動力電池絕緣電阻檢測系統設計

李恒　涂浡　馬季軍

摘? 要：文章提出一種動力電池絕緣電阻檢測系統，采用外接電阻切換測量法設計絕緣電阻檢測系統，搭建試驗平臺對電池組絕緣電阻進行測試，結果表明系統可以正確測量1kΩ到300kΩ之間的絕緣電阻，檢測誤差均在7%以下，精度滿足實際工程需要，用電設備絕緣失效時及時提供預警，提高用電設備安全性能。

關鍵詞：動力電池;絕緣電阻;正負母線

中圖分類號：TM933? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：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

相對于化石能源來講，動力電池具有節能、環保、高效等優點，其廣泛應用于電動汽車、儲能電站、航天器等領域。電動汽車電池組電壓高達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]，電壓遠超人體安全電壓。設備惡劣工作環境、內部絕緣故障等因素均會導致絕緣老化甚至擊穿[2-4]，動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計了一套動力電池絕緣檢測系統。

1 絕緣檢測原理分析

動力電池絕緣電阻即正、負母線對地最大漏電流對應的阻抗。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、負極與接地點之間漏電流或短路電流的等效電阻。R1、R2分別為可以并聯在正、負母線對地標準電阻，K1、K2、K3、K4為四個繼電器。

2 系統設計

2.1 系統總體設計

絕緣電阻檢測系統可分為以下幾個部分：電源模塊、MC9S08DZ60單片機最小系統、光耦繼電器控制模塊、電壓采樣電路以及液晶顯示驅動電路，系統總體框圖如圖2所示。

2.2 系統硬件設計

2.2.1 單片機系統

系統采用飛思卡爾公司的MC9S08DZ60單片機作為CPU，提供I/O端口控制繼電器狀態，具有AD芯片，將模擬電壓信號轉化為數字信號，同時本款單片機具有計算功能，將讀取的數據計算得到絕緣電阻。

2.2.2 電源系統

檢測系統電源為12V，電源模塊LM7805將12V變換為5V，為單片機、液晶驅動電路供電。電源模塊A1212S-1WR2將+12V電壓轉換為±12V，為霍爾電壓傳感器CHV-25P、運算放大器供電。單片機AD模塊讀取電壓信號轉化為數字信號，選用LM1117模塊將+12V轉換為+5V作為AD模塊的基準源。

2.2.3 電壓采集電路

霍爾電壓傳感器CHV-25P將高電壓轉化為單片機AD端口可以讀取的0-5V電壓，采用運放LM358對電壓進行跟隨與隔離。

2.2.4 光耦繼電器控制電路

系統中標準電阻與正、負母線對地電阻并聯，采用光耦繼電器AQZ102作為控制開關，可以由MC9S08DZ60單片機I/O端口驅動。

2.2.5 液晶顯示驅動電路

將單片機計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 系統軟件設計

系統程序的編寫在Codewarrior環境下進行，系統程序框圖如圖3所示。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建

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

3.2 試驗結果

用跳線帽選擇電阻排中電阻模擬絕緣電阻，接通檢測系統電源，記錄液晶屏顯示的絕緣電阻值，正極模擬對地電阻一定時，改變負極模擬對地電阻，對動力電池的絕緣電阻進行測量。正極對地電阻為1kΩ時，改變負極接地電阻，絕緣電阻檢測結果如表1所示。

正極對地電阻為5.1kΩ時，改變負極接地電阻，絕緣電阻檢測結果如表2所示。

正極對地電阻為12kΩ時，改變負極接地電阻，絕緣電阻檢測結果如表3所示。

正極對地電阻為20kΩ時，改變負極接地電阻，絕緣電阻檢測結果如表4所示。

正極對地電阻為50kΩ時，改變負極接地電阻，絕緣電阻檢測結果如表5所示。

4 結論

根據以上試驗結果，可以看出絕緣電阻檢測系統性能良好。經過試驗測試，可驗證本系統可以正確測量1kΩ到300kΩ之間的絕緣電阻，絕緣電阻檢測誤差均在7%以下，系統準確度高。當動力電池正、負母線對地電阻相差較大時準確度相對較高，符合實際用電設備漏電情況，即出現故障大多是正母線或者負母線中的一極發生漏電，而兩極同時漏電概率較小。本系統精度可以滿足實際工程需要，保證用電設備用電安全性，同時可以驗證外接電阻切換測量絕緣電阻原理的正確性。

參考文獻：

[1]陳啟忠.低軌道高壓電源系統關鍵技術研究[D].國防科學技術大學，2012.

[2]王錦忠.電動汽車絕緣性能檢測裝置的研制[D].北京交通大學，2007.

[3]Zhou C， Hu S， Sha W， et al. Active detection system of insulation resistance in electric vehicle[J]. Journal of Electronic Measurement & Instrument. 2013，27（5）：409-414.

[4]張強.電動汽車絕緣監測設備研究與開發[D].中國科學技術大學，2019.