电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法研究*

刘广敏 乔 昕 张晓鹏

（山东省汽车电子技术重点实验室山东省科学院自动化研究所）

1 前言

随着能源和环保问题的日益突出，车辆的电动化已经成为必然趋势。电动汽车无论使用车载蓄电池、燃料电池还是超级电容，其直流电压已超过人体所能承受的范围，有的电池电压甚至达到600 V[1，2]。在如此高压条件下，及时准确地检测到电动汽车的动力电池发生漏电或人员触电造成的绝缘性能下降非常必要。GB/T 18384.1中规定了电动汽车动力电池电压超过交流25 V或直流60 V时必须检测动力电池的绝缘电阻，当绝缘电阻降低到标准以下时必须及时报警以及采取必要的保护措施[3，4]。本文设计了一种电动汽车动力锂电池在线绝缘检测方法。

2 蓄电池在线绝缘电阻检测方法

目前，我国对电动汽车绝缘电阻的检测方法有2种，一是采用信号注入的方法进行测量[5，6]，另外一种方法是采用外接电阻切换测量[4，7～9]。信号注入的方法是指对电动汽车的电池系统注入一定频率的直流电压信号，通过测量反馈的直流信号计算绝缘电阻。这种信号对整个电池系统会产生纹波干扰，影响系统的正常工作。而现有的外接电阻切换的绝缘电阻测量方法检测精度较低，同时因长时间接入测量电阻，所以降低了系统的绝缘性能，增加了电池功耗。为此，根据现有的外接电阻切换测量方法，提出了一种采用光电MOSFET开关、分压电阻及高共模电压差分运放，且成本低、功耗小、性能安全的在线绝缘检测方法。

3 动力锂电池绝缘电阻测量原理

GB/T 18384.1—2001中将动力蓄电池绝缘电阻定义为“如果动力蓄电池与地之间的某一点短路，最大（最坏情况下）的泄漏电流所对应的电阻”。绝缘电阻分为绝缘电阻无限大、绝缘电阻为零、绝缘电阻为某一值等3种情况。GB/T 18384.1—2001中规定动力蓄电池绝缘电阻最小值为100 Ω/V，安全值为 100～500 Ω/V[1]。

实际上，动力蓄电池的正负两端子对底盘的绝缘电阻是有限的，利用图1和图2的电路模型可推导出绝缘电阻计算公式。

通常动力蓄电池Vb（图1）正端对底盘绝缘电阻Ri1与动力蓄电池负端对底盘绝缘电阻Ri2是不相等的，特别是有漏电的情况下。因为Ri1和Ri2串接在电路中，较小的电阻会允许较大的电流流过动力蓄电池另一端与底盘相接的外部电路，因此动力蓄电池的绝缘电阻等于Ri1或Ri2中较小者。采用内阻大于10M的电压表，按图1所示模型测量动力蓄电池正、负端对底盘的电压V1和V2，即为动力蓄电池正、负端对底盘绝缘电阻串联在动力蓄电池Vb中分压后得到的电压。假设电压表的内阻足够大可忽略，此时应有:

测量得到的V1和V2有2种情况:V1≥V2或V1＜V2。

当V1≥V2时，在动力蓄电池的正端与底盘之间插入1个已知阻值的电阻R0（R0为按照国标规定的安全域值100～500 Ω/V计算的标准电阻）,然后测量电阻R0两端电压，得V3值。假设电压表的内阻足够大可忽略，此时应有:

经推导得:

当V1＜V2时，也在动力蓄电池的负端与底盘之间插入电阻R0，然后再次测量电阻R0上的电压，得V4值。

经推导得:

4 在线绝缘电阻检测装置设计

电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法设计方案采用GB/T 18384.1—2001中规定的测量方案。国标中规定的测量步骤为:第1步测量动力锂电池正、负两端对底盘的电压，找到较小的绝缘电阻；第2步是在具有较大绝缘电阻的动力锂电池的一端对底盘并联1个标准电阻R0，并重新测量R0两端电压；第3步是计算绝缘电阻，并判断绝缘电阻是否危及人身安全，以及采取相应的措施。

4.1 在线绝缘电阻检测硬件电路设计

电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测硬件电路设计框图如图3所示。

在线绝缘电阻检测硬件电路设计分为电压分压测量电路和采样计算电路2部分。电阻分压测量电路采用模拟分立电路设计，按GB/T 18384.1—2001的测量要求，控制MCU采样动力电池正、负两端对底盘的电压，及在并联电阻R0的情况下测量动力电池两端对底盘的电压。图3中的K1、K2、K3、K4为高压开关，并采用光电隔离、高阻断电阻低导通电阻的光电继电器AQW224，运算放大器采用高共模电压的差分运算放大器。

高压开关K1与电阻R1、R2、R3串联组成动力锂电池正端对底盘的电压测量电路，R1、R2、R3串联电阻值为10.11 MΩ（《GB/T 18384.1》规定电压表内阻大于10MΩ）。当需要采样时，MCU控制高压开关K1闭合，采用电阻分压后经过高共模电压差分运算放大器将电池正端对底盘的电压采样放大，得到端电压V1。

高压开关K2与电阻R4、R5、R6串联组成动力锂电池负端对底盘的电压测量电路，测量过程同动力电池正端对底盘的电压测量过程，得到端电压为V2。

高压开关K3与电阻R011、R012、R013串联组成动力蓄电池正端对底盘的电压测量电路。图3中R011、R012、R013串联组成电阻 R0，阻值为 30.3 KΩ。当需要采样时，MCU控制高压开关K3闭合，采用电阻分压后经过高共模电压差分运算放大器将电阻R0对底盘的电压采样放大，得到端电压V3。

高压开关K4与电阻R021、R022、R023串联组成动力蓄电池负端对底盘并联标准已知电阻R0的电压测量电路，测量过程同动力蓄电池正端对底盘并联电阻R0的电压测量，得到端电压V4。

在电压分压测量电路反压采样得到电压后，由A/D转换器将模拟电压转换为总线式的数字电压，经过总线隔离器后到 MCU，MCU 按式（5）和式（6）即可计算出绝缘电阻。高压开关部分采用光电隔离控制，A/D采样部分也采用了数字隔离，因此MCU测量电路部分与高压动力蓄电池实现了完全的电气隔离。

4.2 在线绝缘检测软件测量流程

系统软件部分采用C语言开发，主要包括绝缘检测部分和通信部分，绝缘检测部分流程如图4所示。

5 测试结果及误差分析

为测试在线绝缘电阻检测方法的性能，在试验室搭建了模拟试验台，如图5所示。试验中的电池组采用三元材料60 V/2 A锂电池组，底盘采用1块金属板模拟，电池正、负两端对底盘并联精度为5%的可调电位器电阻，调节不同阻值模拟不同情况下的绝缘电阻状况，采用在线绝缘电阻检测装置进行测量，测量结果通过计算机显示。

分3种情况进行试验:电池正端对底盘绝缘电阻为安全值，电池负端对底盘绝缘电阻从大到小逐渐变化，选取数个点测量绝缘电阻值；电池负端对底盘绝缘电阻为安全值，电池正端对底盘绝缘电阻从大到小逐渐变化，选取数个点测量绝缘电阻值；电池正、负端对底盘绝缘电阻都小于安全值，两侧绝缘电阻在安全值附近从大到小逐渐变化，选取数个点测量绝缘电阻值。测量时，系统先断电，采用FLUKE 17B型万用表测量绝缘电阻值并记录，系统上电，采用在线绝缘电阻检测装置进行测量，并记录测量结果。对试验结果计算绝对误差和百分比误差并选取典型值，如表1所列。

表1 绝缘电阻试验室测试结果

从表1可知，采用在线绝缘电阻检测方法对试验设计的3种情况下的绝缘电阻进行测量，均可检测出绝缘电阻的具体数值，测量误差在5%范围内，可满足电动汽车动力蓄电池的绝缘检测要求。但是所得到的绝缘电阻数值均偏低，说明零点选取的不是很准确，还有改进的空间。通过提高AD采样精度可进一步提高所设计的在线绝缘检测方法的测量精度。

6 结束语

设计了一种实用的电动汽车动力蓄电池在线绝缘检测方法，无需电压电流传感器，只需要光电MOSFET开关、分压电阻及高共模电压差分运放，成本低。因采用光电开关，并联电阻在测量时才接入电池正、负两端，所以降低了电池功耗，同时避免了长时间电阻接入造成的绝缘电阻下降带来的漏电危害。实现了测量装置和动力蓄电池的电气隔离，安全性能高。测试结果表明，该在线绝缘检测方法能准确地检测各种情况下蓄电池的绝缘电阻，可满足电动汽车在线实时检测需求。

1 黄勇，陈世全，陈伏虎.电动汽车电气绝缘检测方法的研究.仪表仪器与检测，2005（4）:93～95.

2 赵春明，吴志新，马宁，等.电动汽车高压电系统状态参数在线监测.吉林大学学报（工学版），2007，37（1）:37～42.

3 周雅夫，连静，李启迪.ISG混合动力电动汽车控制策略研究.仪器仪表学报，2009，30（6）:1164～1168.

4 吴振军，王丽芳.电动汽车智能在线绝缘检测装置的研究.低压电器，2007，37（5）:20～22

5 王嘉悦，张维戈，温家鹏，等.电动汽车有源式绝缘监测方法研究.电测与仪表，2011（5）:6～9.

6 郭宏榆，姜久春，温家鹏，等.新型电动汽车绝缘检测方法研究.电子测量与仪器学报，2011（3）:253～257.

7 李景新，樊彦强，姜久春，等.电动汽车绝缘电阻在线检测方法.汽车工程，2006，28（10）:884～887.

8 陈志强，宋凡峰，刘畅.一种新颖的直流系统在线绝缘检测方法.电工电气，2009（6）:40～42.

9 王友仁，崔江，刘新峰.直流系统在线绝缘检测技术研究.仪器仪表学报，2005，26（8）:849～852.