動(dòng)力電池絕緣電阻檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李恒　涂浡　馬季軍

摘? 要：文章提出一種動(dòng)力電池絕緣電阻檢測系統(tǒng)，采用外接電阻切換測量法設(shè)計(jì)絕緣電阻檢測系統(tǒng)，搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)電池組絕緣電阻進(jìn)行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)可以正確測量1kΩ到300kΩ之間的絕緣電阻，檢測誤差均在7%以下，精度滿足實(shí)際工程需要，用電設(shè)備絕緣失效時(shí)及時(shí)提供預(yù)警，提高用電設(shè)備安全性能。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;絕緣電阻;正負(fù)母線

中圖分類號(hào)：TM933? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）21-0083-03

Abstract： In this paper， a power battery insulation resistance detection system is proposed， which adopts the external resistance switching measurement method to design the insulation resistance detection system and build an experimental test platform， in order to test the insulation resistance of the battery pack. The results show that the system can correctly measure the insulation resistance between 1kΩ and 300kΩ， the detection error is less than 7%， the accuracy meets the actual engineering needs and improves the safety performance of power equipment.

Keywords： power battery; insulation resistance; positive and negative buses

引言

相對(duì)于化石能源來講，動(dòng)力電池具有節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電站、航天器等領(lǐng)域。電動(dòng)汽車電池組電壓高達(dá)300-600V，近年來低軌大型航天器母線電壓也逐漸升高至100V左右[1]，電壓遠(yuǎn)超人體安全電壓。設(shè)備惡劣工作環(huán)境、內(nèi)部絕緣故障等因素均會(huì)導(dǎo)致絕緣老化甚至擊穿[2-4]，動(dòng)力電池絕緣電阻檢測是亟待解決的問題。本文采用外接電阻切換測量法設(shè)計(jì)了一套動(dòng)力電池絕緣檢測系統(tǒng)。

1 絕緣檢測原理分析

動(dòng)力電池絕緣電阻即正、負(fù)母線對(duì)地最大漏電流對(duì)應(yīng)的阻抗。外接電阻切換測量原理如圖1所示，RP、RN分別表示電池正極、負(fù)極與接地點(diǎn)之間漏電流或短路電流的等效電阻。R1、R2分別為可以并聯(lián)在正、負(fù)母線對(duì)地標(biāo)準(zhǔn)電阻，K1、K2、K3、K4為四個(gè)繼電器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

絕緣電阻檢測系統(tǒng)可分為以下幾個(gè)部分：電源模塊、MC9S08DZ60單片機(jī)最小系統(tǒng)、光耦繼電器控制模塊、電壓采樣電路以及液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用飛思卡爾公司的MC9S08DZ60單片機(jī)作為CPU，提供I/O端口控制繼電器狀態(tài)，具有AD芯片，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)本款單片機(jī)具有計(jì)算功能，將讀取的數(shù)據(jù)計(jì)算得到絕緣電阻。

2.2.2 電源系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)電源為12V，電源模塊LM7805將12V變換為5V，為單片機(jī)、液晶驅(qū)動(dòng)電路供電。電源模塊A1212S-1WR2將+12V電壓轉(zhuǎn)換為±12V，為霍爾電壓傳感器CHV-25P、運(yùn)算放大器供電。單片機(jī)AD模塊讀取電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，選用LM1117模塊將+12V轉(zhuǎn)換為+5V作為AD模塊的基準(zhǔn)源。

2.2.3 電壓采集電路

霍爾電壓傳感器CHV-25P將高電壓轉(zhuǎn)化為單片機(jī)AD端口可以讀取的0-5V電壓，采用運(yùn)放LM358對(duì)電壓進(jìn)行跟隨與隔離。

2.2.4 光耦繼電器控制電路

系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)電阻與正、負(fù)母線對(duì)地電阻并聯(lián)，采用光耦繼電器AQZ102作為控制開關(guān)，可以由MC9S08DZ60單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)。

2.2.5 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路

將單片機(jī)計(jì)算得到的絕緣電阻值顯示在液晶屏幕上，選用LCD12864作為液晶顯示模塊。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序的編寫在Codewarrior環(huán)境下進(jìn)行，系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

如圖4所示，采用精密電阻模擬汽車正負(fù)、母線對(duì)地電阻，采用300k、100k、50k、34k、20k、12k、5.1k、1k等8種電阻做成電阻排，跳線帽作為開關(guān)切換模擬電阻。試驗(yàn)檢測平臺(tái)如圖5所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

用跳線帽選擇電阻排中電阻模擬絕緣電阻，接通檢測系統(tǒng)電源，記錄液晶屏顯示的絕緣電阻值，正極模擬對(duì)地電阻一定時(shí)，改變負(fù)極模擬對(duì)地電阻，對(duì)動(dòng)力電池的絕緣電阻進(jìn)行測量。正極對(duì)地電阻為1kΩ時(shí)，改變負(fù)極接地電阻，絕緣電阻檢測結(jié)果如表1所示。

正極對(duì)地電阻為5.1kΩ時(shí)，改變負(fù)極接地電阻，絕緣電阻檢測結(jié)果如表2所示。

正極對(duì)地電阻為12kΩ時(shí)，改變負(fù)極接地電阻，絕緣電阻檢測結(jié)果如表3所示。

正極對(duì)地電阻為20kΩ時(shí)，改變負(fù)極接地電阻，絕緣電阻檢測結(jié)果如表4所示。

正極對(duì)地電阻為50kΩ時(shí)，改變負(fù)極接地電阻，絕緣電阻檢測結(jié)果如表5所示。

4 結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可以看出絕緣電阻檢測系統(tǒng)性能良好。經(jīng)過試驗(yàn)測試，可驗(yàn)證本系統(tǒng)可以正確測量1kΩ到300kΩ之間的絕緣電阻，絕緣電阻檢測誤差均在7%以下，系統(tǒng)準(zhǔn)確度高。當(dāng)動(dòng)力電池正、負(fù)母線對(duì)地電阻相差較大時(shí)準(zhǔn)確度相對(duì)較高，符合實(shí)際用電設(shè)備漏電情況，即出現(xiàn)故障大多是正母線或者負(fù)母線中的一極發(fā)生漏電，而兩極同時(shí)漏電概率較小。本系統(tǒng)精度可以滿足實(shí)際工程需要，保證用電設(shè)備用電安全性，同時(shí)可以驗(yàn)證外接電阻切換測量絕緣電阻原理的正確性。

參考文獻(xiàn)：

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