电动汽车绝缘电阻检测方法研究

2018-10-30张志雄李小鹏

天津职业技术师范大学学报 2018年3期

张志雄，李小鹏

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

电动汽车电气系统分为高压电气系统和低压电气系统。高压电气系统的“高压”与电力系统的“高压”有所不同。国家标准规定电动汽车高压系统是指带有B级电压的电路部分，B级电压是指电路组件或电路的工作电压交流>30 V且≤1 000 V，直流>60 V且≤1 500 V的电压分类[1-2]。从国家标准规定中可以看出电动汽车高压电气系统的工作电压高于人体的安全电压范围，一旦发生触电事故，将严重危害驾乘人员的人身安全。在电动汽车高压安全预警方面，出于对触电事故的预防以及汽车安全性的考虑，对电动汽车绝缘检测研究具有重大意义。

国内外关于绝缘检测的方法很多，包括外接电阻法、直流漏电电流监测法、平衡电桥法、直流高压注入法和低频信号注入法等，这些绝缘检测方法均有各自的优缺点[3-6]，如外接电阻法是在电路中外接偏置电阻，该方法比较简单，但会降低系统的绝缘效果；直接漏电电流法通过检测漏电电流来判断系统绝缘情况，该检测方法很大程度上依赖于传感器精度；有的方法能够实现绝缘电阻实时检测，但无法实现动力电池开路检测；有的检测模型能够实现开路检测，但在不开路状态下的绝缘检测相当于加入了外接电阻，会降低系统的绝缘效果。综合上述检测方法的优缺点，本文提出一种在现有检测模型基础上设计的新的检测模型，该模型能很好地解决上述问题。

1 电动汽车绝缘电阻检测方法

1.1 绝缘电阻报警判断依据

绝缘电阻常用来表征材料绝缘性能的好坏，电动汽车标准中规定：在直流电路中正端对电底盘的绝缘电阻、负端对电底盘的绝缘电阻都必须大于100 Ω/V，交流电路中正端对电底盘的绝缘电阻、负端对电底盘的绝缘电阻都必须大于 500 Ω/V[2]，从 100 Ω/V和500 Ω/V这2个数值的设定可以看出，100 Ω/V对应的电流是10 mA，500 Ω/V对应的电流是2 mA，10 mA和2 mA的数值均小于人体的摆脱阀[7]，即当绝缘电阻必须大于规定值，人体才能处于安全环境中，这也成为判断整个高压系统绝缘好坏的一个依据，当系统监测到绝缘电阻低于设定阈值时，自动切断高压电路。

1.2 检测原理

电动汽车绝缘状况的优劣是通过动力电池正负母线对地的绝缘电阻来判断，因此绝缘电阻的检测原理主要是测出绝缘电阻值，但是在电动汽车上绝缘电阻值又无法直接测量，所以只能通过其他方法间接测出绝缘电阻值，以此来判断电动汽车绝缘状况。绝缘电阻检测模型如图1所示。

图1 绝缘电阻检测模型

图1中，虚线框为绝缘电阻检测电路；US为低频低压的交流信号源，用来进行绝缘电阻的实时检测；C1为隔离电容，R7为测量电阻，RL为负载。单片机通过PWM信号控制变压器输出，使之产生高电压来进行动力电池开路状态下的绝缘电阻检测，其中R1、R2、R4、R6为采样电阻，Rn、Rp为直流电源正负极母线对地绝缘电阻。另外，单片机通过控制继电器S1、S2、S3的闭合与断开，实现各个不同状况下的绝缘电阻检测。下面从3种情况分析绝缘电阻检测模型：判断系统是否发生绝缘故障；系统绝缘故障，但动力电池未开路状态下的绝缘电阻检测；动力电池开路状态下的绝缘电阻检测。

1.2.1 判断是否绝缘

闭合开关S1，使开关S2、S3处于断开状态，在线路中接入低频交流信号源US，由电路知识可知，交流电源加入直流电路中，如果直流电源内阻很小，可视为短路；内阻很大，可视为开路。一般动力电池的内阻为毫欧级别，故可视为短路，则有下式成立：

式中：Z为整个电路的阻抗；|Z|为阻抗模。因为R7的电压U7为实际所测，即为已知，故由式（1）和式（2）可得：

因为Rpn为Rn与Rp的并联电阻值，所以小于它们其中的任何一个，如果Rpn小于设定阈值，则判断为绝缘故障；否则，绝缘良好。

1.2.2 系统绝缘故障，电池未开路

（i）断开 S1，闭合 S2、S3，则 PWM 信号电路不工作采集R1、R2的电压U1、U2，则动力电池电压为U0且假设在整个过程中保持不变，则

（ii）断开 S1、S3，闭合 S2，采集 R1的电压 U11，则

（iii）断开 S1、S2，闭合 S3，采集 R2的电压 U22，则

联立式（5）、（6）和（7）即可解得 Rn与 Rp为：

1.2.3 动力电池开路状态下的绝缘电阻检测

断开 S1、S3，闭合 S2，正端注入 PWM1信号，R1、R4的采样电压分别为 U1、U4，则

解式（10）得：

同理可得：

式中：U2和U6为开关S1和S2断开、S3闭合、负端注入PWM2信号状态下R2和R6的采样电压。

1.3 误差分析

由式（4）可知，因Rpn由定值电阻R7及R7所测的电压值经公式计算而得，可知Rpn精度值与采样电压及定值电阻的精度有关。假设ωC保持不变，定值电阻R7保持不变，R7的采样电压为 U7，其相对误差为 γU7，注入的低频电压为US，其相对误差为γUS，Rpn的相对误差为γRpn，根据误差理论及Rpn的计算公式可知，US、U7、Rpn可表示为：

根据式（4）、（12）和（13）可得：

由式（9）和（10）可知，Rn与 Rp的值与采样电阻自身的阻值以及采样电压有关，假设ωC电阻R1、R2、R4、R6的采样电压分别为 U1、U2、U4、U6，其相对误差分别为 γU1、γU2、γU4、γU6，标称电阻 R1、R2、R4、R6的相对误差为 γR1、γR2、γR4、γR6，根据误差理论及 Rn和 Rp的计算公式，设其相对误差分别为 γRn、γRp，则

分析可知，系统Rpn的相对误差与标称电阻R7的采样电压和注入低频电压US有关，当二者的相对误差值越小时，系统Rpn的相对误差也越小。由式（13）和（14）可知，Rn与Rp的相对误差与标称电阻阻值的相对误差和采样电压的相对误差有关，当采样电阻R1或R2阻值与标称阻值的误差为0时，要使Rn或Rp的相对误差最小，则其他标称电阻阻值的相对误差和采样电压的相对误差需满足一定的关系。

2 绝缘电阻检测装置设计

2.1 系统设计

绝缘电阻检测系统主要完成电动汽车绝缘状况报警、绝缘电阻测量、通讯、切断动力电池高压输出等功能，其硬件原理如图2所示。

图2 绝缘检测硬件原理

由图2可见，系统主要包括电压采样模块、电压转换模块、报警模块、继电器控制模块和通信模块。电压采样模块主要完成采样电阻的电压采集；电压转换模块主要完成电压的转换，为整个系统提供电源；报警模块主要完成整个系统的检测，当系统出现绝缘故障时，及时报警，并发送信号给BMS；继电器控制模块主要负责整个系统的继电器工作；通信模块主要实现整个系统的内部通信和外部通信。

2.2 继电器控制电路

继电器控制电路如图3所示。单片机发出控制信号控制继电器的工作。当单片机发出的输入信号为高电平时，光电耦合器不导通，继电器不工作；当输入信号为低电平时，光耦合器导通，三极管基极有电流通过，三极管导通，此时继电器电路接地，继电器工作。由于当电流流过继电器时，继电器的线圈产生自感阻碍，电流增大，影响继电器闭合时间，为消除这种影响，利用电容的电流可发生突变的原理，在电路中串联电容，这样可以使继电器快速工作，当电流稳定后，继电器电流从电阻R31流向继电器线圈，电阻R31起限流作用。

2.3 控制策略

具体控制流程如图4所示。控制流程分为3部分：第1部分为系统对电动汽车绝缘状况进行实时检测，动力电池对外输出电压；第2部分为系统检测出动力电池发生绝缘故障（动力电池对外输出电压），并计算动力电池正负极母线对电底盘绝缘电阻值；第3部分为动力电池不对外输出电压（开路状态），系统计算出动力电池正负极母线对电底盘绝缘电阻值。

第1部分控制流程为闭合开关S2、S3，检测电阻R1、R2的电压，判断动力电池电压U0是否为0，如果动力电池电压不为0，则使开关S2、S3处于断开状态，使S1处于闭合状态，然后注入低频交流信号US，计算出Rn与Rp的并联电阻Rpn，如果Rpn大于设定阈值，则判定系统绝缘良好。

图3 继电器控制电路

图4 具体控制流程

第2部分控制流程在第1部分控制流程检测出系统绝缘故障后进行。当检测出系统绝缘故障后，断开负载并使隔离变压器不工作，使继电器S1、S3断开，S2闭合，采集采样电阻R1的电压。R1电压采集完成后，使继电器S1、S2断开，S3闭合，采集采样电阻R2的电压，控制器根据采集的采样电压计算动力电池正负极母线对电底盘绝缘电阻Rp和Rn的值。

第3部分控制流程在动力电池电压U0为0（动力电池开路）下进行，使开关S1、S3处于断开状态，使S2处于闭合状态，正端注入PWM信号，采集采样电阻R1、R4的采样电压，然后使开关S1、S2处于断开状态，开关S3处于闭合状态，负端注入PWM信号，采集采样电阻R2、R6的采样电压，则根据采样电压计算出绝缘电阻Rn与Rp的值。

2.4 试验验证

本试验采用程控电源模拟直流母线电压，并将电压设定在310 V左右，考虑到电动汽车工作中存在交、直流电路，其组合电路绝缘电阻值应至少大于500 Ω，故将系统绝缘电阻阈值设定为155 kΩ，并选用100～400 kΩ的电阻并入系统中，以此来模拟系统的绝缘电阻，并手动控制电源电压的输出来模拟动力电池开路故障。不同状态下测得的数据及对比结果如表1所示。