電阻絕緣檢測中低壓脈沖信號注入法的算法改進

黃雨龍，陳振斌，崔相雨，龐詔文，崔偉亞

(1.海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，海南 海口570228；2.寧波匯峰聚威科技股份有限公司，浙江 寧波 315191)

電動汽車的動力電池的電壓普遍高于300 V，必須保證其充分的電氣絕緣[1].但是運行在振動、高溫、高濕和電池內(nèi)部酸堿氣體腐蝕等工況環(huán)境下的動力電池，其絕緣材料易損壞、絕緣性能加速下降，從而嚴重危害駕乘人員的安全[2].因此有必要對電動汽車動力電池的絕緣性能進行有效的檢測.絕緣檢測技術(shù)是電動汽車中一項保障駕乘人員安全的非常重要的技術(shù)[3].國家標準規(guī)定[4]:電動汽車的絕緣電阻值與直流電壓值的比值不能小于100 Ω/V，交流電壓值的比值不能小于500 Ω/V.

絕緣檢測方法主要的分類是通過判斷是否外接電源分為無源式[5-7]與有源式[8-9].無源式絕緣檢測技術(shù)主要通過改變接入的橋式電阻比，根據(jù)測量電壓的變化情況來計算絕緣電阻.張向文[5]等人通過控制開關(guān)的通斷調(diào)節(jié)不同的電阻比，該方法的優(yōu)點可以獲得正負端的絕緣電阻值，受高壓系統(tǒng)中等效電容與電感的影響較小，但缺點是無法測量在兩端電阻同時下降情況.Han[6]等人相對于張向文等人的設(shè)計增加了一對分壓電阻，優(yōu)點是改善了開關(guān)通斷過程中的電池對地的絕緣性能，不足之處仍是無法測量兩端電阻同時下降的情況.張超[7]等人考慮了電驅(qū)動系統(tǒng)的絕緣性能，通過開關(guān)的切換獲得的不同的電壓信號計算有無驅(qū)動系統(tǒng)的正負端絕緣電阻，但是該方法同樣不能測量兩端電阻值同時下降的情況.有源式絕緣檢測技術(shù)主要是通過向電動汽車高壓系統(tǒng)中注入電壓源等信號，通過分析采樣的放射信號值分析絕緣性能，可以有效地克服無源式存在的不能測量正負端絕緣電阻同時下降的情況.Tian[1]等人設(shè)計了有源式低壓脈沖注入檢測絕緣電阻，有效地解決了正負端電阻同時下降而無法測量的問題，但是檢測結(jié)果為母線端電阻的并聯(lián)值，容易造成誤報警的情況.贠?？礫8]等人在低壓脈沖注入基礎(chǔ)上設(shè)計新的算法模型，可以有效地檢測動力電池未工作時的絕緣狀態(tài)，但是并未解決測量值為兩端電阻的并聯(lián)值，容易形成誤報警的問題.陳寧[9]等人同樣考慮了電動汽車電驅(qū)動交流側(cè)的影響，提高了絕緣監(jiān)測范圍，但是測量值同樣為并聯(lián)值.除了常用的低壓低頻有源信號注入方法外，還存在PWM高壓注入法[10-11]與直流電壓信號注入法等[12-13].PWM高壓注入對系統(tǒng)容易造成高壓沖擊，而直流信號注入由于電磁效應(yīng)存在容易對系統(tǒng)造成較強的電磁干擾等問題.

針對現(xiàn)有的絕緣檢測方法存在的一些不足，即部分無源式絕緣檢測法不能對同時下降的正負端電阻進行有效的測量，部分有源式絕緣檢測法不能對正負端單側(cè)絕緣電阻進行有效的測量.筆者在正負低壓脈沖信號注入法的基礎(chǔ)上，經(jīng)重新推導(dǎo)后提出了一種新的數(shù)學(xué)模型，基于改進模型設(shè)計了該系統(tǒng)算法模型，設(shè)計了相應(yīng)控制算法與控制電路，最后通過臺架實驗設(shè)計，驗證了所提有源式動力電池絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性及，保證了良好的測量精度，有效的克服了上述檢測算法中的問題.

1 檢測電阻絕緣的數(shù)學(xué)模型

圖1 動力電池絕緣電阻檢測等效模型

將電動汽車的動力電池系統(tǒng)簡化為電源與絕緣電阻，絕緣檢測系統(tǒng)簡化為信號源與分壓等電阻，等效模型如圖1所示.Ub為電壓值，Rp，Rn為絕緣電阻，R1，R2為接入橋式分壓電阻(其中R1=R2=R0)，Rf為采樣電阻；Us為信號發(fā)生器的電壓值(Us+，Us-分別表示信號正脈沖電壓值與負脈沖電壓值,ΔUs=|Us+-Us-|為信號的差值絕對值)；Uf為電阻Rf兩端的偏差電壓值(Uf+，Uf-分別表示偏差信號的正脈沖電壓值與負脈沖電壓值，ΔUf=|Uf+-Uf-|為偏差信號的差值絕對值).

當(dāng)RpUB.根據(jù)基爾霍夫電流定律可得

(1)

(2)

(3)

聯(lián)立可解

(4)

(5)

其中，Rq為正負端母線絕緣電阻的并聯(lián)值.可視注入信號的過程電池電壓Ub保持不變，將采集正負脈沖信號Us+與Us-，對應(yīng)的偏移信號Uf+與Uf-分別代入式(4)，得

(6)

其中，ΔUs，ΔUf均為信號差值的絕對值.將式(6)代入到公式(4)和(5)，得

(7)

(8)

當(dāng)RpUB，Us=-Us-與Uf=Uf-代入式(7)和(8)得正負端絕緣電阻分別為

(9)

(10)

當(dāng)Rp>Rn且發(fā)射信號為正半周期時，此時UA

(11)

(12)

當(dāng)Rp=Rn時，由式(6)可得正負端絕緣電阻為

(13)

2 電阻絕緣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

Wang[14]等人設(shè)計的絕緣檢測數(shù)學(xué)模型考慮了電池組中各個單體電池與電阻的關(guān)系，但是并沒有對單體單池電阻的絕緣故障考慮進檢測模型，只能判斷一側(cè)故障絕緣故障，因此該數(shù)學(xué)模型判定類型單一，不具有普遍性.Song[15]等人同樣考慮了單池電池與電阻的關(guān)聯(lián)，但是假設(shè)絕緣故障只發(fā)生在兩端，數(shù)學(xué)模型同樣是檢測一側(cè)故障，不具有普遍性.王澤京[16]等人設(shè)計的無源式外接電阻切換法的數(shù)學(xué)模型優(yōu)點是能夠測出單側(cè)的電阻值，但是外接電阻的通斷會降低動力電池的絕緣性能.Yang[17-18]等人利用電池SOC估計建立數(shù)學(xué)模型判定電池外部短路.Zhang[19-20]等人利用電池SOC估計建立數(shù)學(xué)模型判定電池內(nèi)部短路.上述設(shè)計的數(shù)學(xué)模型只能測量單體電池，或者少量的單體電池組合，無法測試動力電池組的絕緣性能.考慮到上述情況，本文改進的絕緣電阻數(shù)學(xué)模型最大的優(yōu)點就是可以測量任何故障類型時的單側(cè)電阻值，實現(xiàn)更加精確的判斷動力電池組的絕緣情況.新的數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用對保障汽車安全具有重要的意義.但是不足處在對動力電池電壓值的穩(wěn)定性，信號采集的精度要求較高，抗干擾能力要求較高，會給計算精度帶來一定的影響.

基于上述數(shù)學(xué)模型設(shè)計絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要完成的主要功能有低壓脈沖信號Us發(fā)生與采樣、偏差信號Uf的采樣、動力電池電壓值信號Ub的采樣、采樣信號的濾波調(diào)理、計算絕緣電阻值、絕緣性能判斷與故障報警和CAN通信傳輸?shù)?根據(jù)系統(tǒng)功能，采用仿真軟件設(shè)計了相應(yīng)控制算法，并完成了硬件電路模塊的開發(fā).

2.1 控制算法軟件設(shè)計本文提出的有源式動力電池絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)的控制算法用于對電阻絕緣性能的評估判斷是否發(fā)生故障，并控制報警信號等，控制邏輯由相關(guān)仿真軟件建模驗證，其流程圖如圖2所示.采集正負脈沖壓值階段的信號Us+，Us-，對應(yīng)的偏差信號Uf+，Uf-.由于硬件電路的作用，控制器接口端采集的信號為非負值，存在一個基準偏移量.采集的信號壓值需要減去相應(yīng)的基準偏移量以獲得差值，該差值再除以相應(yīng)的放大系數(shù)得到的才是真實的信號量.通過比較偏差信號值的Uf+，Uf-真實信號量的大小，選用不同的計算模型計算出較為準確的正負端絕緣電阻值Rp，Rn.該計算得到電阻值Rp，Rn與報警值比較，判定此時電動汽車的絕緣性能，并根據(jù)該判定情況發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行指令.CAN總線實時將監(jiān)測系統(tǒng)得到的絕緣情況上傳到車載終端，提醒駕駛員關(guān)注車輛的絕緣情況.

2.2 硬件電路模塊設(shè)計為了滿足系統(tǒng)功能設(shè)計要求，降低硬件電路誤差帶來的干擾，該系統(tǒng)硬件電路部分采用模塊化設(shè)計.硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要有信號發(fā)生模塊、偏差信號采樣模塊、動力電池電壓采樣模塊、信號濾波調(diào)理模塊、主控模塊、故障報警模塊、CAN通信模塊和系統(tǒng)工作電源模塊等.

在圖3中主控模塊用于控制信號的發(fā)生和濾波，根據(jù)采樣的信號計算出絕緣阻值并判斷絕緣性能，依據(jù)判定的絕緣性能控制故障報警模塊的工作.信號產(chǎn)生模塊根據(jù)主控模塊的指令交替接入±40 V的電壓，形成所需的低頻低壓脈沖信號Us，并將該信號發(fā)送到動力電池系統(tǒng)中.信號濾波調(diào)理模塊的作用是對Us信號與Uf信號進行反向、濾波與放大等.偏差信號采樣模塊通過主控模塊的指令采集周期內(nèi)偏差信號Uf.動力電池電壓采集模塊的作用是對動力電池電壓值Ub進行降壓、濾波與采樣.系統(tǒng)工作電源模塊的作用是將外部12 V供電電壓進行穩(wěn)壓濾波，將12 V電壓轉(zhuǎn)換為±40 V與5 V等待用電壓值.故障報警模塊根據(jù)主控模塊發(fā)送的控制指令以不同的頻率閃爍報警燈或者切斷動力電池供能系統(tǒng)；CAN通信模塊將電源電壓值、正負端絕緣性能中最低的電阻值和故障類型碼編組發(fā)送給車載終端顯示.

此外，圖3中虛線為控制信號流，細實線為數(shù)據(jù)信號流，粗實線為電信號流.

3 臺架實驗驗證

圖4 試驗臺架模型

為了驗證上述絕緣電阻檢測算法的可行性及檢測精度的準確性，搭建測試臺架.如圖4所示.該實驗臺架主要由電池包、正負端絕緣電阻箱、穩(wěn)壓電源、絕緣監(jiān)測系統(tǒng)板、下載線和CAN總線等組成.

國家標準規(guī)定[4]:電動汽車的動力電池的絕緣電阻值與直流電壓值的比值不能小于100 Ω/V.為了保證電動汽車擁有較大的續(xù)航里程，電動汽車的動力電池的電壓普遍高于300 V，在保證充分的冗余度的前提下，設(shè)定絕緣電阻一級報警值為100 kΩ，二級報警值為300 kΩ.測試電池包標定為72 V，校準真實值為80 V.臺架測試參數(shù)及等效絕緣電阻，如表1所示.

表1 臺架測試參數(shù)

在臺架實驗測試過程中，通過調(diào)節(jié)正負端電阻箱的電阻值模擬出現(xiàn)不同的絕緣情況.實驗測試分為5組，分別是：第1組正負端絕緣性能正常且電阻值相等；第2組正端絕緣性能有所下降但是絕緣良好，負端發(fā)生二級絕緣故障；第3組正負端同時發(fā)生二級絕緣故障；第4組正端絕緣發(fā)生一級絕緣故障，負端發(fā)生二級絕緣故障；第5組正負端同時發(fā)生一級絕緣故障.在進行分組測試的同時，記錄由CAN總線傳遞到PC終端的監(jiān)測系統(tǒng)測量的正負端絕緣性能最差的電阻值數(shù)據(jù).重復(fù)3次該實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行整理分析結(jié)果如表2所示.

表2 臺架測試結(jié)果

其中第1、2組實時測試數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示，其中誤差值為誤差平均值.

通過臺架測試結(jié)果可知，由測量電阻平均值小于設(shè)定的電阻值，并且存在10 kΩ左右測量偏差.測量誤差隨著Rp與Rn的降低而增大.當(dāng)Rp=Rn時，此時流過Rf上的電流主要由于Us流過.監(jiān)測系統(tǒng)采集的Uf較小，干擾作用較大，對采樣精度影響較大，造成最終的測量結(jié)果波動較大.隨著Rp與Rn降低，采樣的Uf增大，波動較小.當(dāng)Rp≠Rn時，此時流過Rf上的電流主要由Ub與Us疊加流過.監(jiān)測系統(tǒng)采集的Uf較大，干擾作用較小，有利于最終的測量結(jié)果.當(dāng)Rp>Rn時，采集的Uf+>Uf-；當(dāng)Rp

實驗?zāi)M的不同的絕緣情況測得的平均電阻值小于實際值，造成此現(xiàn)象的原因是電路板溫度對電路中的電容電阻的影響較大，并且由于選型的單片機無法進行類似于卡爾曼等較為復(fù)雜的濾波算法，使采集的偏差信號Uf干擾較多，測量結(jié)果波動較大.綜合分析，測量結(jié)果驗證了基于正負低壓脈沖信號注入法的改進計算模型的可行性，基于該改進算法的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的平均檢測誤差在5%左右，精度滿足要求.

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有的低壓低頻脈沖信號注入法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進的算法模型，并基于改進算法設(shè)計了一種有源式動力電池絕緣監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)比較采樣得到的反射信號值，選用不同的計算模型計算絕緣電阻值.通過臺架試驗結(jié)果與分析，驗證了改進算法模型的可行性和正確性，并且驗證了運用該算法的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的平均測量誤差量在5%左右，具有較高的測量靈敏度與精度，有效地解決了部分無源式絕緣檢測方法無法有效測量同時下降的正負端絕緣電阻與正負端單側(cè)絕緣電阻問題，可以實時監(jiān)測動力電池絕緣性能，較高的穩(wěn)定性和良好的應(yīng)用前景.下一步工作將考慮對單片機進行升級，使用更為合適的濾波算法的同時考慮溫度等因素對監(jiān)測系統(tǒng)的影響，進一步提高測量的精確性與穩(wěn)定性.