劉廣敏 喬 昕 張曉鵬

（山東省汽車電子技術(shù)重點實驗室山東省科學(xué)院自動化研究所）

1 前言

隨著能源和環(huán)保問題的日益突出，車輛的電動化已經(jīng)成為必然趨勢。電動汽車無論使用車載蓄電池、燃料電池還是超級電容，其直流電壓已超過人體所能承受的范圍，有的電池電壓甚至達(dá)到600 V[1，2]。在如此高壓條件下，及時準(zhǔn)確地檢測到電動汽車的動力電池發(fā)生漏電或人員觸電造成的絕緣性能下降非常必要。GB/T 18384.1中規(guī)定了電動汽車動力電池電壓超過交流25 V或直流60 V時必須檢測動力電池的絕緣電阻，當(dāng)絕緣電阻降低到標(biāo)準(zhǔn)以下時必須及時報警以及采取必要的保護(hù)措施[3，4]。本文設(shè)計了一種電動汽車動力鋰電池在線絕緣檢測方法。

2 蓄電池在線絕緣電阻檢測方法

目前，我國對電動汽車絕緣電阻的檢測方法有2種，一是采用信號注入的方法進(jìn)行測量[5，6]，另外一種方法是采用外接電阻切換測量[4，7～9]。信號注入的方法是指對電動汽車的電池系統(tǒng)注入一定頻率的直流電壓信號，通過測量反饋的直流信號計算絕緣電阻。這種信號對整個電池系統(tǒng)會產(chǎn)生紋波干擾，影響系統(tǒng)的正常工作。而現(xiàn)有的外接電阻切換的絕緣電阻測量方法檢測精度較低，同時因長時間接入測量電阻，所以降低了系統(tǒng)的絕緣性能，增加了電池功耗。為此，根據(jù)現(xiàn)有的外接電阻切換測量方法，提出了一種采用光電MOSFET開關(guān)、分壓電阻及高共模電壓差分運放，且成本低、功耗小、性能安全的在線絕緣檢測方法。

3 動力鋰電池絕緣電阻測量原理

GB/T 18384.1—2001中將動力蓄電池絕緣電阻定義為“如果動力蓄電池與地之間的某一點短路，最大（最壞情況下）的泄漏電流所對應(yīng)的電阻”。絕緣電阻分為絕緣電阻無限大、絕緣電阻為零、絕緣電阻為某一值等3種情況。GB/T 18384.1—2001中規(guī)定動力蓄電池絕緣電阻最小值為100 Ω/V，安全值為 100～500 Ω/V[1]。

實際上，動力蓄電池的正負(fù)兩端子對底盤的絕緣電阻是有限的，利用圖1和圖2的電路模型可推導(dǎo)出絕緣電阻計算公式。

通常動力蓄電池Vb（圖1）正端對底盤絕緣電阻Ri1與動力蓄電池負(fù)端對底盤絕緣電阻Ri2是不相等的，特別是有漏電的情況下。因為Ri1和Ri2串接在電路中，較小的電阻會允許較大的電流流過動力蓄電池另一端與底盤相接的外部電路，因此動力蓄電池的絕緣電阻等于Ri1或Ri2中較小者。采用內(nèi)阻大于10M的電壓表，按圖1所示模型測量動力蓄電池正、負(fù)端對底盤的電壓V1和V2，即為動力蓄電池正、負(fù)端對底盤絕緣電阻串聯(lián)在動力蓄電池Vb中分壓后得到的電壓。假設(shè)電壓表的內(nèi)阻足夠大可忽略，此時應(yīng)有:

測量得到的V1和V2有2種情況:V1≥V2或V1＜V2。

當(dāng)V1≥V2時，在動力蓄電池的正端與底盤之間插入1個已知阻值的電阻R0（R0為按照國標(biāo)規(guī)定的安全域值100～500 Ω/V計算的標(biāo)準(zhǔn)電阻）,然后測量電阻R0兩端電壓，得V3值。假設(shè)電壓表的內(nèi)阻足夠大可忽略，此時應(yīng)有:

經(jīng)推導(dǎo)得:

當(dāng)V1＜V2時，也在動力蓄電池的負(fù)端與底盤之間插入電阻R0，然后再次測量電阻R0上的電壓，得V4值。

經(jīng)推導(dǎo)得:

4 在線絕緣電阻檢測裝置設(shè)計

電動汽車動力鋰電池在線絕緣電阻檢測方法設(shè)計方案采用GB/T 18384.1—2001中規(guī)定的測量方案。國標(biāo)中規(guī)定的測量步驟為:第1步測量動力鋰電池正、負(fù)兩端對底盤的電壓，找到較小的絕緣電阻；第2步是在具有較大絕緣電阻的動力鋰電池的一端對底盤并聯(lián)1個標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，并重新測量R0兩端電壓；第3步是計算絕緣電阻，并判斷絕緣電阻是否危及人身安全，以及采取相應(yīng)的措施。

4.1 在線絕緣電阻檢測硬件電路設(shè)計

電動汽車動力鋰電池在線絕緣電阻檢測硬件電路設(shè)計框圖如圖3所示。

在線絕緣電阻檢測硬件電路設(shè)計分為電壓分壓測量電路和采樣計算電路2部分。電阻分壓測量電路采用模擬分立電路設(shè)計，按GB/T 18384.1—2001的測量要求，控制MCU采樣動力電池正、負(fù)兩端對底盤的電壓，及在并聯(lián)電阻R0的情況下測量動力電池兩端對底盤的電壓。圖3中的K1、K2、K3、K4為高壓開關(guān)，并采用光電隔離、高阻斷電阻低導(dǎo)通電阻的光電繼電器AQW224，運算放大器采用高共模電壓的差分運算放大器。

高壓開關(guān)K1與電阻R1、R2、R3串聯(lián)組成動力鋰電池正端對底盤的電壓測量電路，R1、R2、R3串聯(lián)電阻值為10.11 MΩ（《GB/T 18384.1》規(guī)定電壓表內(nèi)阻大于10MΩ）。當(dāng)需要采樣時，MCU控制高壓開關(guān)K1閉合，采用電阻分壓后經(jīng)過高共模電壓差分運算放大器將電池正端對底盤的電壓采樣放大，得到端電壓V1。

高壓開關(guān)K2與電阻R4、R5、R6串聯(lián)組成動力鋰電池負(fù)端對底盤的電壓測量電路，測量過程同動力電池正端對底盤的電壓測量過程，得到端電壓為V2。

高壓開關(guān)K3與電阻R011、R012、R013串聯(lián)組成動力蓄電池正端對底盤的電壓測量電路。圖3中R011、R012、R013串聯(lián)組成電阻 R0，阻值為 30.3 KΩ。當(dāng)需要采樣時，MCU控制高壓開關(guān)K3閉合，采用電阻分壓后經(jīng)過高共模電壓差分運算放大器將電阻R0對底盤的電壓采樣放大，得到端電壓V3。

高壓開關(guān)K4與電阻R021、R022、R023串聯(lián)組成動力蓄電池負(fù)端對底盤并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)已知電阻R0的電壓測量電路，測量過程同動力蓄電池正端對底盤并聯(lián)電阻R0的電壓測量，得到端電壓V4。

在電壓分壓測量電路反壓采樣得到電壓后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換為總線式的數(shù)字電壓，經(jīng)過總線隔離器后到 MCU，MCU 按式（5）和式（6）即可計算出絕緣電阻。高壓開關(guān)部分采用光電隔離控制，A/D采樣部分也采用了數(shù)字隔離，因此MCU測量電路部分與高壓動力蓄電池實現(xiàn)了完全的電氣隔離。

4.2 在線絕緣檢測軟件測量流程

系統(tǒng)軟件部分采用C語言開發(fā)，主要包括絕緣檢測部分和通信部分，絕緣檢測部分流程如圖4所示。

5 測試結(jié)果及誤差分析

為測試在線絕緣電阻檢測方法的性能，在試驗室搭建了模擬試驗臺，如圖5所示。試驗中的電池組采用三元材料60 V/2 A鋰電池組，底盤采用1塊金屬板模擬，電池正、負(fù)兩端對底盤并聯(lián)精度為5%的可調(diào)電位器電阻，調(diào)節(jié)不同阻值模擬不同情況下的絕緣電阻狀況，采用在線絕緣電阻檢測裝置進(jìn)行測量，測量結(jié)果通過計算機顯示。

分3種情況進(jìn)行試驗:電池正端對底盤絕緣電阻為安全值，電池負(fù)端對底盤絕緣電阻從大到小逐漸變化，選取數(shù)個點測量絕緣電阻值；電池負(fù)端對底盤絕緣電阻為安全值，電池正端對底盤絕緣電阻從大到小逐漸變化，選取數(shù)個點測量絕緣電阻值；電池正、負(fù)端對底盤絕緣電阻都小于安全值，兩側(cè)絕緣電阻在安全值附近從大到小逐漸變化，選取數(shù)個點測量絕緣電阻值。測量時，系統(tǒng)先斷電，采用FLUKE 17B型萬用表測量絕緣電阻值并記錄，系統(tǒng)上電，采用在線絕緣電阻檢測裝置進(jìn)行測量，并記錄測量結(jié)果。對試驗結(jié)果計算絕對誤差和百分比誤差并選取典型值，如表1所列。

表1 絕緣電阻試驗室測試結(jié)果

從表1可知，采用在線絕緣電阻檢測方法對試驗設(shè)計的3種情況下的絕緣電阻進(jìn)行測量，均可檢測出絕緣電阻的具體數(shù)值，測量誤差在5%范圍內(nèi)，可滿足電動汽車動力蓄電池的絕緣檢測要求。但是所得到的絕緣電阻數(shù)值均偏低，說明零點選取的不是很準(zhǔn)確，還有改進(jìn)的空間。通過提高AD采樣精度可進(jìn)一步提高所設(shè)計的在線絕緣檢測方法的測量精度。

6 結(jié)束語

設(shè)計了一種實用的電動汽車動力蓄電池在線絕緣檢測方法，無需電壓電流傳感器，只需要光電MOSFET開關(guān)、分壓電阻及高共模電壓差分運放，成本低。因采用光電開關(guān)，并聯(lián)電阻在測量時才接入電池正、負(fù)兩端，所以降低了電池功耗，同時避免了長時間電阻接入造成的絕緣電阻下降帶來的漏電危害。實現(xiàn)了測量裝置和動力蓄電池的電氣隔離，安全性能高。測試結(jié)果表明，該在線絕緣檢測方法能準(zhǔn)確地檢測各種情況下蓄電池的絕緣電阻，可滿足電動汽車在線實時檢測需求。

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