電池管理系統(tǒng)中一種絕緣電阻檢測(cè)方法

楊守建

（聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206）

純電動(dòng)汽車（Battery Electric Vehicles, BEV）和插電混動(dòng)汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）中的電池系統(tǒng)通常為400 V系統(tǒng)，部分主機(jī)廠開(kāi)始研發(fā) 800 V電池系統(tǒng)以提升整車?yán)m(xù)航能力，而400 V和800 V電壓等級(jí)已遠(yuǎn)超行業(yè)規(guī)定的36 V人身安全電壓。EV和PHEV中的電池模組在高溫、車用振動(dòng)沖擊，電池電解液泄漏等惡劣的工作環(huán)境下，整車車身地與電池模組間的絕緣介質(zhì)容易被損壞，進(jìn)而導(dǎo)致高低壓系統(tǒng)間絕緣性能變差，造成系統(tǒng)功能異常，危及人身安全。

因此，對(duì)車載高低壓系統(tǒng)間的絕緣電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)有效檢測(cè)，當(dāng)絕緣電阻檢測(cè)值超出規(guī)定范圍后，控制系統(tǒng)及時(shí)采取保護(hù)措施以保障人身安全顯得尤為重要。論文介紹了絕緣電阻的定義，安全閾值，被動(dòng)檢測(cè)方法，并針對(duì)絕緣電阻被動(dòng)檢測(cè)方法的不足，提出了一種基于全橋隔離檢測(cè)電路的主動(dòng)絕緣檢測(cè)方法[1-2]，提高了檢測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。

1 絕緣電阻的定義

在電動(dòng)汽車上，絕緣檢測(cè)的目標(biāo)是通過(guò)絕緣檢測(cè)電路采集相關(guān)電信號(hào)，并通過(guò)絕緣檢測(cè)算法計(jì)算出電池模組與整車車身地之間的等效電阻，即絕緣電阻，其阻值大小可反映電動(dòng)汽車高低壓系統(tǒng)之間絕緣性能的好壞。

根據(jù)GB/T 18384—2020中電動(dòng)汽車安全要求[3]，絕緣電阻的阻值除以動(dòng)力電池的標(biāo)稱電壓 U，所得的值應(yīng)大于100 Ω/V。若不滿足該要求，則認(rèn)為出現(xiàn)系統(tǒng)絕緣故障。

絕緣電阻按照設(shè)備的標(biāo)稱電壓計(jì)算，應(yīng)符合表1要求[4]。

表1 絕緣電阻的要求

其中，將設(shè)備上外露可導(dǎo)電部分與保護(hù)導(dǎo)體連接，利用基本絕緣對(duì)設(shè)備部件進(jìn)行絕緣保護(hù)的稱為I類設(shè)備；采用多層絕緣或加強(qiáng)絕緣保護(hù)的稱為Ⅱ類設(shè)備[4]。

如表1所示，采用100 Ω/V和500 Ω/V兩擋閾值將絕緣性能劃分成三個(gè)等級(jí)。當(dāng)絕緣電阻低于100 Ω/V時(shí)，絕緣等級(jí)為不合格，系統(tǒng)需立刻報(bào)警，自動(dòng)斷開(kāi)動(dòng)力設(shè)備與動(dòng)力電池的連接，并采取有效防護(hù)措施；當(dāng)絕緣電阻介于100 Ω/V和500 Ω/V之間，絕緣等級(jí)為合格，可作絕緣故障預(yù)警；當(dāng)絕緣電阻大于500 Ω/V時(shí)，絕緣等級(jí)為良好，系統(tǒng)未發(fā)生絕緣故障[5-6]。

由于絕緣故障涉及行車安全和人身安全，因此，在100～500 Ω/V的檢測(cè)精度非常重要，根據(jù)當(dāng)前獲取客戶項(xiàng)目技術(shù)需求輸入，絕緣電阻檢測(cè)精度通常要求為-25%～0%。

2 絕緣電阻檢測(cè)電路及方法

圖1為電動(dòng)汽車絕緣電阻被動(dòng)檢測(cè)方法系統(tǒng)框圖[7]，該系統(tǒng)主要由高壓電池、絕緣檢測(cè)電路、隔離系統(tǒng)、主控制器、通訊單元和故障報(bào)警系統(tǒng)組成。圖1示意了待檢測(cè)的絕緣電阻RP和RN，RP表示高壓電池正極與車身地之間的等效絕緣電阻，RN表示高壓電池負(fù)極與車身地之間的等效絕緣電阻。RB1、RB2為診斷輔助電阻，電阻RB1的另一端接高壓電池正極，電阻RB2的另一端接高壓電池負(fù)極。隔離系統(tǒng)包括電源隔離和通訊隔離，用于隔離高壓區(qū)和低壓區(qū)。高壓區(qū)指由高壓動(dòng)力電池供電的部分，主要包括高壓電池包和絕緣檢測(cè)電路；低壓區(qū)指由低壓輔助蓄電池供電的部分，主要包括主控制器、通訊單元和故障報(bào)警系統(tǒng)。

圖1 絕緣電阻被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

主控制器通過(guò)高壓 AD隔離采樣電路，實(shí)時(shí)采集并讀取高壓電池正極對(duì)高壓電池負(fù)極的電壓UPN和車身地對(duì)高壓電池負(fù)極的電壓UN，并定義α=(UPN-UN)/UN。由于高壓電池正極對(duì)車身地的絕緣電阻和高壓電池負(fù)極對(duì)車身地的絕緣電阻在正常狀態(tài)下是對(duì)稱相等的，所以高壓電池對(duì)車身地絕緣電阻無(wú)異常時(shí)α基本等于1。當(dāng)高壓電池某一極對(duì)車身地絕緣電阻發(fā)生突變，則會(huì)導(dǎo)致α大于1或小于1，觸發(fā)絕緣故障報(bào)警。

絕緣電阻被動(dòng)檢測(cè)方法依據(jù)高壓電池正負(fù)極對(duì)車身地的電壓采樣值，能快速判斷出高壓電池正負(fù)極對(duì)車身地絕緣電阻變化趨勢(shì)，但卻無(wú)法計(jì)算出絕緣電阻阻值，且當(dāng)高壓電池正負(fù)極對(duì)車身地絕緣電阻發(fā)生同向同比例變化時(shí)，α值將始終保持在 1左右，無(wú)法報(bào)出絕緣故障。除此之外，雖然診斷輔助電阻RB1、RB2設(shè)置的值較大，通常在幾兆歐到幾十兆歐，使得高低壓系統(tǒng)基本絕緣，但當(dāng)診斷輔助電阻出現(xiàn)短路或者阻值減小失效，也易引發(fā)絕緣故障。

為解決絕緣電阻被動(dòng)檢測(cè)的不足，論文在系統(tǒng)框圖（圖1）的基礎(chǔ)上，提出了基于全橋隔離檢測(cè)電路的電動(dòng)汽車絕緣電阻主動(dòng)檢測(cè)方法，具體如圖2所示。該系統(tǒng)在絕緣檢測(cè)電路中增加了全橋電阻開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，包含正極控制開(kāi)關(guān)S1和負(fù)極控制開(kāi)關(guān) S2，正極控制開(kāi)關(guān) S1和負(fù)極控制開(kāi)關(guān) S2一端連接在一起，正極控制開(kāi)關(guān)S1的另一端接正極開(kāi)關(guān)電阻RS1，電阻RS1的另一端接高壓電池正極，負(fù)極控制開(kāi)關(guān) S2的另一端接負(fù)極開(kāi)關(guān)電阻RS2，電阻RS2的另一端接高壓電池負(fù)極。同時(shí)避免絕緣檢測(cè)電路中元器件失效帶來(lái)絕緣性能的下降，車身地與其余電阻開(kāi)關(guān)電路之間串接啟動(dòng)開(kāi)關(guān) S0。

圖2 基于全橋隔離檢測(cè)電路的主動(dòng)絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng)框圖

采用上述電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車絕緣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)檢測(cè)的方法，如圖3所示，包括以下步驟：

圖3 絕緣電阻檢測(cè)方法的流程圖

1）主控單元等待接收電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)下達(dá)絕緣檢測(cè)指令；

2）主控單元若接收到絕緣檢測(cè)指令，則執(zhí)行步驟3），否則執(zhí)行步驟1）；

3）使啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S0處于閉合狀態(tài)，正極控制開(kāi)關(guān)S1和負(fù)極控制開(kāi)關(guān)S2都處于斷開(kāi)狀態(tài)，由AD采樣子系統(tǒng)采樣電池包正極對(duì)電池包負(fù)極的電壓UPN和車身地對(duì)電池包負(fù)極的電壓UN，定義α=(UPN-UN)/UN。根據(jù)電阻分壓關(guān)系[8]可得

4）根據(jù)UPN-UN與UN的比值α判斷閉合正極控制開(kāi)關(guān)S1或負(fù)極控制開(kāi)關(guān)S2，執(zhí)行步驟5）或步驟6）；

5）當(dāng)比值α>1時(shí)，說(shuō)明RP>RN。為了更精確地計(jì)算到絕緣阻值，閉合正極控制開(kāi)關(guān) S1，保持負(fù)極控制開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)。由AD采樣子系統(tǒng)采樣電池包正極對(duì)電池包負(fù)極的電壓UPN1和車身地對(duì)電池包負(fù)極的電壓UN1，定義β=(UPN1-UN1)/UN1。根據(jù)電阻分壓關(guān)系[9]得

聯(lián)立式（1）、式（2），可求得RP和RN，如式（3）所示：

6）當(dāng)比值α≤1時(shí)，說(shuō)明RP≤RN。為了更精確地計(jì)算到絕緣阻值，閉合負(fù)極控制開(kāi)關(guān) S2，保持正極控制開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)。由AD采樣子系統(tǒng)采樣電池包正極對(duì)電池包負(fù)極的電壓UPN2和車身地對(duì)電池包負(fù)極的電壓UN2，定義γ=(UPN2-UN2)/UN2。根據(jù)電阻分壓關(guān)系[8]得

聯(lián)立式（1）、式（4），可求得RP和RN，如式（5）所示：

7）當(dāng)步驟5）或步驟6）計(jì)算得到的RP和RN都大于500 Ω/V×工作電壓時(shí)，說(shuō)明絕緣性能良好，無(wú)需絕緣報(bào)警；當(dāng)RP和RN中一個(gè)小于500 Ω/V×工作電壓，另一個(gè)大于500 Ω/V×工作電壓時(shí)，說(shuō)明高壓電池正負(fù)極單端絕緣性能下降，啟動(dòng)單端絕緣故障報(bào)警；當(dāng)RP和RN都小于500 Ω/V×工作電壓時(shí)，執(zhí)行步驟 8），進(jìn)行絕緣阻抗精確計(jì)算校驗(yàn)；

8）當(dāng)采用式（3）或式（5）計(jì)算得到的RP和RN都小于500 Ω/V×工作電壓時(shí)，此時(shí)采用以上方法所測(cè)到的絕緣阻值精度較差，并且此阻值范圍也是較關(guān)心的雙端絕緣性能均變差的區(qū)域。改變正極控制開(kāi)關(guān)S1和負(fù)極控制開(kāi)關(guān)S2的狀態(tài)，重新聯(lián)立方程進(jìn)行精確計(jì)算，也是對(duì)前述計(jì)算值的校驗(yàn)確認(rèn)。若原來(lái)處于步驟5）：正極控制開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，負(fù)極控制開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，則切換到步驟6）：正極控制開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，負(fù)極控制開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通；若原來(lái)處于步驟6）：正極控制開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，負(fù)極控制開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通，則切換到步驟5）：正極控制開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，負(fù)極控制開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)。同樣，由AD采樣子系統(tǒng)采樣電池包正極對(duì)電池包負(fù)極的電壓和車身地對(duì)電池包負(fù)極的電壓。

聯(lián)立式（2）、式（4），可求得RP和RN，如式（6）所示

若式（6）求得的RP和RN還是都小于500 Ω/V×工作電壓，則啟動(dòng)雙端絕緣故障報(bào)警。

3 Simulink仿真

圖4為基于全橋隔離檢測(cè)電路的主動(dòng)絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的Simulink仿真模型。其中，Battery模擬400 V整車高壓電池包，RP和RN為模擬整車高壓電池正負(fù)極對(duì)車身地等效絕緣電阻。通過(guò)控制Ideal Switch2 和Ideal Switch3導(dǎo)通，使Rn1和Rp1分別和RN和RP并聯(lián)，來(lái)模擬等效絕緣電阻的變化。Ideal Switch1， Ideal Switch，Rsu，Rsd，Rpu，Rpd分別模擬圖2 中的 S1，S2，RS1，RS2，RB1，RB2。本模型中取RP=RN=1 MΩ，Rp1=Rn1=100 kΩ，Rpu=Rpd=3 MΩ，Rsu=Rsd= 1 MΩ。

圖4 絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的Simulink仿真圖

通過(guò)上文所述絕緣電阻檢測(cè)算法，搭建下方Simulink算法模型，兩個(gè)電壓采樣模塊分別采樣總電池電壓和車身地到電池包負(fù)極的電壓，并通過(guò)除法模塊進(jìn)行除法運(yùn)算，通過(guò)運(yùn)算值判斷執(zhí)行上部開(kāi)關(guān)或下部開(kāi)關(guān)的閉合操作。功能算法模塊將開(kāi)關(guān)閉合前后的比值聯(lián)立方程，即可求出等效絕緣電阻RP和RN。

當(dāng)Ideal Switch3保持?jǐn)嚅_(kāi)，控制Ideal Switch2在t=40 s前保持閉合，電阻RP1與RP并聯(lián)，并聯(lián)后等效電阻為1 MΩ//100 kΩ≈90.91 kΩ，當(dāng)t=40 s時(shí)，控制Ideal Switch2由閉合轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，即模擬總的等效絕緣電阻RN在40 s時(shí)從90.91 kΩ突變?yōu)? MΩ。如圖5RN曲線所示，上述仿真模型在t=58 s時(shí)，計(jì)算出高壓電池負(fù)極對(duì)車身地的等效絕緣電阻值為1.05 MΩ，檢測(cè)時(shí)間約為(58-40)=18 s，檢測(cè)精度為(1-1.05)/1×100%=-5%，滿足-25%～0%絕緣電阻檢測(cè)精度要求。

圖5 絕緣電阻檢測(cè)仿真計(jì)算輸出

當(dāng)Ideal Switch2保持?jǐn)嚅_(kāi)，控制Ideal Switch3在t=65 s時(shí)由斷開(kāi)轉(zhuǎn)為閉合，電阻RP1與RP并聯(lián)，并聯(lián)后等效電阻為1 MΩ//100 kΩ≈90.91 kΩ，即模擬總的等效絕緣電阻RP在65 s時(shí)從1 MΩ突變?yōu)?0.91 kΩ。如圖5RP曲線所示，上述仿真模型在t=78 s時(shí)，計(jì)算出高壓電池正極對(duì)車身地的等效絕緣電阻值為87.68 kΩ，檢測(cè)時(shí)間約為(78-65)=13 s，檢測(cè)精度為(87.68-90.91)/90.91×100%=-3.56%，滿足-25%～0%絕緣電阻檢測(cè)精度要求。

4 總結(jié)

論文介紹了電池管理系統(tǒng)中基于全橋隔離檢測(cè)電路的主動(dòng)絕緣檢測(cè)方法，該方法可以準(zhǔn)確計(jì)算出高壓電池正負(fù)極對(duì)車身地的等效絕緣電阻值，并根據(jù)不同絕緣閾值，進(jìn)行絕緣故障預(yù)警，單端絕緣故障報(bào)警和雙端絕緣故障報(bào)警。在實(shí)際電池管理控制器項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用本方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)的控制器經(jīng)過(guò)電池包臺(tái)架測(cè)試、環(huán)境耐久測(cè)試以及整車夏季和冬季試驗(yàn)驗(yàn)證，絕緣電阻檢測(cè)功能良好，相關(guān)控制器產(chǎn)品在客戶400 V系統(tǒng)中已順利量產(chǎn)，并將對(duì)800 V系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)提供設(shè)計(jì)參考。