電動(dòng)車動(dòng)力電池組緣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許林，李華，蔣小輝

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川廣元，628040）

0 引言

為解決全球性環(huán)境污染和石油危機(jī)等重大挑戰(zhàn)，電動(dòng)汽車領(lǐng)域經(jīng)歷了迅速發(fā)展。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的主要能量來(lái)源，通常其電壓往往高于36V，甚至達(dá)到數(shù)百伏特，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人體安全的電壓承受范圍[1]。因此，確保動(dòng)力電池系統(tǒng)和整車之間保持良好的電氣絕緣狀態(tài)顯得至關(guān)重要。然而，電動(dòng)汽車作為一種復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，經(jīng)常使用在惡劣的環(huán)境條件下，如潮濕、干燥、高溫、低溫、沙塵等環(huán)境，這極易導(dǎo)致電池系統(tǒng)內(nèi)部線束的老化和外皮破損，從而降低車身與電池系統(tǒng)的絕緣安全性[2]。因此，精確評(píng)估電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的絕緣狀況，對(duì)提高電動(dòng)汽車的安全性具有至關(guān)重要的意義。

目前，針對(duì)絕緣電阻的檢測(cè)有多種方法，主要包括低頻信號(hào)注入法和電橋法[3]。低頻信號(hào)注入法原理是在絕緣檢測(cè)的時(shí)候在電池系統(tǒng)中主動(dòng)注入低頻交流電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)絕緣狀態(tài)的檢測(cè)。該方法不僅容易受到電池外殼分布電容的影響，也容易受到外部環(huán)境干擾信號(hào)的影響。此外，注入的低頻交流信號(hào)也可能進(jìn)一步干擾其他檢測(cè)電路的正常運(yùn)行。在國(guó)內(nèi)大部分電動(dòng)汽車動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的絕緣檢測(cè)依舊采用的是GB/T 18384.1 中給定的電橋法。電橋法也根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同而得到了不同程度的優(yōu)化，從而演變出多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如平衡橋法、雙橋法、乒乓橋法和平衡橋法等[4]。

本文主要針對(duì)當(dāng)前動(dòng)力電池組絕緣檢測(cè)精度低、可靠性差、無(wú)法定位電池組內(nèi)部絕緣故障點(diǎn)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)提出一款改進(jìn)式的基于STM32 的動(dòng)力電池絕緣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠能快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的檢測(cè)，并可精準(zhǔn)定位電池組內(nèi)部單點(diǎn)絕緣故障的位置。

1 絕緣檢測(cè)電路原理

對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)而言，人員最容易直接接觸或間接接觸動(dòng)力電池組的高壓正極、負(fù)極與車身（殼體），如果能做到人員觸碰到車身任意一點(diǎn)時(shí)絕緣性能都足夠好，那么電池系統(tǒng)的應(yīng)用安全性就可以得以保證[5]。由于傳統(tǒng)的平衡電橋和非平衡電橋絕緣電阻檢測(cè)電路僅能單一的檢測(cè)絕緣電阻值，若發(fā)生絕緣故障，其無(wú)法定位具體故障的位置。為了實(shí)現(xiàn)在檢測(cè)絕緣電阻的同時(shí)有效定位單點(diǎn)絕緣故障位置，利用了由基本平衡電橋法改進(jìn)而來(lái)的切換電橋法，其檢測(cè)電路原理如圖1 所示。

圖1 絕緣檢測(cè)理論電路圖

在圖1 中，aV表示電池當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)的總電壓。iR表示設(shè)定待求絕緣電阻值，即電池系統(tǒng)與車身的絕緣狀態(tài)量化參考值。BV表示待求電池故障節(jié)點(diǎn)電壓值，若發(fā)生絕緣不良，該電壓參數(shù)用于定電池組絕緣不良具體位置。Vm,x與Vm,a為電橋法電壓測(cè)量點(diǎn)。aR、bR、cR、dR為外加給定輔助電阻。由電阻分壓原理可計(jì)算電池當(dāng)前時(shí)刻的總電壓為：

其中Vm,a為該時(shí)刻電池電壓在bR上所分得的電壓值。其絕緣電阻檢測(cè)步驟為：

步驟一：控制K1 閉合，K2 打開(kāi)時(shí)，即x=1 時(shí)，由基爾霍夫電流定律可得：

步驟二：控制K1 打開(kāi)，K2 閉合時(shí)，即x=2 時(shí)，由基爾霍夫電流定律可得：

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，令：Rb= 1、Rc=R、Ra=Rd=2R，R 為在實(shí)際工程應(yīng)用中選用的合適電阻值。聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)。最終待求電壓值VB與絕緣電阻值Ri如式(4)與式(5)所示：

若系統(tǒng)檢測(cè)電池系統(tǒng)絕緣不良，則電池系統(tǒng)絕緣不良位置Bnum為：

2 絕緣檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

絕緣檢測(cè)系統(tǒng)硬件單元，主要包括以STM32 為核心得主控單元、電源模塊電路、切換非平衡橋電路、電壓信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換電路。其中主控芯片采用意法半導(dǎo)體（ST）公司開(kāi)發(fā)的一款高性能，基于ARM Cortex-M0 內(nèi)核的32 位微控制器，工作頻率高達(dá)64MHz，型號(hào)為STM32G0B1VET6，該處理器廣泛應(yīng)用于消費(fèi)、工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和設(shè)備等領(lǐng)域，該模塊主要包括了芯片最小系統(tǒng)電路，工作指示燈電路，以及相關(guān)接口調(diào)試電路等[6]。

2.1 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

如圖2 所示，為12V 輸出的DC/DC 電源轉(zhuǎn)換模塊電路，其中F1 為貼片式保險(xiǎn)絲，防止大電流損壞元器件。D1 為瞬態(tài)抑制二極管（TVS），利用其器件的非線性特性來(lái)保護(hù)后級(jí)電子線路中的精密元器件。U1 為共模濾波器，抑制兩個(gè)信號(hào)線的共模干擾，提高電源電路電磁兼容性，即提高EMC 能力。Q2 是采用P 溝道MOSFET 設(shè)計(jì)形成電源開(kāi)關(guān)控制電路，主要用于電源的控制，以達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的作用。圖中大容值電容主要用于濾除低頻干擾噪聲，小容值電容主要用于濾除高頻干擾噪聲。并聯(lián)多個(gè)不同電容值的電容，主要降低電容ESR 的效應(yīng)，使得濾波效果更好。以U2 為核心的是為DC/DC 變換電路，其中DC/DC 降壓型恒壓恒流控制器采用H6205L，在設(shè)置其最大輸出電流時(shí)，主要通過(guò)修改CS 引腳和VSS 腳之間的電阻來(lái)設(shè)置，輸出電流值如式(6)所示，由電阻R11與R12決定。

圖2 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換電路

除需12V 電源以外，還需要5V 電壓與3.3V 電壓。其中5V 電源主要用于對(duì)典型芯片的供電，以及電源隔離電路的運(yùn)用，3.3V主要用于MCU 主控芯片的供電。對(duì)于12V轉(zhuǎn)5V 電路，本設(shè)計(jì)主要采用DC/DC 穩(wěn)壓芯片，其型號(hào)為SY8291ABC。該芯片其輸入電壓范圍在5V 至40V，且能夠提供最大1.2A 的電流輸出。5V 轉(zhuǎn)3.3V 是采用低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），型號(hào)為常見(jiàn)的AMS1117，LDO 一般用于降壓且輸入和輸出電壓壓差較小的場(chǎng)合，其具有成本低，噪音低，靜態(tài)電流小等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 絕緣檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

絕緣檢測(cè)工程應(yīng)用電路圖如圖3 所示。其中U8、U9與U11 均為2 路光電固態(tài)繼電器，用于控制線路的斷開(kāi)與閉合，U12 為7 通道達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)光電固態(tài)繼電器。在電阻值選擇中，參考理論電路圖1 所示，確定Rb= 1k ，R=820k。

圖3 絕緣檢測(cè)工程電路圖

絕緣檢測(cè)電路需要直接與電動(dòng)汽車動(dòng)力電池高壓部分連接，因此為避免信號(hào)干擾，在電壓采集過(guò)程中需要實(shí)施電源隔離措施。電源隔離電路采用專用微功率隔離電源芯片VPS8504 與推挽變壓器相結(jié)合，以提供5V 電源隔離。電壓信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換電路如圖4 所示，電路中光電晶體管U6 用于控制多路復(fù)用開(kāi)關(guān)U7 的切換，完成不同位置的電壓采集；電壓放大器U10B，其理論放大倍數(shù)為101 倍；由集成運(yùn)放組成的電壓跟隨器U10A，用于提高信號(hào)帶載能力；16 位高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器U14，用于將采集的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)I2C 通信協(xié)議傳輸給主控制單元進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算和處理。此外，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定與可靠，還可使用高可靠性2 通道I2C雙向數(shù)字隔離器來(lái)增強(qiáng)傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖4 電壓信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換電路

3 絕緣檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是基于STM32 單片機(jī)C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)為核心，運(yùn)用美國(guó)ARM 公司的Keil 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成整個(gè)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電壓采集、絕緣電阻計(jì)算、數(shù)據(jù)通訊、顯示絕緣狀態(tài)等功能。

為降低絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的功耗，實(shí)際的絕緣檢測(cè)系統(tǒng)需要與電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS） 相互配合。 即絕緣檢測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)結(jié)果傳遞至BMS，BMS 根據(jù)電池系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。另外，絕緣檢測(cè)周期需要根據(jù)動(dòng)力電池的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，具體如下：

（1）絕緣檢測(cè)必須在動(dòng)力電池系統(tǒng)無(wú)其他故障的情況下進(jìn)行，即BMS 檢測(cè)電池系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)發(fā)送啟動(dòng)絕緣檢測(cè)指令。

（2）為避免絕緣檢測(cè)數(shù)據(jù)存在隨機(jī)誤差，檢測(cè)方法采用三次檢測(cè)求方差，若方差在規(guī)定的閾值以內(nèi)，則將三次絕緣值的平均值作為當(dāng)前檢測(cè)值的準(zhǔn)確值，否則重新檢測(cè)。

（3）汽車啟動(dòng)的時(shí)候，需要快速完成絕緣檢測(cè)，在汽車啟動(dòng)檢測(cè)一次良好過(guò)后，檢測(cè)周期設(shè)定為30 分鐘。若每次均未檢測(cè)到絕緣電阻低于設(shè)定閾值時(shí)，則顯示絕緣狀態(tài)良好，并將數(shù)據(jù)上傳BMS。若檢測(cè)到一次絕緣電阻低于設(shè)定閾值時(shí)，馬上進(jìn)行第二次確認(rèn)檢測(cè)，若再一次檢測(cè)到絕緣電阻低于設(shè)定閾值時(shí)，則顯示絕緣故障，同時(shí)計(jì)算出絕緣不良點(diǎn)電壓值，進(jìn)一步定位絕緣不良位置，將數(shù)據(jù)信息上傳BMS 并產(chǎn)生報(bào)警。

（4）當(dāng)汽車熄火處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，不需要快速完成絕緣檢測(cè)，僅在汽車停車熄火后檢測(cè)一次良好過(guò)后，檢測(cè)周期設(shè)定為2 小時(shí)，檢測(cè)方法與汽車啟動(dòng)的時(shí)候相同。

根據(jù)工業(yè)和信息化部組織制定的《GB 18384-2020 電動(dòng)汽車安全要求》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻，不小于100Ω/V，交流電路不小于500Ω/V[7]。要求純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池絕緣電阻值至少為100Ω/V，本設(shè)計(jì)以500Ω/V 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量動(dòng)力電池的絕緣狀況。軟件系統(tǒng)的程序流程圖如圖5 所示。

圖5 絕緣檢測(cè)程序流程圖

4 絕緣檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證與測(cè)試

為了驗(yàn)證該絕緣檢測(cè)系統(tǒng)有效性，搭建其實(shí)際的測(cè)試平臺(tái)如圖6 所示，平臺(tái)主要包括包括12 串磷酸鐵鋰電池組，絕緣檢測(cè)系統(tǒng)硬件，筆記本電腦一臺(tái)。筆記本電腦主要用于對(duì)絕緣檢測(cè)系統(tǒng)指令的發(fā)出與檢測(cè)數(shù)據(jù)的收集。

圖6 絕緣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)絕緣電阻采用10kΩ~300kΩ 范圍內(nèi)的直插色環(huán)電阻模擬動(dòng)力電池組中的絕緣電阻，其精度均選擇±1%，本次測(cè)試忽略其電阻本身的阻值誤差。

實(shí)驗(yàn)主要分為三種狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試絕緣電阻，分別為：（1）正極母線絕緣電阻；（2）負(fù)極母線絕緣電阻；（3）電池組中間某串電池絕緣電阻，并定位該串電池位置。具體測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 絕緣檢測(cè)程序流程圖

由表1 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池絕緣檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)?dòng)力電池實(shí)現(xiàn)多種絕緣狀況的檢測(cè)，且絕緣電阻檢測(cè)誤差控制在5%以內(nèi)，能夠很好地滿足其動(dòng)力電池絕緣檢測(cè)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)當(dāng)前動(dòng)力電池組絕緣電阻檢測(cè)精度低、可靠性差、無(wú)法定位電池組內(nèi)部絕緣故障點(diǎn)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于STM32 的動(dòng)力電池絕緣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測(cè)電路是由基本平衡電橋電路改進(jìn)而來(lái)的切換非平衡電橋電路，該檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，且成本較低。最后通過(guò)搭建測(cè)試平臺(tái)測(cè)試，通過(guò)對(duì)其三種工況下測(cè)試表明該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池的絕緣狀況檢測(cè)誤差均小于5%，并且可準(zhǔn)確定位電池組內(nèi)部絕緣故障的位置。