电动汽车绝缘电阻在线监测方法的研究

吴成加

电动汽车绝缘电阻在线监测方法的研究

吴成加

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

设计一种电流信号注入方式的电动汽车新型绝缘检测装置，通过在高压系统和车辆底盘之间注入一个电流信号，在高压系统、车辆底盘、漏电电阻、采样电阻和电流源之间形成一个测量回路，检测测量回路中取样电阻上产生的电压信号，并进行运算得到绝缘电阻阻值。实际测试表明，系统工作可靠，测量精度高，可有效在线实时监测车辆的绝缘性能，保障行车安全。

电动汽车；在线监测；绝缘电阻；电流注入

电动汽车集机械装置、动力电池、电力配电传输、变频器、驱动电机、辅助动力系统等为一体，是一个复杂的机电一体化移动综合体。电动汽车高压系统中的输配电、电机驱动、能量转换等都会涉及到绝缘问题。直流高压系统的电缆绝缘介质老化或受潮湿环境等因素影响都会导致高压电气系统和车辆底盘之间的绝缘性能下降，电源正极或负极引线将通过绝缘层和底盘之间构成漏电回路，使车辆底盘电位上升，影响高压电气和电机控制器的正常工作，危及驾乘人员的人身安全。当车辆高压电路和底盘之间出现多点绝缘性能下降时，会产生热量积聚效应，严重时会引起电气火灾。因此，准确、实时地检测高压电气系统对车辆底盘的绝缘性能，对保证乘客人身安全、电气设备正常工作和车辆安全运行具有重要意义［1］。

1　绝缘电阻检测原理

对电动汽车绝缘电阻的检测，国内外汽车行业都进行了一些研究［2-7］。这些研究的方法大多数是采用电阻法、母线端电压法或对称电压测量法进行检测，在直流母线正负极和车辆底盘之间接入电阻，通过电子开关或高压继电器接通电阻和车辆底盘，然后测量这些电阻上的电压或电流，再计算得到绝缘电阻的大小。这些方法或多或少都有一些缺陷，如工作不可靠，不能响应动力电池内部对地短路故障、不能测量正负对称故障、无法精确测量正负母线双端对称接地时的绝缘电阻，系统泄漏电容增大时测量参数偏差大等问题。本文采用一种新的检测原理，通过向高压回路注入一个可变电流信号，通过检测接收回路上的电流变化值来检测系统当前的绝缘电阻值，可彻底解决电池内部对地短接或正负对称接地时无法测量的问题；且不受系统泄漏电容的影响，同时无需改变检测电路中硬件参数值就可在全电压（DC0～800 V）范围内检测系统的绝缘电阻。

车辆绝缘状况的好坏由直流高压正负极对车辆底盘的电阻值来确定。电动汽车标准（GB-T18384.1-2001）中规定，在动力蓄电池的整个寿命期内，根据标准计算方法得到的绝缘电阻值除以动力蓄电池的标称电压U，所得值应大于100 Ω/V，才符合安全需要［8］。

检测电路原理如图1所示，检测回路由动力电池系统、高压正负极回路串联电阻Ri、信号源、测量电阻Rm、汽车底盘、回路漏电电阻Rf组成。信号源是一个电流源信号，它通过高压正负极回路串联电阻Ri向动力电池系统注入一个低频的电流信号。该信号通过高压正负极回路串联电阻Ri、动力电池组、回路漏电电阻Rf、车辆底盘、测量电阻Rm形成一个信号回路［9］。在电流信号注入时，采样电阻上的电流为

在图1的测量回路中，信号源的注入电压分别加载到回路的各个电阻上，其总电压为分回路电压之和。

由于测量回路的电阻Ri及Rm是已知的，由此可以计算出URi及URm，则回路漏电电阻上所加的电压值URf值

由（1）、（3）式可得到最终的漏电电阻值

微处理器通过对注入信号的改变及Rm上电压信号变化，进行运算、分析，最终计算出本系统的漏电电阻。在直流高压系统单端对地漏电或正负对称漏电时，由于回路的串并联电阻发生变化，通过对注入信号的极性判断及采样点的电压变化值与参考电压的变化差，判断其故障点所在。

2　系统设计及应用

2.1系统设计

根据图1所述检测原理，研制了电动汽车电气绝缘检测系统，电路原理框图如图2所示。整个电路主要由信号注入回路和信号采样回路、多阶低通滤波器及数据采集处理单元组成。处理器采用飞思卡尔公司的16位高性能微控制器S9S12G128MAL，它是经过优化的面向汽车行业的低成本、低功耗、高性能、低引脚数的16位微控制器产品，适合于CAN通信的通用汽车电子应用，具有良好的EMC性能和代码效率等优势。在信号注入回路中，由处理器产生一个超低频的信号，用来改变检测电路的当前状态，低频信号通过放大器产生一个电流注入信号，注入到高压系统回路中。如果直流高压系统与车辆底盘之间有漏电现象，此电流信号经漏电电阻、车辆底盘、检测电路形成一个电流回路。在信号接收端，采样电阻上得到相应的输出变化电压，此电压经过多阶低通滤波器，滤除高压系统中在工作时产生的干扰信号，最终得到一个随注入信号变化的检测值。送入到处理器的AD采样单元，微处理器通过内部运算，得到当前的绝缘电阻值。当检测值低于安全值时，系统会输出一个报警信号，经报警电路进行输出；同时通过CAN通讯接口将检测值及报警信息实时传递给车辆CAN网络上的其它ECU控制节点，实现信息共享［10-11］。

图3为主控处理器的信号采样及报警处理部分软件流程图。由于注入电流信号频率较低，以及在硬件上做了多阶低通滤波设计，同时在软件上也进行多次采样平滑滤波，信号的完整性得到了保证。

2.2测试结果与误差分析

首先在试验室对不同的绝缘状况进行检测，通过接入不同的正负极电阻，可模拟不同绝缘状况对不同的母线电压进行测试［12］。表1为560 V直流母线电压下正负极对地漏电电阻接入时的测试结果。

表1　高压正极/负极对地漏电电阻测试值

上表中测量值是在正负极分别接入并接电阻时得到的。由上表可见，当接入电阻越大时，误差值越大；当接入电阻小到一定值后，接入电阻越来越小时，误差值也会越来越大。电动客车直流高压系统的总电源电压为600 V左右，根据电动汽车安全标准要求，它的绝缘电阻安全值应大于60 kΩ，将其报警值设定为80 kΩ时，为一级故障报警，表明系统存在绝缘问题；当漏电电阻值大于80 kΩ且小于500 kΩ时，为二级故障报警，表明系统有轻微漏电现象。经上表测试结果，当漏电电阻为50 kΩ～100 kΩ时，得到的绝缘电阻值误差范围在1.5%～2.5%之间，直流高压系统正常情况下，其绝缘电阻值为5 000 kΩ左右，此时，接入5 000 kΩ模拟漏电电阻时，其检测值误差范围在3.0%～3.5%之间，符合电动汽车安全需要。

本方案的显著特点是，直流高压系统与汽车底盘之间没有直接电气连接，保证了系统的安全可靠。由于向高压系统注入的是低频电流信号，对系统干扰小，在测量时，不受直流高压系统的电压变化影响，在直流高压系统的工作电压从0～800 V之间，均可进行精确测量。由于高压系统和地之间存在泄漏电容，可由软件自动调整信号注入参数，自动适应系统的变化，使系统检测时不受系统漏电容的影响，做到精确测量。

3　结束语

本文研究并试制了一种新型的电动汽车绝缘检测电路，通过在高压系统和车辆底盘之间注入一个电流信号并形成一个测量回路。通过检测测量回路中采样信号并进行运算，得到绝缘电阻值。并在安凯汽车股份公司自主研发的各类纯电动、混合动力客车上实际装车应用800余套。经过长期运行，结果表明，该电路能较准确地检测各种绝缘状况，满足电动汽车实时监测的需要。

［1］李顶根，陈军，黄荣化，等.纯电动汽车电气与安全监测系统［J］.汽车科技，2007，（5）

［2］姜久春，吴智强，邱瑞昌，等.电动汽车绝缘电阻在线监测系统的研究［J］.制造业自动化，2005，27（5）

［3］郭宏榆，姜久春，温家鹏，等.新型电动汽车绝缘检测方法研究［J］.电子测量与仪器学报，2011，25（3）：253-256.

［4］吴振军，王丽芳.电动汽车智能在线绝缘检测装置研究［J］.低压电器，2009，（5）：20-22.

［5］黎林，姜久春.电动汽车电池组绝缘检测方法的研究［J］.电子测量技术2009，32（2）：76-78.

［6］黄勇，陈全世，陈伏虎.电动汽车电气绝缘检测方法的研究［J］.现代制造工程2005，（4）：93-95.

［7］吴平安，张少海，易志明.直流系统漏电检测方法的比较［J］.华北电力技术，2003，（2）

［8］GB 18384.1-2001，电动汽车安全要求第1部分车载储能装置［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［9］周晨，胡社教，沙伟，等.电动汽车绝缘电阻有源检测系统［J］.电子测量与仪器学报，2013，（5）

［10］姜久春，吴智强，邱瑞昌，等.电动汽车绝缘电阻在线监测系统的研究［J］.制造业自动化，2005，（5）

［11］李景新，樊彦强，姜久春，等.电动汽车绝缘电阻在线监测方法［J］.汽车工程，2006，28（10）

［12］刘广敏，乔昕，张晓鹏.电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法研究［J］.汽车技术，2013，（11）

修改稿日期：2014-12-07

Research on Method of Electric Vehicle Insulation Resistance on-line Monitoring

Wu Chengjia
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

The author designs a new insulation testing device of electric vehicles with the current signal injection method.Through a current signal injection between the high-voltage systems and the vehicle chassis，it will form a measuring circuit among the high-voltage systems，vehicle chassis，leakage resistance，sampling resistance and the current source.Bydetectingthe voltage signal generated bythe samplingresistance in the measuringcircuit，the author gets the insulation resistance value through mathematical operation.The practical tests showthat the system is reliable work，high accuracy，the insulation performance of the vehicle can be monitored efficiently，on-line and real-time toensure traffic safety.

electric vehicle；on-line monitoring；insulation resistance；current injection

U469.72；U463.6

B

1006-3331（2015）01-0026-03

国家科技支撑计划课题；湖南省科学技术厅基金资助项目（2014BAG06B02）

吴成加（1971-），男，工程师；研究方向：新能源汽车电驱动及控制系统核心零部件关键技术研究。