Electrical Insulation （ISEI）， Conference Record of the 2010 IEEE International Symposium on， IEEE， 2010， pp.1-5.

[8] 陳秀娟.院士診脈電動車自燃事故[J].汽車觀察，2018（10）：78-81.

[9] 姚雷.混合動力汽車用Ni-MH電池的壽命預(yù)測[D].重慶大學(xué)，2011.

[10] 王嘉悅，張維戈，溫家鵬，郭宏榆.電動汽車有源式絕緣監(jiān)測方法研究[J].電測與儀表，2011，48（05）：6-9.

[11] 郭宏榆，姜久春，溫家鵬，王嘉悅.新型電動汽車絕緣檢測方法研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2011，25（03）：253-257.

[12] 李景新，樊彥強(qiáng)，姜久春，陳弘.電動汽車絕緣電阻在線監(jiān)測方法[J].汽車工程，2006（10）：884-887.

[13] 陳志強(qiáng)，宋凡峰，劉暢.一種新穎的直流系統(tǒng)在線絕緣檢測方法[J].電工電氣，2009（06）：40-42.

[14] 王友仁，崔江，劉新峰.直流系統(tǒng)在線絕緣檢測技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報，2005（08）：849-852.

[15] Wang，Yujie，Tian，Jiaqiang， Chen，Zonghai，等.Model based insulation fault diagnosis for lithium-ion battery pack in electric vehicles[J]. Measurement，2019.

[16] 尹會春.基于電橋法的電動汽車動力電池組絕緣監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].湖南大學(xué)，2018.

[17] A. Mathsyaraja， SAE Int. J.Commerc.Veh. 4 （2011） 185-197.

[18] 贠?？?，陳振斌，崔相雨，賀芳，黃雨龍.低壓脈沖法檢測動力電池母線絕緣性[J].電源技術(shù)，2019，43（03）：469-471+524.

[19] Tian J，Wang Y， Yang D， et al. A real-time insulation detection method for battery packs used in electric vehicles[J]. Journal of Power Sources， 2018， 385：1-9.

[20] GB/T18384.3-2001：電動汽車安全要求第三部分人員觸電防護(hù)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[21] International Standardization Organized.ISO 6469-1-2009 Electri cally Propelled Road Vehicles Safety Specification-Part 1： On-bo -ard Rechargeable Energy Storage System.