电阻绝缘检测中低压脉冲信号注入法的算法改进

黄雨龙，陈振斌，崔相雨，庞诏文，崔伟亚

(1.海南大学 机电工程学院，海南 海口570228；2.宁波汇峰聚威科技股份有限公司，浙江 宁波 315191)

电动汽车的动力电池的电压普遍高于300 V，必须保证其充分的电气绝缘[1].但是运行在振动、高温、高湿和电池内部酸碱气体腐蚀等工况环境下的动力电池，其绝缘材料易损坏、绝缘性能加速下降，从而严重危害驾乘人员的安全[2].因此有必要对电动汽车动力电池的绝缘性能进行有效的检测.绝缘检测技术是电动汽车中一项保障驾乘人员安全的非常重要的技术[3].国家标准规定[4]:电动汽车的绝缘电阻值与直流电压值的比值不能小于100 Ω/V，交流电压值的比值不能小于500 Ω/V.

绝缘检测方法主要的分类是通过判断是否外接电源分为无源式[5-7]与有源式[8-9].无源式绝缘检测技术主要通过改变接入的桥式电阻比，根据测量电压的变化情况来计算绝缘电阻.张向文[5]等人通过控制开关的通断调节不同的电阻比，该方法的优点可以获得正负端的绝缘电阻值，受高压系统中等效电容与电感的影响较小，但缺点是无法测量在两端电阻同时下降情况.Han[6]等人相对于张向文等人的设计增加了一对分压电阻，优点是改善了开关通断过程中的电池对地的绝缘性能，不足之处仍是无法测量两端电阻同时下降的情况.张超[7]等人考虑了电驱动系统的绝缘性能，通过开关的切换获得的不同的电压信号计算有无驱动系统的正负端绝缘电阻，但是该方法同样不能测量两端电阻值同时下降的情况.有源式绝缘检测技术主要是通过向电动汽车高压系统中注入电压源等信号，通过分析采样的放射信号值分析绝缘性能，可以有效地克服无源式存在的不能测量正负端绝缘电阻同时下降的情况.Tian[1]等人设计了有源式低压脉冲注入检测绝缘电阻，有效地解决了正负端电阻同时下降而无法测量的问题，但是检测结果为母线端电阻的并联值，容易造成误报警的情况.贠福康[8]等人在低压脉冲注入基础上设计新的算法模型，可以有效地检测动力电池未工作时的绝缘状态，但是并未解决测量值为两端电阻的并联值，容易形成误报警的问题.陈宁[9]等人同样考虑了电动汽车电驱动交流侧的影响，提高了绝缘监测范围，但是测量值同样为并联值.除了常用的低压低频有源信号注入方法外，还存在PWM高压注入法[10-11]与直流电压信号注入法等[12-13].PWM高压注入对系统容易造成高压冲击，而直流信号注入由于电磁效应存在容易对系统造成较强的电磁干扰等问题.

针对现有的绝缘检测方法存在的一些不足，即部分无源式绝缘检测法不能对同时下降的正负端电阻进行有效的测量，部分有源式绝缘检测法不能对正负端单侧绝缘电阻进行有效的测量.笔者在正负低压脉冲信号注入法的基础上，经重新推导后提出了一种新的数学模型，基于改进模型设计了该系统算法模型，设计了相应控制算法与控制电路，最后通过台架实验设计，验证了所提有源式动力电池绝缘监测系统的有效性和稳定性及，保证了良好的测量精度，有效的克服了上述检测算法中的问题.

1 检测电阻绝缘的数学模型

图1 动力电池绝缘电阻检测等效模型

将电动汽车的动力电池系统简化为电源与绝缘电阻，绝缘检测系统简化为信号源与分压等电阻，等效模型如图1所示.Ub为电压值，Rp，Rn为绝缘电阻，R1，R2为接入桥式分压电阻(其中R1=R2=R0)，Rf为采样电阻；Us为信号发生器的电压值(Us+，Us-分别表示信号正脉冲电压值与负脉冲电压值,ΔUs=|Us+-Us-|为信号的差值绝对值)；Uf为电阻Rf两端的偏差电压值(Uf+，Uf-分别表示偏差信号的正脉冲电压值与负脉冲电压值，ΔUf=|Uf+-Uf-|为偏差信号的差值绝对值).

当RpUB.根据基尔霍夫电流定律可得

(1)

(2)

(3)

联立可解

(4)

(5)

其中，Rq为正负端母线绝缘电阻的并联值.可视注入信号的过程电池电压Ub保持不变，将采集正负脉冲信号Us+与Us-，对应的偏移信号Uf+与Uf-分别代入式(4)，得

(6)

其中，ΔUs，ΔUf均为信号差值的绝对值.将式(6)代入到公式(4)和(5)，得

(7)

(8)

当RpUB，Us=-Us-与Uf=Uf-代入式(7)和(8)得正负端绝缘电阻分别为

(9)

(10)

当Rp>Rn且发射信号为正半周期时，此时UA

(11)

(12)

当Rp=Rn时，由式(6)可得正负端绝缘电阻为

(13)

2 电阻绝缘监测系统设计

Wang[14]等人设计的绝缘检测数学模型考虑了电池组中各个单体电池与电阻的关系，但是并没有对单体单池电阻的绝缘故障考虑进检测模型，只能判断一侧故障绝缘故障，因此该数学模型判定类型单一，不具有普遍性.Song[15]等人同样考虑了单池电池与电阻的关联，但是假设绝缘故障只发生在两端，数学模型同样是检测一侧故障，不具有普遍性.王泽京[16]等人设计的无源式外接电阻切换法的数学模型优点是能够测出单侧的电阻值，但是外接电阻的通断会降低动力电池的绝缘性能.Yang[17-18]等人利用电池SOC估计建立数学模型判定电池外部短路.Zhang[19-20]等人利用电池SOC估计建立数学模型判定电池内部短路.上述设计的数学模型只能测量单体电池，或者少量的单体电池组合，无法测试动力电池组的绝缘性能.考虑到上述情况，本文改进的绝缘电阻数学模型最大的优点就是可以测量任何故障类型时的单侧电阻值，实现更加精确的判断动力电池组的绝缘情况.新的数学模型的应用对保障汽车安全具有重要的意义.但是不足处在对动力电池电压值的稳定性，信号采集的精度要求较高，抗干扰能力要求较高，会给计算精度带来一定的影响.

基于上述数学模型设计绝缘电阻监测系统，该系统需要完成的主要功能有低压脉冲信号Us发生与采样、偏差信号Uf的采样、动力电池电压值信号Ub的采样、采样信号的滤波调理、计算绝缘电阻值、绝缘性能判断与故障报警和CAN通信传输等.根据系统功能，采用仿真软件设计了相应控制算法，并完成了硬件电路模块的开发.

2.1 控制算法软件设计本文提出的有源式动力电池绝缘电阻监测系统的控制算法用于对电阻绝缘性能的评估判断是否发生故障，并控制报警信号等，控制逻辑由相关仿真软件建模验证，其流程图如图2所示.采集正负脉冲压值阶段的信号Us+，Us-，对应的偏差信号Uf+，Uf-.由于硬件电路的作用，控制器接口端采集的信号为非负值，存在一个基准偏移量.采集的信号压值需要减去相应的基准偏移量以获得差值，该差值再除以相应的放大系数得到的才是真实的信号量.通过比较偏差信号值的Uf+，Uf-真实信号量的大小，选用不同的计算模型计算出较为准确的正负端绝缘电阻值Rp，Rn.该计算得到电阻值Rp，Rn与报警值比较，判定此时电动汽车的绝缘性能，并根据该判定情况发出相应的执行指令.CAN总线实时将监测系统得到的绝缘情况上传到车载终端，提醒驾驶员关注车辆的绝缘情况.

2.2 硬件电路模块设计为了满足系统功能设计要求，降低硬件电路误差带来的干扰，该系统硬件电路部分采用模块化设计.硬件结构图如图3所示，主要有信号发生模块、偏差信号采样模块、动力电池电压采样模块、信号滤波调理模块、主控模块、故障报警模块、CAN通信模块和系统工作电源模块等.

在图3中主控模块用于控制信号的发生和滤波，根据采样的信号计算出绝缘阻值并判断绝缘性能，依据判定的绝缘性能控制故障报警模块的工作.信号产生模块根据主控模块的指令交替接入±40 V的电压，形成所需的低频低压脉冲信号Us，并将该信号发送到动力电池系统中.信号滤波调理模块的作用是对Us信号与Uf信号进行反向、滤波与放大等.偏差信号采样模块通过主控模块的指令采集周期内偏差信号Uf.动力电池电压采集模块的作用是对动力电池电压值Ub进行降压、滤波与采样.系统工作电源模块的作用是将外部12 V供电电压进行稳压滤波，将12 V电压转换为±40 V与5 V等待用电压值.故障报警模块根据主控模块发送的控制指令以不同的频率闪烁报警灯或者切断动力电池供能系统；CAN通信模块将电源电压值、正负端绝缘性能中最低的电阻值和故障类型码编组发送给车载终端显示.

此外，图3中虚线为控制信号流，细实线为数据信号流，粗实线为电信号流.

3 台架实验验证

图4 试验台架模型

为了验证上述绝缘电阻检测算法的可行性及检测精度的准确性，搭建测试台架.如图4所示.该实验台架主要由电池包、正负端绝缘电阻箱、稳压电源、绝缘监测系统板、下载线和CAN总线等组成.

国家标准规定[4]:电动汽车的动力电池的绝缘电阻值与直流电压值的比值不能小于100 Ω/V.为了保证电动汽车拥有较大的续航里程，电动汽车的动力电池的电压普遍高于300 V，在保证充分的冗余度的前提下，设定绝缘电阻一级报警值为100 kΩ，二级报警值为300 kΩ.测试电池包标定为72 V，校准真实值为80 V.台架测试参数及等效绝缘电阻，如表1所示.

表1 台架测试参数

在台架实验测试过程中，通过调节正负端电阻箱的电阻值模拟出现不同的绝缘情况.实验测试分为5组，分别是：第1组正负端绝缘性能正常且电阻值相等；第2组正端绝缘性能有所下降但是绝缘良好，负端发生二级绝缘故障；第3组正负端同时发生二级绝缘故障；第4组正端绝缘发生一级绝缘故障，负端发生二级绝缘故障；第5组正负端同时发生一级绝缘故障.在进行分组测试的同时，记录由CAN总线传递到PC终端的监测系统测量的正负端绝缘性能最差的电阻值数据.重复3次该实验，对实验数据进行整理分析结果如表2所示.

表2 台架测试结果

其中第1、2组实时测试数据如图5、图6所示，其中误差值为误差平均值.

通过台架测试结果可知，由测量电阻平均值小于设定的电阻值，并且存在10 kΩ左右测量偏差.测量误差随着Rp与Rn的降低而增大.当Rp=Rn时，此时流过Rf上的电流主要由于Us流过.监测系统采集的Uf较小，干扰作用较大，对采样精度影响较大，造成最终的测量结果波动较大.随着Rp与Rn降低，采样的Uf增大，波动较小.当Rp≠Rn时，此时流过Rf上的电流主要由Ub与Us叠加流过.监测系统采集的Uf较大，干扰作用较小，有利于最终的测量结果.当Rp>Rn时，采集的Uf+>Uf-；当Rp

实验模拟的不同的绝缘情况测得的平均电阻值小于实际值，造成此现象的原因是电路板温度对电路中的电容电阻的影响较大，并且由于选型的单片机无法进行类似于卡尔曼等较为复杂的滤波算法，使采集的偏差信号Uf干扰较多，测量结果波动较大.综合分析，测量结果验证了基于正负低压脉冲信号注入法的改进计算模型的可行性，基于该改进算法的绝缘监测系统的平均检测误差在5%左右，精度满足要求.

4 结束语

在现有的低压低频脉冲信号注入法的基础上，提出了一种改进的算法模型，并基于改进算法设计了一种有源式动力电池绝缘监测系统.该系统比较采样得到的反射信号值，选用不同的计算模型计算绝缘电阻值.通过台架试验结果与分析，验证了改进算法模型的可行性和正确性，并且验证了运用该算法的绝缘监测系统的平均测量误差量在5%左右，具有较高的测量灵敏度与精度，有效地解决了部分无源式绝缘检测方法无法有效测量同时下降的正负端绝缘电阻与正负端单侧绝缘电阻问题，可以实时监测动力电池绝缘性能，较高的稳定性和良好的应用前景.下一步工作将考虑对单片机进行升级，使用更为合适的滤波算法的同时考虑温度等因素对监测系统的影响，进一步提高测量的精确性与稳定性.