電動汽車動力電池絕緣檢測系統的設計與實現

張　進，張向文

(桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林541004)

電動汽車動力電池絕緣檢測系統的設計與實現

張進，張向文

(桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林541004)

設計了一種新型的純電動汽車動力電池絕緣檢測系統，介紹了該檢測系統檢測原理及硬件電路與軟件設計流程。該系統以STM32單片機為主控芯片，采用干簧管繼電器、采樣電阻、差分電壓采集電路對動力電池的絕緣電阻進行實時的檢測。利用該系統對4節12 V磷酸鐵鋰電池的各種絕緣狀況進行測試，測試結果表明，絕緣電阻測量誤差可以控制在5%以內，因此，設計的絕緣檢測系統可以滿足純電動汽車動力電池的絕緣檢測要求。

檢測系統；動力電池；絕緣電阻；純電動汽車

為了解決環境污染和石油危機等全球性難題，純電動汽車得到了快速的發展。純電動汽車一般采用鋰電池作為動力電池，其電池組的電壓通常都在200 V以上[1]，這樣的電壓已遠遠超出了人體所能承受的安全范圍。純電動汽車在日常使用過程中，潮濕、振動、暴曬等惡劣的環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。當電池的正、負母線與車體發生漏電時，將直接危害到駕駛員和乘客的人身安全，因此，準確地對純電動汽車動力電池的絕緣狀況進行檢測，當絕緣性能下降時，及時報警，對提高電動汽車的安全性具有至關重要的作用。

動力電池正、負母線對地絕緣電阻的大小是衡量純電動汽車絕緣狀況的重要標志[2]，對動力電池的絕緣狀況進行檢測實際是對電池正、負母線對地絕緣電阻的大小進行測量。國內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，當電池正、負母線對地的絕緣電阻值下降相等時，電橋依然平衡，因此，這種電橋檢測方法失效。隨后出現的低頻信號注入法[4]，通過低頻交流小信號注入電池兩端，能夠對正、負母線的絕緣電阻值下降相等的情況進行檢測，但是交流信號的注入不僅增大了直流供電系統的紋波系數，影響供電質量，而且交流信號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信號控制隔離變壓器，分別給電池正、負母線與車體之間注入高壓直流信號，進行絕緣電阻的測量。這種方法利用直流高壓進行絕緣電阻的檢測，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，電路結構復雜且PWM波的穩定性也存在質疑。

為了解決目前純電動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，然后進行絕緣檢測系統的硬件設計和軟件設計，最后，通過實際的動力電池，對這種絕緣檢測系統進行實驗測試，驗證設計系統的有效性。

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點的電壓正比于正母線對地的電阻值，B點的電壓正比于負母線對地的電阻值，通過控制開關K0和K1的通斷可以改變A、B點的電壓。由于A點的電壓很高，單片機不能直接進行AD采樣，所以需要降壓，而B點的電壓為負，不僅需要降壓，還需要轉換電壓的極性后，單片機才能進行AD采樣，最后根據單片采樣的電壓值可以計算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，動力電池的正、負母線都有對地絕緣電阻值，但在進行絕緣檢測時，不需要對兩個值都進行測量，只需測量它們中較小的一個即可，把它們中較小的值作為純電動汽車動力電池的絕緣電阻值。

下面將結合原理框圖，對本設計工作原理進行清楚、完整地描述。

(1)首先K0、K1斷開，此時測得動力電池正母線對地絕緣電阻所分得的電壓為U0，動力電池負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，當Rp＞Rn時，式(1)結果大于1，只需測量Rn的大小，當Rp≤Rn時，結果小于等于1，只需測量Rp的大小。因此，這種方法可以對正負母線絕緣電阻下降相等的情況進行檢測。

(2)當Rp≤Rn通過開關K1和K0的通斷控制，進行Rp的測量。開關K1閉合，開關K0斷開，此時檢測電阻R和電池負母線的對地絕緣電阻并聯,其目的是讓電池正、負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。例如當正、負母線的絕緣電阻出現一端下降而另一端為無窮大的情況時，若R不是與絕緣電阻無窮大的一端并聯，那么CPU在絕緣電阻下降的一端采到的電壓幾乎為0，最終不能準確計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兩點的電壓值分別為和。由電路原理有：

結合式(1)、(2)得出動力電池正母線的對地絕緣電阻計算公式為：

(4)當Rp＞Rn時，通過開關K1和K0的通斷控制，進行Rn的測量。上述步驟(2)變為開關K0閉合，開關K1斷開，此時電阻R和動力電池正母線對地絕緣電阻并聯，通過同樣的方法可計算出動力電池負母線的對地絕緣電阻。

2　硬件系統設計

純電動汽車動力電池絕緣檢測系統主要包括STM32主控單元、電橋單元、電壓轉換單元以及聲光報警單元，檢測系統的電路原理框圖如圖2所示。

圖2　動力電池絕緣檢測系統結構框圖

主控單元采用ST公司推出的具有ARM核的STM32高性能單片機，其本身已經內嵌了16通道的12位高速ADC，這樣可以簡化系統的硬件，主控單元的主要功能是控制電壓采集、繼電器驅動、絕緣電阻計算程序的正常運行。

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

電壓轉換單元可以將動力電池正、負母線對地電阻承受的高電壓信號轉化為低壓信號，該低壓信號可以直接用單片機進行采集。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，而電池負母線電阻對地承受的電壓為負，除了降壓還需轉換電壓的極性。本系統的電壓轉換單元采用差分運算放大電路，其中電池負極的電壓轉換電路如圖3所示。

圖3　負極電壓轉換電路

運放C及其外圍電阻構成差分運算放大電路，通過R9、R10、R11、R13、R14、R15來調節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，能提高單片機對電池正、負母線對地電阻所承受電壓的采集精度。

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

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

該差分運算放大電路的主要優點是輸入電阻大、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。實際電路中的運放采用TL084芯片，其本身具有四路運算放大器，一片TL084即可完成電池正、負母線對地電壓的轉換工作。

3　軟件系統設計

本系統的軟件設計主要是基于STM32單片機的C語言編程，編程是在ARM公司的MDK集成開發環境下進行的。整個軟件系統采用模塊化設計，以實現絕緣檢測周期的確定、電壓采集、繼電器驅動、絕緣電阻計算等功能。

為了延長干簧管繼電器的開關壽命，且讓檢測系統的功耗盡可能低，增加純電動汽車的續航里程，實際的絕緣電阻檢測過程需要和電池管理系統相配合。根據電池管理系統采集的電流信號進行檢測周期的調整。另外，檢測周期還需要根據檢測到的絕緣電阻的變化情況進行調整。具體如下：

(1)當電池電流大于零，汽車啟動開始行駛，需要加快絕緣檢測的速度，此時，如果連續兩次檢測到的絕緣電阻值達到絕緣標準時，檢測周期為30 s一次，連續兩次檢測到絕緣電阻低于絕緣標準時，報警并且把檢測周期設為每1 s檢測一次。

(2)當電池電流小于等于零時，汽車沒有啟動，處于停止或充電狀態，不需要快速檢測絕緣狀況，此時，當連續兩次檢測到的絕緣電阻值達到絕緣標準時，檢測周期為30 min一次，連續兩次檢測到的絕緣電阻低于絕緣標準時，報警并且把檢測周期設為每分鐘檢測一次。程序第一次執行時設置的檢測周期為1 s。

根據國家標準GB/T 18384.1-2001，要求純電動汽車的動力電池絕緣電阻值至少為100 Ω/V，最好在500 Ω/V以上[7]。本設計將以此為標準來衡量動力電池的絕緣狀況。

軟件系統的程序流程圖如圖4所示。

圖4　絕緣檢測系統程序流程圖

4　系統測試

為了驗證設計的絕緣檢測系統的有效性，搭建了實際的測試系統，包括4節動力電池，STM32控制模塊、電壓轉換模塊和電橋報警顯示模型，如圖5所示。

圖5　實際硬件測試系統

實驗采用4節12 V磷酸鐵鋰電池組來模擬汽車的動力電池，10～150 kΩ范圍內的直插電阻模擬動力電池正、負母線的絕緣電阻。

實驗分兩種情況進行，分別為：(1)正、負母線絕緣電阻都下降；(2)正、負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際阻值的對比結果。

實驗結果表明，設計的純電動汽車絕緣電阻檢測系統能夠對電池正、負母線出現的多種絕緣狀況進行檢測，根據表1的數據得出此檢測系統的絕緣電阻測量誤差控制在5%以內，能夠滿足純電動汽車的絕緣檢測要求。

表1　實驗測試結果

5　結論

針對目前純電動汽車動力電池絕緣檢測系統檢測精度低、電路復雜的問題，設計了一種新型的絕緣檢測系統。該系統利用兩個開關和一個采樣電阻進行絕緣電阻的檢測，檢測電路簡單。利用實際的動力電池進行絕緣檢測系統的測試，測試結果表明，該檢測系統可以對動力電池的各種絕緣狀況進行檢測，檢測精度小于5%。

[1]潘磊,姜久春,李景新,等.電動汽車智能無源接地檢測裝置的研究[J].電氣傳動自動化,2003,25(4):47-49.

[2]畢路,魏學哲,孫澤昌.基于FPGA的電動汽車漏電保護裝置的設計[J].電源技術,2007,31(8):651-654.

[3]卓斌,樊曉松,陸珂偉.電動汽車高壓直流電絕緣檢測電路:中國, CN1634724[P].2005-07-06.

[4]王瑞祥,劉峰,熊小伏,等.變電站直流電源絕緣在線檢測新方法[J].電力自動化設備,2009,29(12):65-66.

[5]王佳悅,張維戈,溫家鵬,等.電動汽車有源式絕緣檢測方法研究[J].電測與儀表,2011(5):6-9.

[6]周晨,胡社教,沙偉,等.電動汽車絕緣電阻有源檢測系統[J].電子測量與儀器學報,2013,27(57):409-414.

[7]中華人民共和國國家質量監督檢測檢疫總局.GB/T18384.1-2001電動汽車安全要求第一部分：車載儲能裝置[S].北京:中國標準出版社,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

廣西科學研究與技術開發課題(桂科重1348003-4);廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室基金(YQ14111)

張進(1888—)，男，湖南省人，碩士，主要研究方向為純電動汽車動力電池管理。