便携式车辆动力电池绝缘监测仪的设计研究

毛明珠 陈振斌 赖佳琴 卞文博 胡皓文

摘 要：动力电池作为电动汽车行驶安全的关键部分，为了能够监测动力电池实时绝缘状态，本文设计了一种便携式绝缘监测仪，搭建了绝缘监测系统理论模型，利用Simulink仿真模拟验证其有效性。对绝缘监测仪进行了软硬件设计，通过台架实验分析测试数据得出，绝缘监测仪检测误差在5%以内，具有较高的检测精度。该监测仪可实时监测动力电池绝缘阻值，根据阈值判断动力电池绝缘故障，能够及时切断电池输出并声光报警，满足应用要求。

关键词：电动汽车;动力电池;绝缘监测;绝缘故障

Abstract： As a key part of driving safety of electric vehicle， in order to monitor the real-time insulation state of power battery， a portable insulation monitor is designed in this paper. The theoretical model of insulation monitoring system is built， and its effectiveness is verified by Simulink simulation. The hardware and software of the insulation monitor are designed. Through the experimental analysis of the test data， it is concluded that the detection error of the insulation monitor is less than 5%， and there is a high detection accuracy. The monitor can monitor the insulation resistance of power battery in real time， judging the insulation fault of power battery according to the threshold， meanwhile， cutting off the battery output and alarming driver in time，to meet the application requirements.

1 引言

电动汽车由于其高效、绿色环保的优势，成为了未来汽车行业的发展趋势[1]。

作为电动汽车的核心部件之一，动力电池很大程度上决定了汽车运行的动力性和安全可靠性。动力电池通常由多个单体电池“串并联”构成[2-4]，工作时直流电压普遍高于300 V，加之电动汽车使用环境复杂，动力电池绝缘性能变化剧烈，容易受到温度[5-6]、湿度[7]、振动、电池液体腐蚀等影响。一旦高压系统的绝缘性能下降，若不能及时检测并处理，很可能会造成安全事故和人员伤亡。据统计结果显示，2018年以来中国电动汽车共发生起火事故已超过50起[8]。电动汽车自燃自爆事件的一个主要原因是动力电池发生绝缘故障。绝缘监测系统可实时监测动力电池绝缘状态并计算绝缘阻值，绝缘阻值的定义为：动力电池发生短路故障时，最大漏电流对应的动力电池正负端与地之间的阻值[9]。

目前的绝缘检测方法主要分为信号注入法[10-11]和外接电阻切换法[12-14]，电桥法和电压表法。电压表法[15]是一种离线检测法，即直接测量绝缘阻值，但此方法无法动态反映动力电池绝缘性能，缺乏实时性。电桥法[16]分为平衡电桥法和不平衡电桥法。平衡电桥法可检测简单电路中的绝缘电阻，但当正负端绝缘阻值同时下降时，易导致误检测;改进的不平衡桥法克服了平衡桥法的缺点，能够检测正负极绝缘阻值同时下降的情况，但软件过于复杂。信号注入法主要分为高压注入法[17]和低壓脉冲注入法[18]，高压注入法复杂度低但易受干扰，因此本文采用的是低压脉冲注入法，通过注入低压信号，检测反馈信号来计算绝缘阻值，此方法可减少对电池的电压冲击，提高了检测系统的安全性[19]。

首先，本文提出了绝缘检测仪的理论模型并利用SIMUL -INK进行仿真模拟，验证了模型的有效性。然后进行了绝缘监测仪的硬件、软件设计，搭建实验台架，设计实验测试监测仪精度。测试结果表明，绝缘监测仪的检测误差在5%以内，能够实时监测动力电池的绝缘性能状态，具备较高的检测精度。

2 绝缘监测仪理论模型搭建

绝缘监测仪的理论模型如图1所示，其中Vv为动力电池组高压系统输出电压，Rd为检测电路中的分流电阻，Rr为检测电路中的采样电阻，Vr为采样电阻电压，Vs为信号产生模块产生的低压脉冲信号，其负端为接地端。

假设绝缘电阻负极R_为无限大，即负极绝缘性能良好。根据支路电流法计算绝缘阻值正极值R+如下：

（1）当R+为无穷大，R_为一较小值，即负极存在绝缘故障时，Rj的值就无限接近R_;（2）当R_为无穷大，R+为一较小值，即正极存在绝缘故障时，Rj的值就无限接近R+;（3）当R+和R_均为一较小值时，即正负极均存在绝缘故障时，Rj一定小于任一端的电阻值，此时的Rj非常小，可判断电池组高压系统是否存在绝缘故障。

3 绝缘监测仪系统设计

3.1 基于MATLAB的仿真模拟验证

为验证绝缘监测仪理论模型的有效性，利用MATLAB中的可视化仿真工具SIMULINK搭建上文所述的理论模型进行仿真模拟。模型各项参数如表1所示：

注入信号频率过高会导致检测系统的安全性能下降，信号频率过低，则会使采集到的反馈信号过小，不利于后期信号处理。综合考虑，本文的仿真模型采用的低压脉冲信号频率为0.1Hz。

如图2所示，绝缘监测仪系统模型由四个主要部分组成，包括信号产生与采样模块、信号处理模块、绝缘阻值计算模块、CAN总线模块。

本文设置8组绝缘阻值数据，运行模型得到仿真结果数据如表2所示，仿真结果表明以上八组数据的仿真结果误差均在1%以内，本绝缘监测仪的理论模型具有可行性。

3.2 硬件设计

本文设计的绝缘监测仪硬件结构如图3所示：

硬件包括绝缘监测仪控制板、可视化声光报警装置、高适应性封装、检测连接器部分。绝缘监测仪控制板由供电模块、信号产生模块、信号采集模块、信号调理模块和单片机主控单元构成，通过检测连接器连接动力电池正负极与BMS CAN总线，构成绝缘检测系统，完成绝缘阻值检测功能。

主控单元采用飞思卡尔公司的MC9S08DZ606芯片，该芯片具有低成本、低功耗、高性能、引脚数量多的显著特点，具备电磁兼容性（EMC）以及代码效率高等优势。绝缘监测仪的信号产生模块产生±50V的方波信号Vs，信号流经高压系统和分压电路后注入检测电路，再经取样电阻到达参考地端，形成闭环回路。信号采集模块采集取样电阻处的信号，此信号继续传输至信号调理模块信号调理模块包括低通滤波电路和信号放大电路，对电压采样信号进行滤波处理并将其调整至单片机所能采样的电压范围，以供单片机主控单元读取计算绝缘阻值并判断动力电池绝缘性能。

可视化声光报警装置用于显示绝缘阻值、绝缘报警等级，并产生报警声和报警灯光。高适应性封装由铝合金壳体和橡胶填充物组成，具备较好的抗腐蚀性，同时采用密封结构形式可以有效地降低电磁干扰，防止水、潮气、盐雾以及霉菌进入设备内部影响设备正常工作，减少使用过程中由振动产生的不良影响，提高产品的稳定性。

3.3 软件程序设计

本绝缘监测仪在设计时，采用MATLAB/SIMULINK进行模型搭建，并利用SIMULINK中的stateflow模块对绝缘检测仪的控制策略进行仿真，将其转译为C语言代码并进行初始化配置，最后导入主控芯片。优点是开发时间更短，运行成功率更高。

本设计的软件程序主要包括：信号发生模块、信号采集模块、信号处理模块、绝缘电阻阻值计算模块、CAN数据传输模块，各模块间进行信号数据传输，最终实现绝缘检测系统的绝缘阻值检测功能和绝缘报警信号传输功能。绝缘监测仪的主程序流程如图4所示：

其中，注入系统的低压脉冲信号由主控单元进行PWM调制产生，在不影响动力电池电压信号和保证采集信号强度的前提条件下，尽量选取较低电压以提高检测安全性。采集到的信号经过调制后用于计算绝缘电阻阻值，根据提前设定的绝缘电阻阈值，判断绝缘性能，决定是否切断动力电池电压输出并控制报警信号的产生。

4 实验验证

4.1 实验台架搭建

为实际验证绝缘监测仪的检测精度，搭建实验台架进行测试。实验台架主要包括大容量磷酸铁锂电池组（72V20Ah）、MC-21-A高精度电阻箱、UT61E高精度四位半数字万用表、高精度数显式开关型可调直流稳压电源、USBDM BDM 下载器、便携式绝缘监测仪。

考虑到实验安全问题，搭建实验台架中的电池组电压并未达到300 V以上，而是采用了72 V電池组作为高压系统向检测电路注入高电压，实际测得电池组电压在79 V左右，持续电流可达30 A;高精度电阻箱用于模拟绝缘电阻测试监测仪精度，本实验台架使用两个电阻箱分别模拟正负极绝缘电阻，其步进阻值为0.1Ω，精度可达到0.1%-5%，各档位精度不同。

4.2 测试数据处理及分析

实验设置10组不同的绝缘阻值进行测试，利用设置的绝缘阻值计算正负绝缘电阻的并联值，将计算值与测试值比较并分析误差。每组测试时间为5min，最后测试值取均值，以降低测量误差。设置的绝缘电阻值需要模拟各种绝缘状态，保证测试数据的能够说明大部分情况下绝缘监测仪的精度。测试数据见表3：

根据国家标准，电动汽车绝缘阻值需满足：Rj≥100Ω/V，此时高压系统无绝缘故障;绝缘阻值达到500Ω/V以上，表现为绝缘性能良好[20-21]。为了提高安全性，本文设计的绝缘监测仪采用两级报警，并将阈值适度增大。当任一端绝缘阻值下降到300KΩ时，判断为一级绝缘故障;当绝缘阻值下降到300-600KΩ时，判断为二级绝缘故障;当绝缘阻值大于600KΩ时，判断为绝缘性能良好。分析表3中实验数据可得出以下结论：

第1、2、3、4组数据中检测的绝缘阻值处于一级报警阈值范围内;第4、5、6组数据中检测的绝缘阻值处于二级报警阈值范围内;第7、8、9组数据中检测的绝缘阻值处于绝缘性能正常阈值范围内。

第1、2组电阻值设定为两侧同时发生阻值下降且同时发生较为严重的一级绝缘故障的情况。当正负极端电阻同时发生绝缘故障且阻值较小时，由于实际并联值较小，造成绝缘电阻并联值的测量误差较大。

发生一级绝缘故障时，测量到的绝缘阻值非常小，容易触发声光报警。在车辆实际运行中，准确判断出二级绝缘故障，才能更好地保证驾驶安全性。分析第5、6、7组数据可知，在二级绝缘故障下的测量误差在2%左右，测量精度较高。

第8、9、10组数据在绝缘性能正常阈值范围内，分析可知当正负极端电阻绝缘性能良好且两端阻值较大时，绝缘电阻并联值的测量误差较小。

考虑到实验中开始和结束阶段的数据波动较大，取测量数据的中间部分数据作图。取第2、3组数据作图3-A，5、7组数据作图3-B，8、9组数据作图3-C。分析实验测试数据表和分析图可知，本文设计的绝缘监测仪可以较好的测出正负极端电阻值，且测量误差在5%以内，绝缘检测精度较高，符合相关标准，且整体基本符合误差分析的结果。

5 结论

本文设计了一种便携式车辆动力电池绝缘监测仪，能够实时监测动力电池的绝缘性能并计算绝缘阻值大小，根据与提前设置的绝缘阻值报警阈值比较，决定是否进行声光报警。在检测理论上，本绝缘监测仪采用低压脉冲注入法，提高了绝缘检测过程的安全性;在硬件设计方面，便携一体化的硬件设计使本绝缘监测仪使用更加便捷，有利于实际应用。本文通过MATLAB进行软件仿真，验证了绝缘检测系统理论模型的可行性，并搭建台架开展实验，实验数据显示绝缘监测仪的检测精度在5%以内，能够满足绝缘检测的精度要求。

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