基于非平衡电桥法与电流传感法的电动汽车绝缘检测系统设计

孙洋，张鑫，范兴明

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004)

电动汽车高压电气系统主要由动力电池组、驱动电动机和功率转换器等大功率、高电压电气设备组成，根据车辆行驶的功率需求完成从动力电池组到驱动电动机的能量转换与传输过程［1］。目前电动汽车的动力电池组的工作电压高达几百伏，额定工作电流可达几十安甚至更高。高压电缆绝缘老化或受潮等因素均会引起高压电路与车辆底盘间的绝缘性能下降。电源正、负极引线通过绝缘层与底盘构成漏电流回路，使底盘电位上升，危及乘客的人身安全，并可导致低压电气和车辆控制器无法正常工作［2-3］。

现阶段电动汽车绝缘检测方法主要有平衡电桥法、电流传感法、非平衡电桥法等［4-6］。这些方法主要通过检测母线电流、电压参数判断系统的绝缘性能。平衡电桥法检测母线对地等效绝缘电阻的检测精度较高，但对构建电路的精确度要求较高，在正负极绝缘性能同时降低时无法准确检测;电流传感法在直流系统工作时采用小电流传感器检测直流接地故障［6］，此方法通过采集泄漏电流检测电气的绝缘性，但要求系统处于工作状态下，因此在实际应用中具有一定的局限性;非平衡电桥法利用电路分压原理，通过测量分压电阻的电压，列方程组求绝缘电阻值，然而在车辆工作过程中，电池组两端电压有较大变化，从而影响了计算精度，且在绝缘电阻测量过程中，有较强的信号扰动，因此对计算结果有较大的影响［7-9］。

鉴于此，设计并实现了一种基于非平衡电桥法与电流传感法相结合的电动汽车绝缘检测系统，依据车辆的工作状态选用不同方式检测系统绝缘性能，且无需考虑系统的工作状态、信号干扰等影响，即能合理地分配检测状态。

1 电动汽车绝缘检测判据与方法

1.1 电动汽车绝缘检测判据

等效绝缘电阻和母线泄漏电流是评判电动汽车绝缘状态的主要指标。GB/T 18384.1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”，且规定动力蓄电池绝缘电阻与电池组总电压之比的取值范围为100～500Ω/V［10］。按此标准要求，假设电池组总电压为100 V，可设定系统等效绝缘电阻阈值标准为10 kΩ。综合考虑电阻值、传感器的量程和人体可承受的安全电流，绝缘电阻阈值最坏情况下的泄漏电流IL=10 mA。从通过人体的安全电流大小方面考虑，我国用电安全规定人体直流安全工作电压不高于36 V，直流安全电流不高于30 mA［11］，通过对当前市场上过孔式直流漏电流传感器参数的了解，现有产品的最小测量范围约为10 mA。因此，设定高压母线的泄漏电流的阈值IL=20 mA便可满足安全要求。当泄漏电流超过设定范围时，绝缘检测中央处理单元产生报警信号，并及时通知整车控制器断开高压电气回路。

1.2 电动汽车绝缘检测方法

1.2.1 非平衡电桥法

非平衡电桥法在国内外电动汽车安全检测标准中多次提到，也是当前电动汽车绝缘检测应用最为广泛的检测方法。参照最新电动汽车安全检测标准ECE R100提供的绝缘电阻计算方法，将电动汽车高压电气系统简化为充电能量存储系统、牵引系统和能量转换系统。非平衡电桥法检测原理图如图1所示，视车辆底盘为地，其高压正、负母线对底盘(地)的等效绝缘电阻分别为R+、R－，充电能量存储系统(蓄电池组)两端总电压为Vb［12］。

图1 非平衡电桥法检测原理图Fig.1The detection principle based on unbalance bridge method

由电路原理可知，高压正、负母线与车辆底盘间的电压V1、V2之和与高压系统两端总电压Vb相等，即

在此前提下，ECE R100标准中给定的具体检测步骤为:

1)分别测量高压正母线与车辆底盘间电压V1、负母线与车辆底盘间电压V2及充电能量存储系统两端总电压Vb，并比较V1与V2的大小。

2)若V1≥V2，则在高压正母线与车辆底盘间并入电阻R0，根据ECE R100，R0取值10～50 kΩ，重新测量高压正母线与车辆底盘间电压V1′、负母线与车辆底盘间电压V2′。由电路原理列方程组，经推导可得绝缘电阻Ri，

3)若V1＜V2，则在高压负母线与车辆底盘间并入电阻R0，重新测量高压正母线与车辆底盘间电压V1′、负母线与车辆底盘间电压V2′。由电路原理列方程组，经推导可得绝缘电阻Ri，

由于并入电阻R0已知，通过电压采集电路测量并计算绝缘电阻所需的各部分电压值，由式(1)～(3)可求得高压电气系统的等效绝缘电阻。将得到的绝缘电阻值与安全阈值比较，若绝缘电阻未在10～50 kΩ范围内，则判定系统出现绝缘故障，并立即报警，以提醒采取相应的维修措施。

1.2.2 电流传感法

电流传感法在高压直流电气系统中同样应用广泛，其原理主要是通过霍尔电流传感器检测直流母线的泄漏电流，进而判断整个系统的绝缘状况。电流传感法漏电流检测原理图如图2所示。

图2 电流传感法漏电流检测原理图Fig.2 The leakage detection principle based on current sensing method

当回路绝缘状态良好时，穿过传感器的直流电流大小相等，方向相反，即I++I-=0，此时传感器中的合成直流磁场为零，其输出也为零;当回路绝缘状态下降到一定范围或出现接地故障时，I++I-≠0，该回路中出现合成直流电流，对应该回路的传感器中合成直流磁场不为零，其输出也不为零［13］。通过采集传感器输出的泄漏电流IL，经精密电阻RL转换为输出的电压信号VL，根据传感器的输入输出特性，可得实际回路中的泄漏电流，从而判断系统的绝缘性能。

2 绝缘检测系统及功能

基于非平衡电桥法与电流传感法的电动汽车绝缘检测系统原理图如图3所示。其中，以蓄电池组、逆变器、电动机等组成的高压电气回路为测试主体。测试系统主要包括电压采集单元、电流采集单元、报警显示和绝缘检测中央处理单元。

图3 绝缘检测系统原理图Fig.3 The shematic diagram of insulation detection system

2.1 电压、电流采集

电压采集单元主要由分压电阻、可控开关及电压传感器构成。依据非平衡电桥法，电压采集单元用于采集实时的电压信号，从而可计算回路的等效绝缘电阻。电压采集单元的主要功能是采集高压开关动作前后为计算绝缘电阻所需的电压值。在可控开关K1、K2均断开时，电压传感器分别采集蓄电池组的电压Vb和正、负母线与车体间电压V1、V2。比较V1、V2的值，根据结果闭合相应的高压开关，再次采集正、负母线与车体间电压V1′、V2′。将2次采集的电压信号实时传给中央处理单元，中央处理单元通过电压信号和绝缘电阻计算公式(2)或(3)计算回路的等效绝缘电阻。

电流采集单元包括霍尔电流传感器A、B、C。其中:A为直流漏电流传感器，量程选取20 mA，用于采集正负母线泄漏电流的大小和方向;B、C为过孔式霍尔电流传感器，用于采集正、负母线的电流值。电压、电流采集单元采集的电压、电流信号均传输至绝缘检测中央处理单元，用于进一步分析整车高压电气系统的绝缘状态。绝缘检测中央处理单元的输出端连接故障报警单元，实时显示和报警绝缘状态。

2.2 检测信号处理

电动汽车绝缘检测信号处理与实现的结构框图如图4所示。信号采集与处理的核心部件为基于Freescal公司的8位低功耗芯片MC9S08QE128。电压、电流信号采集电路采集的电压、电流信号经信号调理单元进入主控制器，主控制器通过CAN通信接口与电动汽车上的整车控制器交换数据，获得电动机的工作状态，并根据电动机的不同状态处理相应的电压或电流信号。主控制器根据测量需要，通过继电器驱动电路实时控制继电器K1、K2的开关状态。主控制器输出端连接故障报警显示单元，当发生故障时，可及时报警并实时显示故障信息。故障信息通过CAN总线接口传输至整车控制器，整车控制器依据故障危害的严重性，选择性地断开高压系统主回路，以保障整车电气系统的安全。

2.3 绝缘检测软件

图4 绝缘检测信号处理与实现的框图Fig.4 The block diagram of insulation detection signal processing and implementation

绝缘检测系统的软件部分用C语言编程，其编程环境为Metrowerks公司的CodeWarrior集成开发环境(integrated development environment，简称IDE)。绝缘检测软件采用模块化设计，主要包括单片机初始化模块、绝缘检测模块和通信模块。绝缘检测软件流程图如图5所示。

图5 绝缘检测软件流程图Fig.5 The flow chart of insulation detection

依据电动机工作与否，绝缘检测软件的实现主要包括绝缘电阻的计算与比较、泄漏电流的测量与比较2部分。其中，绝缘电阻的计算是在电动机未工作的状态下，通过控制继电器的开、关状态，用传感器采集正、负母线与蓄电池组在不同状态下的电压信号，根据式(2)、(3)计算等效绝缘电阻，比较此绝缘电阻值与设定阈值的大小判断是否发生绝缘故障。

在电动机工作状态下，首先通过泄漏电流传感器监测正、负母线的泄漏电流的大小和方向，判断系统是否有泄漏电流。当出现泄漏电流时，运用霍尔电流传感器分别测量正、负母线的电流，并比较其大小，确定绝缘故障的严重性。

绝缘检测系统的硬件电路板测试实物图如图6所示。通过电流源模拟传感器输入电流值，得到了准确的泄漏电流及绝缘电阻，从而验证了检测系统的有效性和实用性。

图6 硬件电路板测试实物图Fig.6 The hardware circuit test

3 结束语

针对电动汽车电气系统的绝缘问题，设计的基于非平衡电桥法与电流传感法相结合的电动汽车智能绝缘检测系统具有如下特点:

1)克服了绝缘检测采用单一方法的不足，充分发挥了非平衡电桥法和电流传感法各自的检测优势，一定程度上提高了检测效率和可靠性。

2)检测系统的电压、电流采集单元均选用电流输出型传感器，与常见的运用分压电阻和集成运算放大器采集电压的方式相比，电路结构简单，抗干扰能力强。

3)此绝缘检测系统不仅适用于电动汽车绝缘检测，在发电厂、变电站、机车等其他直流系统中也具有良好的通用性。

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