基于不平衡電橋方法的電動汽車絕緣檢測方法設計

呂洲

摘要：本文設計了一種可以在線實時監測電動汽車絕緣狀況，并且可以對不同的絕緣狀況進行預判并自動調整絕緣電阻的計算策略，同時可發出不同等級告警信息的絕緣電阻在線監測系統。

[關鍵詞]雙邊不平衡橋電動汽車絕緣檢測

1前言

純電動汽車或復合動力電動汽車采用動力電池作為系統的動力來源。根據不同的類型，電動汽車中動力電池的電壓等級從144V至576V。動力電池通過高壓保證在提供滿足，需求的功率輸出的同時，降低高壓用電設備如電動機的工作電流，以降低線損和相關高壓設備的線纜直徑要求。電動汽車是一個復雜的機電一體化設備，由于其經常運行于公共生活和工作環境中，惡劣的使用工況容易造成高壓動力電纜絕緣層的老化現象，造成其相對于電動汽車搭鐵共地底盤的絕緣程度降低。一旦造成一點或多點接地，便可能會造成危機人身安全的觸電事故，短路失火事故以及車輛失控等嚴重后果。

當前使用較多的絕緣電阻檢測方法有輔助電源法和電流傳感器法、雙邊不平衡橋檢測法、單邊不平衡橋法以及低頻交流注入檢測法，其中基于輔助電源法需要外加電源至母線與車體之間，操作復雜且需要額外的附加電源，電流傳感器法只能在系統啟動并且帶載之后才可以做絕緣電阻檢測，文獻[5]中使用IGBT作為開關管，并且采樣誤差高達7%，沒有實現不平衡橋的自適應功能。低頻交流注入檢測法在絕緣狀況下降時，會出現注入信號的泄露現象，造成對注入信號檢測的不準確。

2電動汽車絕緣檢測原理與設計

電動汽車中高壓母線絕緣電阻

絕緣電阻是用電阻這一物理量來描述絕緣體的導電性能，用來衡量介質絕緣性能的好壞，正常情況下絕緣電阻的阻值兆歐數量級。絕緣電阻越高，則絕緣體對外界的漏電流越小，系統的安全性就越高。電動汽車中整個車架和底盤是一個聯通的導體，因此定義動力電池母線的絕緣電阻為正負母線對整車車體的等效電阻;而通過動力電池母線的絕緣性能來反映動力整車高壓系統絕緣性能的好壞。電動汽車中高壓供電回路示意圖如圖1所示。高壓供電回路中正負母線任意一點出現絕緣故障將導致整條母線出現絕緣故障，在檢測絕緣電阻時需分別檢測正母線對地的絕緣電阻和負母線對地的絕緣電阻。

電動汽車中絕緣電阻的要求

電動汽車的推薦國標《GBT18384.1-2015電動汽車安全要求》對絕緣電阻的要求，不同電壓等級的動力電池組對應不同的絕緣電阻要求，如表1所示。在實際使用中，此絕緣告警等級應由整車廠根據整車實際情況配置。

系統設計目標

（1）可檢測出10K至500K范圍內的絕緣電阻。

（2）絕緣電阻的檢測誤差在全檢測范圍內應小于2%。

檢測原理與實現

絕緣阻抗測試原理：利用不平衡橋電壓法測量正負母線的等效對地阻抗，通過使用光電開關控制不平衡電阻加入絕緣電阻檢測電路，可以有效檢測出正負母線同時對地發生絕緣度降低的工況，提高檢測系統的檢測精度。

自適應原理：系統在進行絕緣電阻計算之前，先通過對動力電池正負母線對車體底盤的電壓差進行比較，通過電壓差值確定開關不平衡橋的開關策略，以實現不平衡電阻加在絕緣狀況相對較好的一側，以提交系統的分壓采樣精度。

系統的等效模型如下圖所示，其中正母線接動力電池的正極輸出電纜，負母線接負極輸出電纜，R+和R.為被測絕緣電阻，R為不平衡橋電阻。定義正負母線的壓差絕對值為U。

采樣時采集母線負對地電壓Up和母線電壓Um，即可計算出母線正對地電壓Up+，即：

測量策略中包含三種情況：

（1）母線正對地電壓和母線負對地電壓的壓差在U。以內，可近似認為系統正對地絕緣電阻和負對地絕緣電阻相差不大，采用二次開關檢測方法，如圖2所示。

其中R為400KS2不平衡橋電阻，對正負母線各自接入一個;K+、K-為光繼電器，通過程序控開關K+和K-的開關時序，當K+閉合K-斷開時，可測正母線對地電壓Up+，當K+斷開K-閉合時，可測負母線對地電壓

Un-，正負母線電壓為Um，

根據電阻分壓可做如下計算：

（2）正母線對地電壓小于負母線對地電

壓且壓差超過U。時（即R+小于R-一定值）為了提高電壓測量精度，可以閉合K，采得母線負對地電壓得到U。n1-，母線正對地電壓Up1+，同時當K+和K.同時斷開時，測得母線負對地電壓U，母線正對地電壓Up+，可得公式3。

（3）正母線對地電壓大于負母線對地電

壓且壓差超過U。時（即R+小于R-一定值）為了提高電壓測量精度，可以閉合K+，采得母線負對地電壓得到Un1，母線正對地電壓Up1+，，同時當K+和K-同時斷開時，測得母線負對地電壓Un.，母線正對地電壓Up+，可得公式4。

實際電路中，可能存在常連接的平衡橋正負母線對地電阻，本系統中使用500K電阻（設母線正對地常連接電阻為R，母線負對地長簡介電阻為R、），此時的R，和R.可以看做是常連接的平衡橋電阻與外部實際絕緣電阻的并聯電阻。可進一步求出實際的正負母線對地絕緣電阻，如下公式所示5所示：

本系統按照上述檢測原理對系統的兩個光繼電器開關進行控制，同時采樣母線負對地電壓和母線電壓，帶入公式3和公式4、5，即實現對外加絕緣電阻的計算。

3系統測試

本系統目前已集成于廣州港科大技術有限公司自主研發的動力電池BMS系統，本系統在上述BMS動力電池檢測試驗臺，上進行了不同等級的絕緣電阻的測試。測試所使用高壓電源是車用32650動力鋰電池組，輸出電壓為220V，在電源正、負極與模擬底盤之間連接不同阻值的電阻，以模擬待測的絕緣電阻。通過對不同工況的模擬測試，獲得測試數據如下。

3.1測試結果統計

如表2所示。

3.2測試精度曲線

如圖3、圖4所示。

4結論

本文針對當前電動汽車絕緣檢測技術存在的不足，改進并設計了一種基于雙邊不平衡橋的電動汽車高精度絕緣檢測系統。經過測試，本系統可運行于不同的模擬運行工況下如加速、減速、平穩運行以及停車，在線絕緣電阻檢測系統均可實時準確的檢測出實際的外加絕緣電阻，并且系統可可靠穩定工作，測量誤差在+2%以內，滿足設計要求。本系統目前已成功應用于由廣州港科大技術有限公司設計的電動汽車動力電池組BMS管理系統，在實際使用和測試中工作穩定，測量結果準確，滿足了電動汽車動力電池高壓絕緣檢測的需求。

參考文獻

[1]黃勇，陳全世，陳伏虎，電動汽車電氣絕緣檢測方法的研究[J].現代制造工程，2005，27（04）：93-95.

[2]張銳，張維戈，文峰，一種電動汽車絕緣性能的測量[J].應用天地，2007，26（10）：62-64

[3]吳振軍，王麗芳，電動汽車智能在線絕緣檢測裝置研究[J].低壓電器，2009，50（05）：20-22.

[4]楊為，謝永芳，胡志坤，高壓動力電池組絕緣性能的實時監測研究[J].計算技術與自動化，2015，34（03）：55-59.

[5]郭宏榆，姜久春，溫家鵬，王嘉悅。新型電動汽車絕緣檢測方法研究[J].電子測量與儀器學報，2011，25（03）：253-257.