基于非平衡電橋法與電流傳感法的電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫洋，張?chǎng)危杜d明

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池組、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器等大功率、高電壓電氣設(shè)備組成，根據(jù)車輛行駛的功率需求完成從動(dòng)力電池組到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與傳輸過程［1］。目前電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組的工作電壓高達(dá)幾百伏，額定工作電流可達(dá)幾十安甚至更高。高壓電纜絕緣老化或受潮等因素均會(huì)引起高壓電路與車輛底盤間的絕緣性能下降。電源正、負(fù)極引線通過絕緣層與底盤構(gòu)成漏電流回路，使底盤電位上升，危及乘客的人身安全，并可導(dǎo)致低壓電氣和車輛控制器無法正常工作［2-3］。

現(xiàn)階段電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)方法主要有平衡電橋法、電流傳感法、非平衡電橋法等［4-6］。這些方法主要通過檢測(cè)母線電流、電壓參數(shù)判斷系統(tǒng)的絕緣性能。平衡電橋法檢測(cè)母線對(duì)地等效絕緣電阻的檢測(cè)精度較高，但對(duì)構(gòu)建電路的精確度要求較高，在正負(fù)極絕緣性能同時(shí)降低時(shí)無法準(zhǔn)確檢測(cè);電流傳感法在直流系統(tǒng)工作時(shí)采用小電流傳感器檢測(cè)直流接地故障［6］，此方法通過采集泄漏電流檢測(cè)電氣的絕緣性，但要求系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性;非平衡電橋法利用電路分壓原理，通過測(cè)量分壓電阻的電壓，列方程組求絕緣電阻值，然而在車輛工作過程中，電池組兩端電壓有較大變化，從而影響了計(jì)算精度，且在絕緣電阻測(cè)量過程中，有較強(qiáng)的信號(hào)擾動(dòng)，因此對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響［7-9］。

鑒于此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于非平衡電橋法與電流傳感法相結(jié)合的電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)系統(tǒng)，依據(jù)車輛的工作狀態(tài)選用不同方式檢測(cè)系統(tǒng)絕緣性能，且無需考慮系統(tǒng)的工作狀態(tài)、信號(hào)干擾等影響，即能合理地分配檢測(cè)狀態(tài)。

1 電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)判據(jù)與方法

1.1 電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)判據(jù)

等效絕緣電阻和母線泄漏電流是評(píng)判電動(dòng)汽車絕緣狀態(tài)的主要指標(biāo)。GB/T 18384.1將動(dòng)力蓄電池絕緣電阻定義為“如果動(dòng)力蓄電池與地之間的某一點(diǎn)短路，最大(最壞情況下)的泄漏電流所對(duì)應(yīng)的電阻”，且規(guī)定動(dòng)力蓄電池絕緣電阻與電池組總電壓之比的取值范圍為100～500Ω/V［10］。按此標(biāo)準(zhǔn)要求，假設(shè)電池組總電壓為100 V，可設(shè)定系統(tǒng)等效絕緣電阻閾值標(biāo)準(zhǔn)為10 kΩ。綜合考慮電阻值、傳感器的量程和人體可承受的安全電流，絕緣電阻閾值最壞情況下的泄漏電流IL=10 mA。從通過人體的安全電流大小方面考慮，我國(guó)用電安全規(guī)定人體直流安全工作電壓不高于36 V，直流安全電流不高于30 mA［11］，通過對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上過孔式直流漏電流傳感器參數(shù)的了解，現(xiàn)有產(chǎn)品的最小測(cè)量范圍約為10 mA。因此，設(shè)定高壓母線的泄漏電流的閾值IL=20 mA便可滿足安全要求。當(dāng)泄漏電流超過設(shè)定范圍時(shí)，絕緣檢測(cè)中央處理單元產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并及時(shí)通知整車控制器斷開高壓電氣回路。

1.2 電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)方法

1.2.1 非平衡電橋法

非平衡電橋法在國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中多次提到，也是當(dāng)前電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛的檢測(cè)方法。參照最新電動(dòng)汽車安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)ECE R100提供的絕緣電阻計(jì)算方法，將電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化為充電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。非平衡電橋法檢測(cè)原理圖如圖1所示，視車輛底盤為地，其高壓正、負(fù)母線對(duì)底盤(地)的等效絕緣電阻分別為R+、R－，充電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(蓄電池組)兩端總電壓為Vb［12］。

圖1 非平衡電橋法檢測(cè)原理圖Fig.1The detection principle based on unbalance bridge method

由電路原理可知，高壓正、負(fù)母線與車輛底盤間的電壓V1、V2之和與高壓系統(tǒng)兩端總電壓Vb相等，即

在此前提下，ECE R100標(biāo)準(zhǔn)中給定的具體檢測(cè)步驟為:

1)分別測(cè)量高壓正母線與車輛底盤間電壓V1、負(fù)母線與車輛底盤間電壓V2及充電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)兩端總電壓Vb，并比較V1與V2的大小。

2)若V1≥V2，則在高壓正母線與車輛底盤間并入電阻R0，根據(jù)ECE R100，R0取值10～50 kΩ，重新測(cè)量高壓正母線與車輛底盤間電壓V1′、負(fù)母線與車輛底盤間電壓V2′。由電路原理列方程組，經(jīng)推導(dǎo)可得絕緣電阻Ri，

3)若V1＜V2，則在高壓負(fù)母線與車輛底盤間并入電阻R0，重新測(cè)量高壓正母線與車輛底盤間電壓V1′、負(fù)母線與車輛底盤間電壓V2′。由電路原理列方程組，經(jīng)推導(dǎo)可得絕緣電阻Ri，

由于并入電阻R0已知，通過電壓采集電路測(cè)量并計(jì)算絕緣電阻所需的各部分電壓值，由式(1)～(3)可求得高壓電氣系統(tǒng)的等效絕緣電阻。將得到的絕緣電阻值與安全閾值比較，若絕緣電阻未在10～50 kΩ范圍內(nèi)，則判定系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障，并立即報(bào)警，以提醒采取相應(yīng)的維修措施。

1.2.2 電流傳感法

電流傳感法在高壓直流電氣系統(tǒng)中同樣應(yīng)用廣泛，其原理主要是通過霍爾電流傳感器檢測(cè)直流母線的泄漏電流，進(jìn)而判斷整個(gè)系統(tǒng)的絕緣狀況。電流傳感法漏電流檢測(cè)原理圖如圖2所示。

圖2 電流傳感法漏電流檢測(cè)原理圖Fig.2 The leakage detection principle based on current sensing method

當(dāng)回路絕緣狀態(tài)良好時(shí)，穿過傳感器的直流電流大小相等，方向相反，即I++I-=0，此時(shí)傳感器中的合成直流磁場(chǎng)為零，其輸出也為零;當(dāng)回路絕緣狀態(tài)下降到一定范圍或出現(xiàn)接地故障時(shí)，I++I-≠0，該回路中出現(xiàn)合成直流電流，對(duì)應(yīng)該回路的傳感器中合成直流磁場(chǎng)不為零，其輸出也不為零［13］。通過采集傳感器輸出的泄漏電流IL，經(jīng)精密電阻RL轉(zhuǎn)換為輸出的電壓信號(hào)VL，根據(jù)傳感器的輸入輸出特性，可得實(shí)際回路中的泄漏電流，從而判斷系統(tǒng)的絕緣性能。

2 絕緣檢測(cè)系統(tǒng)及功能

基于非平衡電橋法與電流傳感法的電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。其中，以蓄電池組、逆變器、電動(dòng)機(jī)等組成的高壓電氣回路為測(cè)試主體。測(cè)試系統(tǒng)主要包括電壓采集單元、電流采集單元、報(bào)警顯示和絕緣檢測(cè)中央處理單元。

圖3 絕緣檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.3 The shematic diagram of insulation detection system

2.1 電壓、電流采集

電壓采集單元主要由分壓電阻、可控開關(guān)及電壓傳感器構(gòu)成。依據(jù)非平衡電橋法，電壓采集單元用于采集實(shí)時(shí)的電壓信號(hào)，從而可計(jì)算回路的等效絕緣電阻。電壓采集單元的主要功能是采集高壓開關(guān)動(dòng)作前后為計(jì)算絕緣電阻所需的電壓值。在可控開關(guān)K1、K2均斷開時(shí)，電壓傳感器分別采集蓄電池組的電壓Vb和正、負(fù)母線與車體間電壓V1、V2。比較V1、V2的值，根據(jù)結(jié)果閉合相應(yīng)的高壓開關(guān)，再次采集正、負(fù)母線與車體間電壓V1′、V2′。將2次采集的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)傳給中央處理單元，中央處理單元通過電壓信號(hào)和絕緣電阻計(jì)算公式(2)或(3)計(jì)算回路的等效絕緣電阻。

電流采集單元包括霍爾電流傳感器A、B、C。其中:A為直流漏電流傳感器，量程選取20 mA，用于采集正負(fù)母線泄漏電流的大小和方向;B、C為過孔式霍爾電流傳感器，用于采集正、負(fù)母線的電流值。電壓、電流采集單元采集的電壓、電流信號(hào)均傳輸至絕緣檢測(cè)中央處理單元，用于進(jìn)一步分析整車高壓電氣系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。絕緣檢測(cè)中央處理單元的輸出端連接故障報(bào)警單元，實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警絕緣狀態(tài)。

2.2 檢測(cè)信號(hào)處理

電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)信號(hào)處理與實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。信號(hào)采集與處理的核心部件為基于Freescal公司的8位低功耗芯片MC9S08QE128。電壓、電流信號(hào)采集電路采集的電壓、電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)入主控制器，主控制器通過CAN通信接口與電動(dòng)汽車上的整車控制器交換數(shù)據(jù)，獲得電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，并根據(jù)電動(dòng)機(jī)的不同狀態(tài)處理相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)。主控制器根據(jù)測(cè)量需要，通過繼電器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)控制繼電器K1、K2的開關(guān)狀態(tài)。主控制器輸出端連接故障報(bào)警顯示單元，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可及時(shí)報(bào)警并實(shí)時(shí)顯示故障信息。故障信息通過CAN總線接口傳輸至整車控制器，整車控制器依據(jù)故障危害的嚴(yán)重性，選擇性地?cái)嚅_高壓系統(tǒng)主回路，以保障整車電氣系統(tǒng)的安全。

2.3 絕緣檢測(cè)軟件

圖4 絕緣檢測(cè)信號(hào)處理與實(shí)現(xiàn)的框圖Fig.4 The block diagram of insulation detection signal processing and implementation

絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分用C語言編程，其編程環(huán)境為Metrowerks公司的CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境(integrated development environment，簡(jiǎn)稱IDE)。絕緣檢測(cè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)初始化模塊、絕緣檢測(cè)模塊和通信模塊。絕緣檢測(cè)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 絕緣檢測(cè)軟件流程圖Fig.5 The flow chart of insulation detection

依據(jù)電動(dòng)機(jī)工作與否，絕緣檢測(cè)軟件的實(shí)現(xiàn)主要包括絕緣電阻的計(jì)算與比較、泄漏電流的測(cè)量與比較2部分。其中，絕緣電阻的計(jì)算是在電動(dòng)機(jī)未工作的狀態(tài)下，通過控制繼電器的開、關(guān)狀態(tài)，用傳感器采集正、負(fù)母線與蓄電池組在不同狀態(tài)下的電壓信號(hào)，根據(jù)式(2)、(3)計(jì)算等效絕緣電阻，比較此絕緣電阻值與設(shè)定閾值的大小判斷是否發(fā)生絕緣故障。

在電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，首先通過泄漏電流傳感器監(jiān)測(cè)正、負(fù)母線的泄漏電流的大小和方向，判斷系統(tǒng)是否有泄漏電流。當(dāng)出現(xiàn)泄漏電流時(shí)，運(yùn)用霍爾電流傳感器分別測(cè)量正、負(fù)母線的電流，并比較其大小，確定絕緣故障的嚴(yán)重性。

絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路板測(cè)試實(shí)物圖如圖6所示。通過電流源模擬傳感器輸入電流值，得到了準(zhǔn)確的泄漏電流及絕緣電阻，從而驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

圖6 硬件電路板測(cè)試實(shí)物圖Fig.6 The hardware circuit test

3 結(jié)束語

針對(duì)電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)的絕緣問題，設(shè)計(jì)的基于非平衡電橋法與電流傳感法相結(jié)合的電動(dòng)汽車智能絕緣檢測(cè)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

1)克服了絕緣檢測(cè)采用單一方法的不足，充分發(fā)揮了非平衡電橋法和電流傳感法各自的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，一定程度上提高了檢測(cè)效率和可靠性。

2)檢測(cè)系統(tǒng)的電壓、電流采集單元均選用電流輸出型傳感器，與常見的運(yùn)用分壓電阻和集成運(yùn)算放大器采集電壓的方式相比，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。

3)此絕緣檢測(cè)系統(tǒng)不僅適用于電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)，在發(fā)電廠、變電站、機(jī)車等其他直流系統(tǒng)中也具有良好的通用性。

［1］趙立軍，佟欽智.電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2012:148-149.

［2］姜久春，吳智強(qiáng).電動(dòng)汽車絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2005，27(5):74-76.

［3］朱建新，鄭榮良，卓斌，等.電動(dòng)汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究［J］.汽車工程，2007(4):308-312.

［4］黃勇，陳全世，陳伏虎.電動(dòng)汽車電氣絕緣檢測(cè)方法的研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2005(4):93-95.

［5］陳全世，朱家璉，田光宇.先進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:197-199.

［6］馮卓明，游大海.基于差流檢測(cè)的直流接地探測(cè)方法及裝置研究［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，28(6):46-48.

［7］李景新，樊彥強(qiáng)等.電動(dòng)汽車絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)方法［J］.汽車工程，2006(28):884-887.

［8］Wei Xuezhe，Bi Lu，Sun Zechang.A method of insulation failure detection on electric vehicle based on FPGA［C］//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，2008:1-5.

［9］潘磊，姜久春.電動(dòng)汽車智能無源接地檢測(cè)裝置的研制［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2003，25(4):47-48.

［10］GB/T 18384.1—2001電動(dòng)汽車安全要求:第1部分:車載儲(chǔ)能裝置［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001:8-10.

［11］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T 13870.1—2008電流對(duì)人和家畜的效應(yīng):第1部分:通用部分［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008:12-14.

［12］ECE.R100:2011 specific requirement for the construction and functional safety［S］.ECE，2011:21-24.

［13］蘇義鑫，劉林偉.平衡電阻法監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)絕緣［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，14(27):65-68.