基于国标法的绝缘检测改进方案研究

李 强

(深圳市国立智能电力科技有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

纯电动客车以动力电池为动力源，动力电池系统通常由多个电池箱串并联成系统，电池系统任何一点绝缘破坏则造成高压漏电，可能造成人员安全事故。因此动力电池所有高压点与车身的绝缘性能直接决定着整车的安全性，全方位准确的检测电池系统所有高压点对整车的绝缘电阻至关重要。

纯电动客车动力电池管理系统通常基于国标法设计成并联电阻式绝缘检测仪，如何通过绝缘检测仪时时准确的检测电池系统所有高压点对车身的绝缘电阻成技术难点。本文基于国标法改进了绝缘检测技术，设计了一种绝缘检测方案，实现了动力电池系统所有高压点绝缘电阻的准确检测，对保障纯电动客车高压安全方面具有重要指导意义。

1 国标法绝缘检测原理

国标法即在整车高压系统与整车地之间并联一个已知的电阻，采集绝缘电阻等效电路的电压，带入一系列运算公式，最终计算出整车等效绝缘电阻。国标《GB/T 18384.1-2015电动汽车安全要求》定义REESS（可充电的且可提供电能的能量存能系统）高压总正与总负对电平台有不同的绝缘电阻（Rn和Rp，如图1）。从安全角度考虑，取REESS阻值较小的一个电阻为绝缘电阻[1]。

图1 绝缘电阻Rn和RpFig.1 Insulation resistance Rn and Rp

国标《GB/T 18384.1-2015电动汽车安全要求》针对电动汽车设计了测试绝缘电阻的方法[2-6]，如图2绝缘电阻测试电路R0、R1为固定电阻、S1、S2为开关部件。

图2 并联电阻式绝缘检测电路Fig.2 Shunt resistance insulation detection circuit

国标法绝缘检测原理：电池系统高压总正（BAT+）和电池总负（BAT-）与整车地之间的等效绝缘阻值为Rp和Rn。

闭合开关 S1和 S2，得到ADCp1和ADCn1，E为电池总压，其计算公式为：

闭合开关S2，得到ADCn2，其计算公式为：

闭合开关S1，得到ADCp2，其计算公式为：

通过上述操作步骤可得到ADCp1、ADCn1、ADCp2和ADCn2实际测量值，代入公式（1）～（4）后，可计算求出Rp和Rn，其中取Rp和Rn两者小的值作为电池系统的绝缘阻值。

2 国标法绝缘检测误差原因分析

国标法定义的绝缘电阻为 REESS总正总负对整车的绝缘电阻，但是电池系统由多个电池箱串并联组成，电池系统中间高压点绝缘破坏对应的绝缘电阻按照国标法检测原理检测电阻值却不一定适用。

以4个电池箱串联组成的电池系统作为测试对象开展试验。人为在 1号电池箱总正、2号电池箱总正与车身短接不同大小电阻，人为触发绝缘故障，测试国标法绝缘检测误差。

4个电池箱串联，1号电池箱总正对车身短接电阻则对应电池系统总正对车身短接电阻，测试结果如表1。

表1 电池系统总正绝缘故障Tab.1 Total positive insulation failure of the battery system

2号电池箱总正对车身短接电阻则对应电池系统中间高压点对车身短接电阻，如图3所示，测试结果如表2。

图3 电池系统中间点绝缘破坏图Fig.3 Insulation damage diagram of battery system intermediate point

表2 电池系统中间位置绝缘故障Tab.2 Insulation failure in the middle position of the battery system

从试验结果可见国标法绝缘检测原理可准确实现电池系统总正、总负对车身绝缘电阻检测，但电池系统中间位置绝缘电阻检测却存在较大误差，检测值与真实值存在30%-50%的误差。

电池系统中间高压点绝缘破坏，绝缘电阻检测误差原因分析如下：

如图3电池系统任一中间点绝缘破坏，并联电阻式绝缘检测仪仍按照原检测原理分工步闭合开关 S1和 S2采集得到的ADCp1、ADCn1、ADCp2和ADCn2的值，再将测试的值带入式（1）～（4）计算绝缘电阻Rp和Rn。

设电池系统总压E=4 V，V为单箱电池电压，测试ADCp1、ADCn1、ADCp2和ADCn2的值如下：

闭合开关S1和S2，得到ADCp1和ADCn1，其计算公式为：

闭合开关S2，得到ADCn2，其计算公式为：

由公式（5）～（8）可见按照原检测原理计算值与公式（1）～（4）计算值不相等，则并联电阻绝缘检测仪采集的实际值应为ADC′p1、ADC′n1、ADC′p2和ADC′n2，计算的绝缘电阻为Rp′和Rn′。Rp′和Rn′是国标法对应等效电路下的 REESS总正总负对车身绝缘电阻，两者取小并非中间绝缘破坏点绝缘电阻R，即 min(Rp′,Rn′)≠R，因此存在较大测试误差。

3 国标法绝缘检测改进方案设计

并联电阻式绝缘检测仪检测电路固定，检测工步固定。为解决电池系统中间点绝缘电阻（设绝缘电阻为 X）无法准确测试问题，需关联电池系统中间点绝缘故障等效电路与电池系统总正总负绝缘故障等效电路之间关系，耦合中间点绝缘电阻X与Rp和Rn关系，正确求解绝缘电阻X。

如图 4针对电池系统中间点绝缘故障等效电路与电池系统总正总负绝缘故障等效电路解析Rp和Rn，如式（9）～（15）。

设 Y为电池系统绝缘故障位置，0≤Y≤1。绝缘检测电路等效原理为转换前后R1、R2两端电压不变，R1=R2，对于图4左，只闭合K1，可以得到：

图4 两模式绝缘电阻等效电路Fig.4 Two-mode insulation resistance equivalent circuit

对于图4右，只闭合K1，可以得到：

同理，对于图4左，只闭合K2，可以得到：

对于图4右，只闭合K2，可以得到：

通过化简公式（9）～（12），最终得到接入电阻与接入位置的等效转换计算公式：

生成公式（13）（14）图形，如图5。

图5 Rp和Rn曲线Fig.5 The curves of Rp and Rn

由图5可见在Y=0时，Rp=X，Rn=∞，两者取小绝缘电阻为X；在Y=1时，Rp=∞，Rn=X，两者取小绝缘电阻为X；但是0＜Y＜1，两者取小绝缘电阻不等于X，由图 5可见越靠近 Y=0.5，误差越大。在Y=0.5时，Rp=2X，Rn=2X，两者取小绝缘电阻为2X，误差为X。因此由图5所示结果可见，绝缘电阻采用两者取小原则，可准确测试电池总正总负绝缘电阻，不适用于电池系统中间点绝缘电阻检测。

耦合公式（13）（14），X=RnURp，即：

改进算法，设计改进的绝缘检测方案，绝缘电阻X取值原则：X=RnURp。

按照改进的绝缘检测方案以 4个电池箱串联组成的电池系统作为测试对象开展电池系统绝缘故障试验，验证改进的绝缘检测方案测试误差，结果如表3、4所示。

表3 电池系统总正位置绝缘故障Tab.3 Insulation failure in the total positive position of the battery system

表4 电池系统中间位置绝缘故障Tab.4 Insulation failure in the middle position of the battery system

由试验结果表1、2与表3、4对比可见，改进的绝缘检测方案可将绝缘电阻测试误差从30%～50%降至10%以内，实现准确测试电池系统全方位绝缘电阻。

4 结论

国标《GB/T 18384.1-2015 电动汽车安全要求》定义了绝缘电阻，设计了绝缘检测基本电路、绝缘检测基本原理。市场针对国标法绝缘检测技术开发了并联电阻式绝缘检测仪，并联电阻式绝缘检测仪可准确实现电池系统总正总负绝缘电阻测试，但无法准确测试电池系统中间位置绝缘电阻，测量值与真实值存在30%～50%误差。

本文针对电池系统中间位置无法准确测试绝缘电阻问题，从绝缘检测原理推导，改进绝缘检测算法，设计了改进的绝缘检测方案，开展了方案验证试验。对比改进前后试验结果可知改进的绝缘检测方案可准确检测电池系统全方位绝缘电阻，误差控制在10%以内。