張　進(jìn)，張向文

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004)

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池絕緣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張進(jìn)，張向文

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004)

設(shè)計(jì)了一種新型的純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池絕緣檢測系統(tǒng)，介紹了該檢測系統(tǒng)檢測原理及硬件電路與軟件設(shè)計(jì)流程。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控芯片，采用干簧管繼電器、采樣電阻、差分電壓采集電路對動(dòng)力電池的絕緣電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測。利用該系統(tǒng)對4節(jié)12 V磷酸鐵鋰電池的各種絕緣狀況進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，絕緣電阻測量誤差可以控制在5%以內(nèi)，因此，設(shè)計(jì)的絕緣檢測系統(tǒng)可以滿足純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的絕緣檢測要求。

檢測系統(tǒng)；動(dòng)力電池；絕緣電阻；純電動(dòng)汽車

為了解決環(huán)境污染和石油危機(jī)等全球性難題，純電動(dòng)汽車得到了快速的發(fā)展。純電動(dòng)汽車一般采用鋰電池作為動(dòng)力電池，其電池組的電壓通常都在200 V以上[1]，這樣的電壓已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人體所能承受的安全范圍。純電動(dòng)汽車在日常使用過程中，潮濕、振動(dòng)、暴曬等惡劣的環(huán)境很容易引起電池高壓線束的老化和破皮，從而降低整車的絕緣安全性。當(dāng)電池的正、負(fù)母線與車體發(fā)生漏電時(shí)，將直接危害到駕駛員和乘客的人身安全，因此，準(zhǔn)確地對純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的絕緣狀況進(jìn)行檢測，當(dāng)絕緣性能下降時(shí)，及時(shí)報(bào)警，對提高電動(dòng)汽車的安全性具有至關(guān)重要的作用。

動(dòng)力電池正、負(fù)母線對地絕緣電阻的大小是衡量純電動(dòng)汽車絕緣狀況的重要標(biāo)志[2]，對動(dòng)力電池的絕緣狀況進(jìn)行檢測實(shí)際是對電池正、負(fù)母線對地絕緣電阻的大小進(jìn)行測量。國內(nèi)外絕緣電阻的檢測方法有很多，主要使用的方法包括電橋檢測法、低頻信號(hào)注入法和有源式絕緣檢測法。電橋檢測方法[3]的檢測精度不高，且只能檢測電池兩端絕緣電阻值下降不相等的情況，當(dāng)電池正、負(fù)母線對地的絕緣電阻值下降相等時(shí)，電橋依然平衡，因此，這種電橋檢測方法失效。隨后出現(xiàn)的低頻信號(hào)注入法[4]，通過低頻交流小信號(hào)注入電池兩端，能夠?qū)φ?、?fù)母線的絕緣電阻值下降相等的情況進(jìn)行檢測，但是交流信號(hào)的注入不僅增大了直流供電系統(tǒng)的紋波系數(shù)，影響供電質(zhì)量，而且交流信號(hào)受到電路分布電容的影響，最終的檢測精度不高。有源式絕緣檢測方法[5-6]，通過PWM信號(hào)控制隔離變壓器，分別給電池正、負(fù)母線與車體之間注入高壓直流信號(hào)，進(jìn)行絕緣電阻的測量。這種方法利用直流高壓進(jìn)行絕緣電阻的檢測，能夠提高檢測的精度，但是瞬間的高電壓對電路的沖擊很大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且PWM波的穩(wěn)定性也存在質(zhì)疑。

為了解決目前純電動(dòng)汽車絕緣檢測方法所存在的問題，本文研究了一種新型的基于電橋的絕緣檢測方法。首先給出這種電橋檢測的原理，然后進(jìn)行絕緣檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后，通過實(shí)際的動(dòng)力電池，對這種絕緣檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

1　絕緣檢測原理

檢測原理框圖如圖1所示，Rp和Rn分別為要檢測電池正、負(fù)母線的對地絕緣電阻值，R為阻值已知的采樣電阻。由圖1知A點(diǎn)的電壓正比于正母線對地的電阻值，B點(diǎn)的電壓正比于負(fù)母線對地的電阻值，通過控制開關(guān)K0和K1的通斷可以改變A、B點(diǎn)的電壓。由于A點(diǎn)的電壓很高，單片機(jī)不能直接進(jìn)行AD采樣，所以需要降壓，而B點(diǎn)的電壓為負(fù)，不僅需要降壓，還需要轉(zhuǎn)換電壓的極性后，單片機(jī)才能進(jìn)行AD采樣，最后根據(jù)單片采樣的電壓值可以計(jì)算Rp或Rn的大小。

圖1　絕緣電阻檢測原理框圖

在汽車的使用過程中，動(dòng)力電池的正、負(fù)母線都有對地絕緣電阻值，但在進(jìn)行絕緣檢測時(shí)，不需要對兩個(gè)值都進(jìn)行測量，只需測量它們中較小的一個(gè)即可，把它們中較小的值作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的絕緣電阻值。

下面將結(jié)合原理框圖，對本設(shè)計(jì)工作原理進(jìn)行清楚、完整地描述。

(1)首先K0、K1斷開，此時(shí)測得動(dòng)力電池正母線對地絕緣電阻所分得的電壓為U0，動(dòng)力電池負(fù)母線對地絕緣電阻所分得的電壓為U1。由電路原理有：

式(1)可以作為判斷Rp、Rn大小的依據(jù)，當(dāng)Rp＞Rn時(shí)，式(1)結(jié)果大于1，只需測量Rn的大小，當(dāng)Rp≤Rn時(shí)，結(jié)果小于等于1，只需測量Rp的大小。因此，這種方法可以對正負(fù)母線絕緣電阻下降相等的情況進(jìn)行檢測。

(2)當(dāng)Rp≤Rn通過開關(guān)K1和K0的通斷控制，進(jìn)行Rp的測量。開關(guān)K1閉合，開關(guān)K0斷開，此時(shí)檢測電阻R和電池負(fù)母線的對地絕緣電阻并聯(lián),其目的是讓電池正、負(fù)母線的對地電阻值盡可能地縮小差距，避免U0和U1的電壓值出現(xiàn)很大的偏差，以提高電壓的采樣精度，從而提高絕緣電阻的測量精度。例如當(dāng)正、負(fù)母線的絕緣電阻出現(xiàn)一端下降而另一端為無窮大的情況時(shí)，若R不是與絕緣電阻無窮大的一端并聯(lián)，那么CPU在絕緣電阻下降的一端采到的電壓幾乎為0，最終不能準(zhǔn)確計(jì)算出下降后的絕緣電阻值為多大，在此情況下檢測電路失效。

(3)再次采集A、B兩點(diǎn)的電壓值分別為和。由電路原理有：

結(jié)合式(1)、(2)得出動(dòng)力電池正母線的對地絕緣電阻計(jì)算公式為：

(4)當(dāng)Rp＞Rn時(shí)，通過開關(guān)K1和K0的通斷控制，進(jìn)行Rn的測量。上述步驟(2)變?yōu)殚_關(guān)K0閉合，開關(guān)K1斷開，此時(shí)電阻R和動(dòng)力電池正母線對地絕緣電阻并聯(lián)，通過同樣的方法可計(jì)算出動(dòng)力電池負(fù)母線的對地絕緣電阻。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池絕緣檢測系統(tǒng)主要包括STM32主控單元、電橋單元、電壓轉(zhuǎn)換單元以及聲光報(bào)警單元，檢測系統(tǒng)的電路原理框圖如圖2所示。

圖2　動(dòng)力電池絕緣檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控單元采用ST公司推出的具有ARM核的STM32高性能單片機(jī)，其本身已經(jīng)內(nèi)嵌了16通道的12位高速ADC，這樣可以簡化系統(tǒng)的硬件，主控單元的主要功能是控制電壓采集、繼電器驅(qū)動(dòng)、絕緣電阻計(jì)算程序的正常運(yùn)行。

電橋單元由圖1中K0、K1、R三個(gè)元件組成，在實(shí)際電路中K0、K1采用體積小、性能可靠的干簧管繼電器，通過STM32單片機(jī)控制K0、K1的通斷來改變正、負(fù)母線的對地電壓值。

電壓轉(zhuǎn)換單元可以將動(dòng)力電池正、負(fù)母線對地電阻承受的高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為低壓信號(hào)，該低壓信號(hào)可以直接用單片機(jī)進(jìn)行采集。其中電池正母線電阻對地承受的電壓降壓后，即可直接采集，而電池負(fù)母線電阻對地承受的電壓為負(fù)，除了降壓還需轉(zhuǎn)換電壓的極性。本系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換單元采用差分運(yùn)算放大電路，其中電池負(fù)極的電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3　負(fù)極電壓轉(zhuǎn)換電路

運(yùn)放C及其外圍電阻構(gòu)成差分運(yùn)算放大電路，通過R9、R10、R11、R13、R14、R15來調(diào)節(jié)差分電路的降壓比例，本電路中R10、R11、R14、R15的大小相等，均為2 MΩ，R9、R13的阻值都為1 MΩ。運(yùn)放D為一電壓跟隨器，R12為輸入降壓電阻，阻值為100 kΩ，R16為反饋電阻，阻值為100 kΩ。電壓跟隨器具有輸入電阻大、輸出電阻小的特點(diǎn)，能提高單片機(jī)對電池正、負(fù)母線對地電阻所承受電壓的采集精度。

若B端的電壓為UB，單片機(jī)的電壓采集輸入端PA6的電壓為U，則根據(jù)電路原理可得：

電池正極的電壓轉(zhuǎn)換電路只需將圖3中的B端接地，GND接到圖1中的A點(diǎn)，PA6換成單片機(jī)電壓采集輸入端PA5即可。

該差分運(yùn)算放大電路的主要優(yōu)點(diǎn)是輸入電阻大、電流小，能提高電壓的采樣精度，從而提高絕緣電阻檢測精度。實(shí)際電路中的運(yùn)放采用TL084芯片，其本身具有四路運(yùn)算放大器，一片TL084即可完成電池正、負(fù)母線對地電壓的轉(zhuǎn)換工作。

3　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是基于STM32單片機(jī)的C語言編程，編程是在ARM公司的MDK集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)絕緣檢測周期的確定、電壓采集、繼電器驅(qū)動(dòng)、絕緣電阻計(jì)算等功能。

為了延長干簧管繼電器的開關(guān)壽命，且讓檢測系統(tǒng)的功耗盡可能低，增加純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，實(shí)際的絕緣電阻檢測過程需要和電池管理系統(tǒng)相配合。根據(jù)電池管理系統(tǒng)采集的電流信號(hào)進(jìn)行檢測周期的調(diào)整。另外，檢測周期還需要根據(jù)檢測到的絕緣電阻的變化情況進(jìn)行調(diào)整。具體如下：

(1)當(dāng)電池電流大于零，汽車啟動(dòng)開始行駛，需要加快絕緣檢測的速度，此時(shí)，如果連續(xù)兩次檢測到的絕緣電阻值達(dá)到絕緣標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，檢測周期為30 s一次，連續(xù)兩次檢測到絕緣電阻低于絕緣標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，報(bào)警并且把檢測周期設(shè)為每1 s檢測一次。

(2)當(dāng)電池電流小于等于零時(shí)，汽車沒有啟動(dòng)，處于停止或充電狀態(tài)，不需要快速檢測絕緣狀況，此時(shí)，當(dāng)連續(xù)兩次檢測到的絕緣電阻值達(dá)到絕緣標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，檢測周期為30 min一次，連續(xù)兩次檢測到的絕緣電阻低于絕緣標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，報(bào)警并且把檢測周期設(shè)為每分鐘檢測一次。程序第一次執(zhí)行時(shí)設(shè)置的檢測周期為1 s。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18384.1-2001，要求純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池絕緣電阻值至少為100 Ω/V，最好在500 Ω/V以上[7]。本設(shè)計(jì)將以此為標(biāo)準(zhǔn)來衡量動(dòng)力電池的絕緣狀況。

軟件系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

圖4　絕緣檢測系統(tǒng)程序流程圖

4　系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的絕緣檢測系統(tǒng)的有效性，搭建了實(shí)際的測試系統(tǒng)，包括4節(jié)動(dòng)力電池，STM32控制模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊和電橋報(bào)警顯示模型，如圖5所示。

圖5　實(shí)際硬件測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用4節(jié)12 V磷酸鐵鋰電池組來模擬汽車的動(dòng)力電池，10～150 kΩ范圍內(nèi)的直插電阻模擬動(dòng)力電池正、負(fù)母線的絕緣電阻。

實(shí)驗(yàn)分兩種情況進(jìn)行，分別為：(1)正、負(fù)母線絕緣電阻都下降；(2)正、負(fù)母線只有一端絕緣電阻下降，另一端為無窮大。表1為檢測絕緣電阻的阻值和實(shí)際阻值的對比結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車絕緣電阻檢測系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵卣⒇?fù)母線出現(xiàn)的多種絕緣狀況進(jìn)行檢測，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)得出此檢測系統(tǒng)的絕緣電阻測量誤差控制在5%以內(nèi)，能夠滿足純電動(dòng)汽車的絕緣檢測要求。

表1　實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

5　結(jié)論

針對目前純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池絕緣檢測系統(tǒng)檢測精度低、電路復(fù)雜的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的絕緣檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用兩個(gè)開關(guān)和一個(gè)采樣電阻進(jìn)行絕緣電阻的檢測，檢測電路簡單。利用實(shí)際的動(dòng)力電池進(jìn)行絕緣檢測系統(tǒng)的測試，測試結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)可以對動(dòng)力電池的各種絕緣狀況進(jìn)行檢測，檢測精度小于5%。

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[7]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢測檢疫總局.GB/T18384.1-2001電動(dòng)汽車安全要求第一部分：車載儲(chǔ)能裝置[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

Design and realization of an insulation detection system for pure electric vehicle power battery

ZHANG Jin,ZHANG Xiang-wen
(School of Electrical Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

A new insulation detection system for the electric vehicle power battery was designed,and the detection system principle and the hardware and software design process were introduced in this paper.The STM32 microcontroller was used as the main chip,and reed relays,sampling resistor,differential voltage acquisition circuit was used to detect the insulation resistance of the power battery.The system was tested with 12 V LiFePO4batteries for a variety of insulation condition.The test results show that the insulation resistance measurement error is within 5%,therefore,and the designed insulation detection system can meet the insulation detection requirements for the pure electric vehicle power battery.

detection system;power battery;insulation resistance;pure electric vehicles

TM 912

A

1002-087 X(2016)10-1946-04

2016-03-11

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)課題(桂科重1348003-4);廣西自動(dòng)檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(YQ14111)

張進(jìn)(1888—)，男，湖南省人，碩士，主要研究方向?yàn)榧冸妱?dòng)汽車動(dòng)力電池管理。