基于國標(biāo)法的絕緣檢測改進方案研究

李 強

(深圳市國立智能電力科技有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

純電動客車以動力電池為動力源，動力電池系統(tǒng)通常由多個電池箱串并聯(lián)成系統(tǒng)，電池系統(tǒng)任何一點絕緣破壞則造成高壓漏電，可能造成人員安全事故。因此動力電池所有高壓點與車身的絕緣性能直接決定著整車的安全性，全方位準確的檢測電池系統(tǒng)所有高壓點對整車的絕緣電阻至關(guān)重要。

純電動客車動力電池管理系統(tǒng)通常基于國標(biāo)法設(shè)計成并聯(lián)電阻式絕緣檢測儀，如何通過絕緣檢測儀時時準確的檢測電池系統(tǒng)所有高壓點對車身的絕緣電阻成技術(shù)難點。本文基于國標(biāo)法改進了絕緣檢測技術(shù)，設(shè)計了一種絕緣檢測方案，實現(xiàn)了動力電池系統(tǒng)所有高壓點絕緣電阻的準確檢測，對保障純電動客車高壓安全方面具有重要指導(dǎo)意義。

1 國標(biāo)法絕緣檢測原理

國標(biāo)法即在整車高壓系統(tǒng)與整車地之間并聯(lián)一個已知的電阻，采集絕緣電阻等效電路的電壓，帶入一系列運算公式，最終計算出整車等效絕緣電阻。國標(biāo)《GB/T 18384.1-2015電動汽車安全要求》定義REESS（可充電的且可提供電能的能量存能系統(tǒng)）高壓總正與總負對電平臺有不同的絕緣電阻（Rn和Rp，如圖1）。從安全角度考慮，取REESS阻值較小的一個電阻為絕緣電阻[1]。

圖1 絕緣電阻Rn和RpFig.1 Insulation resistance Rn and Rp

國標(biāo)《GB/T 18384.1-2015電動汽車安全要求》針對電動汽車設(shè)計了測試絕緣電阻的方法[2-6]，如圖2絕緣電阻測試電路R0、R1為固定電阻、S1、S2為開關(guān)部件。

圖2 并聯(lián)電阻式絕緣檢測電路Fig.2 Shunt resistance insulation detection circuit

國標(biāo)法絕緣檢測原理：電池系統(tǒng)高壓總正（BAT+）和電池總負（BAT-）與整車地之間的等效絕緣阻值為Rp和Rn。

閉合開關(guān) S1和 S2，得到ADCp1和ADCn1，E為電池總壓，其計算公式為：

閉合開關(guān)S2，得到ADCn2，其計算公式為：

閉合開關(guān)S1，得到ADCp2，其計算公式為：

通過上述操作步驟可得到ADCp1、ADCn1、ADCp2和ADCn2實際測量值，代入公式（1）～（4）后，可計算求出Rp和Rn，其中取Rp和Rn兩者小的值作為電池系統(tǒng)的絕緣阻值。

2 國標(biāo)法絕緣檢測誤差原因分析

國標(biāo)法定義的絕緣電阻為 REESS總正總負對整車的絕緣電阻，但是電池系統(tǒng)由多個電池箱串并聯(lián)組成，電池系統(tǒng)中間高壓點絕緣破壞對應(yīng)的絕緣電阻按照國標(biāo)法檢測原理檢測電阻值卻不一定適用。

以4個電池箱串聯(lián)組成的電池系統(tǒng)作為測試對象開展試驗。人為在 1號電池箱總正、2號電池箱總正與車身短接不同大小電阻，人為觸發(fā)絕緣故障，測試國標(biāo)法絕緣檢測誤差。

4個電池箱串聯(lián)，1號電池箱總正對車身短接電阻則對應(yīng)電池系統(tǒng)總正對車身短接電阻，測試結(jié)果如表1。

表1 電池系統(tǒng)總正絕緣故障Tab.1 Total positive insulation failure of the battery system

2號電池箱總正對車身短接電阻則對應(yīng)電池系統(tǒng)中間高壓點對車身短接電阻，如圖3所示，測試結(jié)果如表2。

圖3 電池系統(tǒng)中間點絕緣破壞圖Fig.3 Insulation damage diagram of battery system intermediate point

表2 電池系統(tǒng)中間位置絕緣故障Tab.2 Insulation failure in the middle position of the battery system

從試驗結(jié)果可見國標(biāo)法絕緣檢測原理可準確實現(xiàn)電池系統(tǒng)總正、總負對車身絕緣電阻檢測，但電池系統(tǒng)中間位置絕緣電阻檢測卻存在較大誤差，檢測值與真實值存在30%-50%的誤差。

電池系統(tǒng)中間高壓點絕緣破壞，絕緣電阻檢測誤差原因分析如下：

如圖3電池系統(tǒng)任一中間點絕緣破壞，并聯(lián)電阻式絕緣檢測儀仍按照原檢測原理分工步閉合開關(guān) S1和 S2采集得到的ADCp1、ADCn1、ADCp2和ADCn2的值，再將測試的值帶入式（1）～（4）計算絕緣電阻Rp和Rn。

設(shè)電池系統(tǒng)總壓E=4 V，V為單箱電池電壓，測試ADCp1、ADCn1、ADCp2和ADCn2的值如下：

閉合開關(guān)S1和S2，得到ADCp1和ADCn1，其計算公式為：

閉合開關(guān)S2，得到ADCn2，其計算公式為：

由公式（5）～（8）可見按照原檢測原理計算值與公式（1）～（4）計算值不相等，則并聯(lián)電阻絕緣檢測儀采集的實際值應(yīng)為ADC′p1、ADC′n1、ADC′p2和ADC′n2，計算的絕緣電阻為Rp′和Rn′。Rp′和Rn′是國標(biāo)法對應(yīng)等效電路下的 REESS總正總負對車身絕緣電阻，兩者取小并非中間絕緣破壞點絕緣電阻R，即 min(Rp′,Rn′)≠R，因此存在較大測試誤差。

3 國標(biāo)法絕緣檢測改進方案設(shè)計

并聯(lián)電阻式絕緣檢測儀檢測電路固定，檢測工步固定。為解決電池系統(tǒng)中間點絕緣電阻（設(shè)絕緣電阻為 X）無法準確測試問題，需關(guān)聯(lián)電池系統(tǒng)中間點絕緣故障等效電路與電池系統(tǒng)總正總負絕緣故障等效電路之間關(guān)系，耦合中間點絕緣電阻X與Rp和Rn關(guān)系，正確求解絕緣電阻X。

如圖 4針對電池系統(tǒng)中間點絕緣故障等效電路與電池系統(tǒng)總正總負絕緣故障等效電路解析Rp和Rn，如式（9）～（15）。

設(shè) Y為電池系統(tǒng)絕緣故障位置，0≤Y≤1。絕緣檢測電路等效原理為轉(zhuǎn)換前后R1、R2兩端電壓不變，R1=R2，對于圖4左，只閉合K1，可以得到：

圖4 兩模式絕緣電阻等效電路Fig.4 Two-mode insulation resistance equivalent circuit

對于圖4右，只閉合K1，可以得到：

同理，對于圖4左，只閉合K2，可以得到：

對于圖4右，只閉合K2，可以得到：

通過化簡公式（9）～（12），最終得到接入電阻與接入位置的等效轉(zhuǎn)換計算公式：

生成公式（13）（14）圖形，如圖5。

圖5 Rp和Rn曲線Fig.5 The curves of Rp and Rn

由圖5可見在Y=0時，Rp=X，Rn=∞，兩者取小絕緣電阻為X；在Y=1時，Rp=∞，Rn=X，兩者取小絕緣電阻為X；但是0＜Y＜1，兩者取小絕緣電阻不等于X，由圖 5可見越靠近 Y=0.5，誤差越大。在Y=0.5時，Rp=2X，Rn=2X，兩者取小絕緣電阻為2X，誤差為X。因此由圖5所示結(jié)果可見，絕緣電阻采用兩者取小原則，可準確測試電池總正總負絕緣電阻，不適用于電池系統(tǒng)中間點絕緣電阻檢測。

耦合公式（13）（14），X=RnURp，即：

改進算法，設(shè)計改進的絕緣檢測方案，絕緣電阻X取值原則：X=RnURp。

按照改進的絕緣檢測方案以 4個電池箱串聯(lián)組成的電池系統(tǒng)作為測試對象開展電池系統(tǒng)絕緣故障試驗，驗證改進的絕緣檢測方案測試誤差，結(jié)果如表3、4所示。

表3 電池系統(tǒng)總正位置絕緣故障Tab.3 Insulation failure in the total positive position of the battery system

表4 電池系統(tǒng)中間位置絕緣故障Tab.4 Insulation failure in the middle position of the battery system

由試驗結(jié)果表1、2與表3、4對比可見，改進的絕緣檢測方案可將絕緣電阻測試誤差從30%～50%降至10%以內(nèi)，實現(xiàn)準確測試電池系統(tǒng)全方位絕緣電阻。

4 結(jié)論

國標(biāo)《GB/T 18384.1-2015 電動汽車安全要求》定義了絕緣電阻，設(shè)計了絕緣檢測基本電路、絕緣檢測基本原理。市場針對國標(biāo)法絕緣檢測技術(shù)開發(fā)了并聯(lián)電阻式絕緣檢測儀，并聯(lián)電阻式絕緣檢測儀可準確實現(xiàn)電池系統(tǒng)總正總負絕緣電阻測試，但無法準確測試電池系統(tǒng)中間位置絕緣電阻，測量值與真實值存在30%～50%誤差。

本文針對電池系統(tǒng)中間位置無法準確測試絕緣電阻問題，從絕緣檢測原理推導(dǎo)，改進絕緣檢測算法，設(shè)計了改進的絕緣檢測方案，開展了方案驗證試驗。對比改進前后試驗結(jié)果可知改進的絕緣檢測方案可準確檢測電池系統(tǒng)全方位絕緣電阻，誤差控制在10%以內(nèi)。