一种基于低频脉冲信号响应的绝缘电阻检测方法

丁更新

（安徽江淮汽车股份有限公司新能源汽车院电控技术部，合肥 230000）

一种基于低频脉冲信号响应的绝缘电阻检测方法

丁更新

（安徽江淮汽车股份有限公司新能源汽车院电控技术部，合肥 230000）

电动汽车是未来汽车技术发展的重要方向，电动汽车中，高压系统与低压系统间的绝缘电阻关系到电动汽车的使用安全，本文提供了一种基于低频脉冲注入法的绝缘电阻检测方案，相比于已有的绝缘电阻检测方案，低频脉冲注入法具有较高检测精度，同时可避免绝缘电阻检测电路本身降低了电动汽车绝缘电阻的问题。

电动汽车；绝缘电阻；低频脉冲注入法

丁更新

毕业于合肥工业大学机械制造及其自动化专业，硕士学历，现任安徽江淮汽车股份有限公司技术中心新能源汽车研究院电控技术部工程师，主要研究方向为整车控制系统、电池管理系统软硬件开发。

1 引 言

电动汽车的绝缘电阻指标影响了电动汽车本身的使用安全，已有的绝缘检测方式是通过桥式分压电路方案实现了对车身对电池包高压部分的绝缘电阻检测，现有的技术下，绝缘电阻检测电路本身就降低了车身和电池包高压部件间的绝缘电阻。

如图1所示为桥式分压方案的绝缘电阻检测电路，其中模块1为整车地，2为继电器控制模块，3为动力电池高压部分，4为基准电源模块，5为桥式分压电路，6为ADC检测单元。

图1 中，靠近电池包负极一侧形成一个基准电源VREF，通过对VREF分压形成一个2.5 V的基准，该基准经过了运算放大器U1后进入两个分压桥臂，两个桥臂分别由RB3和RB5串联、RB4和RB6串联,将两个之路并联，这里需要设定条件：RB3/RB5≠RB4/RB6。两部分在并联构成，随即通过继电器KB1连接到整车地，当整车地和电池包之间存在绝缘电阻R，那么由此就形成了检测回路，当绝缘电阻越大时，2.5 V基准电源通过分压桥臂后回路的电流越小，从而在AN1和AN2之间电压差值越小，并且越靠近2.5 V，若绝缘电阻越小，AN1和AN2之间电压差值越大，根据该特征，判别当前绝缘电阻阻值。

2 低频脉冲注入法电路硬件

如图2所示为低频脉冲注入法的绝缘电阻检测电路[1]，包括缓冲器，用于接收低频数字量脉冲信号，并满量程地输出幅值为基准电压的模拟量脉冲信号，电路的一端与电池组一侧连接的连接端，另一端作为检测端经匹配电阻与缓冲器的输出端电连接，以在检测端形成具有交流特征的检测信号。

表1为低频脉冲注入法电路中各模块定义：

电压跟随器输入端与所述检测端电连接，其输出端输出电压反馈信号。使主单片机可以根据反馈信号输出端提供的电压反馈信号准确地计算出绝缘电阻的阻值，具有结构简单且精度较高的优点[2]。

3 低频脉冲注入法工作原理分析

本文中涉及的硬件电路中有一电容CC1跨接在了高压侧和低压侧，绝缘电阻跨接在整车高压侧和低压侧之间[3]。

如图3所示为低频脉冲注入法电路实际应用说明。其中R为挂接在整车高压侧和低压侧之间的绝缘电阻。

低频脉冲注入法是采用了交变信号对绝缘电阻的采集功能，这里将电池包电源看做直流电源，直流信号相对于交变信号都等效于地，因此低频脉冲注入法对电池包负极的检测和对电池包正极的检测是等效的[4]。

以下将说明缘电阻检测电路的检测原理：

工作过程1：当主单片机的输出管脚输出高电平时，缓冲器UC2即可满量程输出基准电压，并具有一定驱动能力[5]，在输出管脚向缓冲器UC1提供数字量脉冲信号的传输线路中，增加一个驱动电阻RC1。

在绝缘电阻R的阻值较大时，则主单片机的输出管脚输出高电平时，由检测电容CC1与绝缘电阻R串联构成的综合阻抗上将获得一相对较高的分压，即电压反馈信号的电压值较高，主单片机的AD采集管脚通过读取该电压反馈信号的电压值即可反向计算出当前的绝缘电阻R的阻值[6]。

在绝缘电阻R的阻值较小，则主单片机的输出管脚输出高电平时，由检测电容CC1与绝缘电阻R串联构成的综合阻抗上将获得一相对较小的分压。主单片机的AD采样管脚通过读取该电压反馈信号的电压值即可反向计算出当前的绝缘电阻R的阻值。绝缘电阻R的阻值越大，反馈信号输出端OUT输出的电压反馈信号的电压值越大；反之，反馈信号输出端OUT输出的电压反馈信号的电压值越小。

工作过程2：当主单片机的输出管脚输出低电平时，在检测电容CC1两极间存储的电荷将通过放电回路放电，从而使电压反馈信号电压减小。

绝缘电阻检测电路采用低频脉冲注入法是根据在一个周期内反馈信号的幅值特征即可判定当前电池组侧与整车地间的绝缘电阻R的阻值[7]。

在本方案中，反馈信号的波峰和波谷之间的差值即表征了绝缘电阻阻值大小，因此本方案是通过对反馈波形的波峰波谷间差值来实现对绝缘电阻阻值的标定，实际检测过程中，通过查找一个（波峰-波谷）的AD值与实际绝缘阻之间的MAP图，实现对当前绝缘电阻阻值的检测操作。按照汽车行业涉及标准，汽车绝缘电阻阻值标准不应小于500 Ω/V。

4 测试结果分析

如图4所示分别为绝缘电阻状态较差和绝缘状态较好两种状态下的检测波形比较：

假设电池包电压平台为350 V，那么在500 Ω /V条件下，对应的绝缘阻值应为350 V*500 Ω /V=175 kΩ。此时表征这整车的绝缘状态为安全极限。由此可见，绝缘电阻不良好与绝缘电阻良好的状态下，二者反馈波形存在幅值差别。

影响波峰-波谷差值的因素主要电容CC1以及车身与电池高压部分的寄生电容影响，一般的CC1电容越大，图4中反馈的波峰-波谷的差值越小，寄生电容过大也会使波峰-波谷的差值越小，但会使波峰尖锐程度越缓。

绝缘电阻阻值最终是通过软件实现，软件处理维数组实现，其中二维数组中包含了计算了波形（波峰-波峰）对应的AD值，也包含了对应的标定的绝缘电阻阻值，不在数组中的AD值[8]，则通过线性插值的算法实现对绝缘电阻的查找计算。经过实际测试，得到了二维数组值如下所示：

5 结论

与传统绝缘电阻检测方案桥式分压电路方式相比，低频脉冲注入法克服了绝缘电阻检测电路本身降低电动汽车绝缘电阻的问题。是一种有源的绝缘电阻检测方案，无需电池高压部分有高压输出，就可实现高低压侧间绝缘电阻计算。本方案最终是通过检测反馈信号的变化幅值来判定当前的绝缘电阻阻值，是一种较为理想的绝缘电阻检测方案。

[1] 李跃华,杨小健.用C51开发单片机系统的应用程序[J].微处理机. 1998(03).

[2] 马春排,张源斌.绝缘电阻数字化测量的研究[J].中国仪器仪表. 2002(01).

[3] 欧阳润泽.湿度对绝缘电阻的影响及解决方式[J].电气时代. 2001(12)[6] 傅元,鞠跃.绝缘电阻测试仪的高压电源设计[J].电子元器件应用. 2009(05).

[5] 郭鸣.浅谈绝缘电阻测试[J]. 电动工具. 2006(01).

[6] 周理.绝缘电阻的测量——吸收比试验[J]. 上海第二工业大学学报. 2004(02).

[7] 周锋,孟晓风,徐志坚. 便携式绝缘测试仪表检定装置[J]. 航空计测技术. 2004(03).

[8] 王胜恩,张根道,姚昆明,杨文荣,杨钊. 绝缘电阻的测量[J]. 河北工业大学成人教育学院学报. 2001(02).

专家推荐

何华强：

文中所论述的绝缘电阻的检测方法，对提高电动车辆的安全性有较高的实用价值，文中较详细地对比了与传统绝缘电阻的检测方法，体现了改方法的重新性，最后给出了较详细的测试数据和结果，具有较好的参考价值。。

An Insulation Resistance Detection Method Based On Low Frequency Impulse Response

DING Geng-xin
( Jiang Huai Automobile Corp, Anhui, Hefei 230000, China )

Electric vehicle is an important direction of the development of the automobile technology in the future. The insulation resistance between high voltage and low voltage in electric vehicles relate to safe function. This paper provides a method of insulation resistance detection based on low frequency pulse injection method.Compared with the existing insulation resistance detection scheme, the low frequency pulse injection method has high detection accuracy, and can avoid the problem of the insulation resistance detection circuit itself.

Electric vehicles; insulation resistance; Low frequency pulse injection

TU856

A

1005-2550（2015）06-0052-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.010

2015-08-31