電動車動力電池組緣檢測系統設計與實現

許林，李華，蔣小輝

（四川信息職業技術學院，四川廣元，628040）

0 引言

為解決全球性環境污染和石油危機等重大挑戰，電動汽車領域經歷了迅速發展。動力電池系統作為電動汽車的主要能量來源，通常其電壓往往高于36V，甚至達到數百伏特，這遠遠超過了人體安全的電壓承受范圍[1]。因此，確保動力電池系統和整車之間保持良好的電氣絕緣狀態顯得至關重要。然而，電動汽車作為一種復雜的機電一體化產品，經常使用在惡劣的環境條件下，如潮濕、干燥、高溫、低溫、沙塵等環境，這極易導致電池系統內部線束的老化和外皮破損，從而降低車身與電池系統的絕緣安全性[2]。因此，精確評估電動汽車動力電池系統的絕緣狀況，對提高電動汽車的安全性具有至關重要的意義。

目前，針對絕緣電阻的檢測有多種方法，主要包括低頻信號注入法和電橋法[3]。低頻信號注入法原理是在絕緣檢測的時候在電池系統中主動注入低頻交流電信號，從而實現絕緣狀態的檢測。該方法不僅容易受到電池外殼分布電容的影響，也容易受到外部環境干擾信號的影響。此外，注入的低頻交流信號也可能進一步干擾其他檢測電路的正常運行。在國內大部分電動汽車動力電池儲能系統中的絕緣檢測依舊采用的是GB/T 18384.1 中給定的電橋法。電橋法也根據應用場景的不同而得到了不同程度的優化，從而演變出多種拓撲結構，如平衡橋法、雙橋法、乒乓橋法和平衡橋法等[4]。

本文主要針對當前動力電池組絕緣檢測精度低、可靠性差、無法定位電池組內部絕緣故障點等問題，設計提出一款改進式的基于STM32 的動力電池絕緣檢測系統，該系統能夠能快速、準確地實現動力電池系統絕緣狀態的檢測，并可精準定位電池組內部單點絕緣故障的位置。

1 絕緣檢測電路原理

對于動力電池系統而言，人員最容易直接接觸或間接接觸動力電池組的高壓正極、負極與車身（殼體），如果能做到人員觸碰到車身任意一點時絕緣性能都足夠好，那么電池系統的應用安全性就可以得以保證[5]。由于傳統的平衡電橋和非平衡電橋絕緣電阻檢測電路僅能單一的檢測絕緣電阻值，若發生絕緣故障，其無法定位具體故障的位置。為了實現在檢測絕緣電阻的同時有效定位單點絕緣故障位置，利用了由基本平衡電橋法改進而來的切換電橋法，其檢測電路原理如圖1 所示。

圖1 絕緣檢測理論電路圖

在圖1 中，aV表示電池當前環境狀態的總電壓。iR表示設定待求絕緣電阻值，即電池系統與車身的絕緣狀態量化參考值。BV表示待求電池故障節點電壓值，若發生絕緣不良，該電壓參數用于定電池組絕緣不良具體位置。Vm,x與Vm,a為電橋法電壓測量點。aR、bR、cR、dR為外加給定輔助電阻。由電阻分壓原理可計算電池當前時刻的總電壓為：

其中Vm,a為該時刻電池電壓在bR上所分得的電壓值。其絕緣電阻檢測步驟為：

步驟一：控制K1 閉合，K2 打開時，即x=1 時，由基爾霍夫電流定律可得：

步驟二：控制K1 打開，K2 閉合時，即x=2 時，由基爾霍夫電流定律可得：

為簡化計算過程，令：Rb= 1、Rc=R、Ra=Rd=2R，R 為在實際工程應用中選用的合適電阻值。聯立式(1)、式(2)、式(3)。最終待求電壓值VB與絕緣電阻值Ri如式(4)與式(5)所示：

若系統檢測電池系統絕緣不良，則電池系統絕緣不良位置Bnum為：

2 絕緣檢測系統硬件設計

絕緣檢測系統硬件單元，主要包括以STM32 為核心得主控單元、電源模塊電路、切換非平衡橋電路、電壓信號采集與轉換電路。其中主控芯片采用意法半導體（ST）公司開發的一款高性能，基于ARM Cortex-M0 內核的32 位微控制器，工作頻率高達64MHz，型號為STM32G0B1VET6，該處理器廣泛應用于消費、工業領域的廣泛應用和設備等領域，該模塊主要包括了芯片最小系統電路，工作指示燈電路，以及相關接口調試電路等[6]。

2.1 DC/DC 電源轉換電路設計

如圖2 所示，為12V 輸出的DC/DC 電源轉換模塊電路，其中F1 為貼片式保險絲，防止大電流損壞元器件。D1 為瞬態抑制二極管（TVS），利用其器件的非線性特性來保護后級電子線路中的精密元器件。U1 為共模濾波器，抑制兩個信號線的共模干擾，提高電源電路電磁兼容性，即提高EMC 能力。Q2 是采用P 溝道MOSFET 設計形成電源開關控制電路，主要用于電源的控制，以達到降低系統功耗的作用。圖中大容值電容主要用于濾除低頻干擾噪聲，小容值電容主要用于濾除高頻干擾噪聲。并聯多個不同電容值的電容，主要降低電容ESR 的效應，使得濾波效果更好。以U2 為核心的是為DC/DC 變換電路，其中DC/DC 降壓型恒壓恒流控制器采用H6205L，在設置其最大輸出電流時，主要通過修改CS 引腳和VSS 腳之間的電阻來設置，輸出電流值如式(6)所示，由電阻R11與R12決定。

圖2 DC/DC 電源轉換電路

除需12V 電源以外，還需要5V 電壓與3.3V 電壓。其中5V 電源主要用于對典型芯片的供電，以及電源隔離電路的運用，3.3V主要用于MCU 主控芯片的供電。對于12V轉5V 電路，本設計主要采用DC/DC 穩壓芯片，其型號為SY8291ABC。該芯片其輸入電壓范圍在5V 至40V，且能夠提供最大1.2A 的電流輸出。5V 轉3.3V 是采用低壓差線性穩壓器（LDO），型號為常見的AMS1117，LDO 一般用于降壓且輸入和輸出電壓壓差較小的場合，其具有成本低，噪音低，靜態電流小等優點。

2.2 絕緣檢測電路設計

絕緣檢測工程應用電路圖如圖3 所示。其中U8、U9與U11 均為2 路光電固態繼電器，用于控制線路的斷開與閉合，U12 為7 通道達林頓驅動器用于驅動光電固態繼電器。在電阻值選擇中，參考理論電路圖1 所示，確定Rb= 1k ，R=820k。

圖3 絕緣檢測工程電路圖

絕緣檢測電路需要直接與電動汽車動力電池高壓部分連接，因此為避免信號干擾，在電壓采集過程中需要實施電源隔離措施。電源隔離電路采用專用微功率隔離電源芯片VPS8504 與推挽變壓器相結合，以提供5V 電源隔離。電壓信號采集和轉換電路如圖4 所示，電路中光電晶體管U6 用于控制多路復用開關U7 的切換，完成不同位置的電壓采集；電壓放大器U10B，其理論放大倍數為101 倍；由集成運放組成的電壓跟隨器U10A，用于提高信號帶載能力；16 位高精度低功耗模數轉換器U14，用于將采集的電壓模擬信號轉換為數字信號，并通過I2C 通信協議傳輸給主控制單元進行進一步的計算和處理。此外，為確保數據傳輸的穩定與可靠，還可使用高可靠性2 通道I2C雙向數字隔離器來增強傳輸信號的穩定性和抗干擾能力。

圖4 電壓信號采集與轉換電路

3 絕緣檢測系統軟件設計

本系統的軟件設計主要是基于STM32 單片機C 語言程序設計為核心，運用美國ARM 公司的Keil 軟件開發平臺完成整個軟件系統的開發。整個軟件系統采用模塊化設計，以實現電壓采集、絕緣電阻計算、數據通訊、顯示絕緣狀態等功能。

為降低絕緣檢測系統的功耗，實際的絕緣檢測系統需要與電池管理系統（Battery Management System，BMS） 相互配合。 即絕緣檢測系統將檢測結果傳遞至BMS，BMS 根據電池系統的絕緣狀態對動力電池進行相應的保護。另外，絕緣檢測周期需要根據動力電池的實際情況進行調整，具體如下：

（1）絕緣檢測必須在動力電池系統無其他故障的情況下進行，即BMS 檢測電池系統無故障時發送啟動絕緣檢測指令。

（2）為避免絕緣檢測數據存在隨機誤差，檢測方法采用三次檢測求方差，若方差在規定的閾值以內，則將三次絕緣值的平均值作為當前檢測值的準確值，否則重新檢測。

（3）汽車啟動的時候，需要快速完成絕緣檢測，在汽車啟動檢測一次良好過后，檢測周期設定為30 分鐘。若每次均未檢測到絕緣電阻低于設定閾值時，則顯示絕緣狀態良好，并將數據上傳BMS。若檢測到一次絕緣電阻低于設定閾值時，馬上進行第二次確認檢測，若再一次檢測到絕緣電阻低于設定閾值時，則顯示絕緣故障，同時計算出絕緣不良點電壓值，進一步定位絕緣不良位置，將數據信息上傳BMS 并產生報警。

（4）當汽車熄火處于靜止狀態時，不需要快速完成絕緣檢測，僅在汽車停車熄火后檢測一次良好過后，檢測周期設定為2 小時，檢測方法與汽車啟動的時候相同。

根據工業和信息化部組織制定的《GB 18384-2020 電動汽車安全要求》強制性國家標準，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻，不小于100Ω/V，交流電路不小于500Ω/V[7]。要求純電動汽車的動力電池絕緣電阻值至少為100Ω/V，本設計以500Ω/V 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5 所示。

圖5 絕緣檢測程序流程圖

4 絕緣檢測系統驗證與測試

為了驗證該絕緣檢測系統有效性，搭建其實際的測試平臺如圖6 所示，平臺主要包括包括12 串磷酸鐵鋰電池組，絕緣檢測系統硬件，筆記本電腦一臺。筆記本電腦主要用于對絕緣檢測系統指令的發出與檢測數據的收集。

圖6 絕緣檢測實驗平臺

實驗絕緣電阻采用10kΩ~300kΩ 范圍內的直插色環電阻模擬動力電池組中的絕緣電阻，其精度均選擇±1%，本次測試忽略其電阻本身的阻值誤差。

實驗主要分為三種狀態進行測試絕緣電阻，分別為：（1）正極母線絕緣電阻；（2）負極母線絕緣電阻；（3）電池組中間某串電池絕緣電阻，并定位該串電池位置。具體測試結果數據如表1 所示。

表1 絕緣檢測程序流程圖

由表1 的實驗數據結果表明，本文設計的動力電池絕緣檢測系統能夠對動力電池實現多種絕緣狀況的檢測，且絕緣電阻檢測誤差控制在5%以內，能夠很好地滿足其動力電池絕緣檢測要求。

5 結語

本文主要針對當前動力電池組絕緣電阻檢測精度低、可靠性差、無法定位電池組內部絕緣故障點等問題，設計了一款基于STM32 的動力電池絕緣檢測系統，該系統檢測電路是由基本平衡電橋電路改進而來的切換非平衡電橋電路，該檢測電路簡單，且成本較低。最后通過搭建測試平臺測試，通過對其三種工況下測試表明該檢測系統對動力電池的絕緣狀況檢測誤差均小于5%，并且可準確定位電池組內部絕緣故障的位置。