基于STM32的電動大巴車絕緣監(jiān)測系統(tǒng)研究 お

任寶森

摘要： 針對電動大巴車絕緣監(jiān)測中存在非對稱絕緣故障監(jiān)測不準確的問題，提出一種基于外加電阻原理的檢測方法，并對基于STM32單片機的電動大巴車絕緣監(jiān)測系統(tǒng)進行研究。該系統(tǒng)中的STM32單片機，通過控制電壓采集芯片ADS1255，采集動力電池正負極對車體電壓，而且通過繼電器控制拓撲電路，改變拓撲電路的結構，并由拓撲電路計算公式計算電池正負極對車體絕緣電阻。同時，通過車輛內(nèi)部控制器局域網(wǎng)絡通信電路，將數(shù)據(jù)發(fā)送給電動大巴車絕緣阻抗進行報警判定。為分析電池的絕緣損壞過程，該設計搭載時鐘電路和存儲電路對測試到的數(shù)據(jù)進行記錄。實驗結果表明，在系統(tǒng)對稱絕緣損壞和非對稱絕緣損壞的狀況下，絕緣電阻測量誤差在2%以內(nèi)，并且當動力電池正負極對車體絕緣阻抗小于系統(tǒng)設定的絕緣阻抗時，系統(tǒng)會觸發(fā)報警。該研究滿足國家對電動大巴車絕緣監(jiān)測精度的要求。

關鍵詞： 電動大巴車； 絕緣電阻； 動力鋰電池； STM32

中圖分類號： TM934.31； U469.72文獻標識碼： A

近幾年，電動汽車發(fā)展快速[1]，國內(nèi)外許多研究機構[25]對其安全性進行了深入研究，并設計開發(fā)了相關產(chǎn)品，投入實際應用。在電動汽車行業(yè)，動力蓄電池和車體絕緣電阻阻值具有明確要求，絕緣監(jiān)測系統(tǒng)必須準確監(jiān)測蓄電池與車體的絕緣電阻，并能夠根據(jù)國家相關規(guī)定及行業(yè)要求，在絕緣電阻過低時報警。早期日本本田公司生產(chǎn)的INSIGHT和豐田公司生產(chǎn)的PRIUS電動汽車上已經(jīng)配備相關的高壓絕緣監(jiān)測系統(tǒng)[6]，同時該系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）[78]進行交互，共同完成對動力電池組的管理監(jiān)測。目前，市場上存在的絕緣監(jiān)測方案有漏電直測法[9]、電流傳感法[5]、輔助電源法[10]、平衡電橋法[11]和高頻信號注入法[12]等，其中最常用的是平衡電橋法和高頻信號注入法[13]。近年來，國內(nèi)在電動汽車絕緣監(jiān)測方面的發(fā)展也相對較快，許多研究機構[1417]在絕緣監(jiān)測方面做了大量相關研究，而且其產(chǎn)品在絕緣監(jiān)測領域占據(jù)較大比重。雖然傳統(tǒng)的汽車絕緣監(jiān)測系統(tǒng)能較準確的檢測出非對稱絕緣損壞的絕緣阻抗，但對于對稱絕緣損壞的檢測略顯不足。因此，針對電動汽車存在測量精度低，對對稱絕緣故障測量不準確的問題[18]，本文基于外加電阻監(jiān)測理論，對電動大巴車鋰電池絕緣阻抗進行監(jiān)測，在對稱絕緣損壞和非對稱絕緣損壞狀況下，實現(xiàn)對絕緣電阻的準確監(jiān)測。本研究測量精度高，符合國家的要求，具有廣闊的應用前景。

1理論分析

根據(jù)國際標準IEC/TR2604791，人體產(chǎn)生感覺的電流門限值為2 mA。因此，在人體電阻與動力電池組成的環(huán)路中，通過的電流不超過2 mA，即汽車的最大泄漏電流不超過2 mA才認為其絕緣合格。在汽車行業(yè)中，泄漏電流定義為電池組某點與汽車電底盤之間的泄漏電流，為保證人們在乘車時的人身安全，該電流應不超過2 mA。因此，在汽車絕緣監(jiān)測系統(tǒng)中，根據(jù)動力鋰電池電壓和最大泄漏電流，可計算汽車電池正負極對車底盤的最小絕緣電阻。絕緣電阻具體測試方案如下：

1）電池負極對車底盤電壓進行測試，電池負極測試原理如圖1所示，圖1中，RP、RN分別為電動大巴車動力蓄電池正、負母線對車體絕緣電阻。

2）電池正極對車底盤電壓測試，電池正極測試原理如圖2所示。

3）如果測量電壓V1>V2，則蓄電池正極絕緣電阻大于負極絕緣電阻。此時，在動力電池負極處外加電阻RN1，測量電壓V1，其電池負極外接電阻測試原理如圖3所示。

其絕緣電阻計算公式為

RN=V1-V1V1RN1（1）

4）如果測量電壓V1其絕緣電阻計算公式為

RP=V2-V2V2RP1（2）

2硬件設計

絕緣監(jiān)測裝置主要包括單片機STM32及其外圍電路、電壓測量電路、存儲電路、聲光報警電路、AD采樣電路等。其硬件結構框圖如圖5所示。

2.1STM32單片機

基于STM32的電動大巴車絕緣監(jiān)測系統(tǒng)控制核心選用STM32F105單片機。該單片機是ST公司生產(chǎn)的32位精簡指令集微處理器（acorn RISC machine，ARM）單片機，其系統(tǒng)主頻可達72 MHz，同時該單片機內(nèi)部集成電路總線（interintegrated circuit，IIC）、控制器局域網(wǎng)絡（controller area network，CAN）、串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）、通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）等多個外設，能夠滿足與外部各個電路的通信。該單片機具有在線調試仿真功能，使開發(fā)人員能快速調試系統(tǒng)程序，縮短開發(fā)周期[19]。

2.2電壓采集電路設計

為防止外部電壓采集電路影響單片機正常工作，實現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠運行，電路需將單片機與電壓采集電路電氣隔離，因此選用ADS1255作為外部AD電壓采集芯片。ADS1255是TI推出的24位、雙通道、SPI接口的精密電壓采集芯片。在該系統(tǒng)中，單片機SPI接口通過光耦與ADS1255電壓采集芯片的SPI接口進行通信，其ADS1255電路原理圖如圖6所示。

2.3存儲電路設計

在該設計中，需要存儲系統(tǒng)報警信息等數(shù)據(jù)，因此選用AT24C512存儲芯片作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲。AT24C512是ATMEL公司生產(chǎn)的512 kB的存儲芯片，其數(shù)據(jù)通信方式為IIC通信，同時，該芯片具有寫保護功能，單片機在數(shù)據(jù)存儲周期內(nèi)關閉寫保護功能對芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)進行讀寫；在非數(shù)據(jù)存儲周期內(nèi)，開啟芯片寫保護功能防止芯片數(shù)據(jù)被篡改。

2.4CAN通訊電路設計

該系統(tǒng)中，絕緣監(jiān)測系統(tǒng)使用汽車內(nèi)部的CAN總線將絕緣監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到電動大巴車的控制臺。CAN通訊電路采用隔離式CAN收發(fā)器ADM3053，該芯片包含隔離的DC/DC轉換器，外圍電路設計簡單，大大增強了通訊的抗干擾能力。其CAN通訊電路原理圖如圖8所示。

3軟件設計

該系統(tǒng)軟件主要完成電動大巴車動力電池絕緣阻抗檢測及與電動大巴車控制臺進行數(shù)據(jù)通信?？紤]單片機程序的可移植性以及縮短項目的開發(fā)周期，選擇使用Keil軟件及ST公司提供的標準庫函數(shù)進行單片機程序開發(fā)。在Keil開發(fā)環(huán)境中對程序進行編輯、連接、編譯以后，將程序下載到單片機中。單片機程序主要負責模擬量采集、絕緣阻抗計算、CAN數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲等任務。

4實驗結果

本研究系統(tǒng)是以300 V/20 A的鋰電池組為核心進行搭建，同時使用FLUKE187型數(shù)字萬用表作為實驗結果校準儀器。本實驗采用動力鋰電池正負極與電動大巴車車體間并聯(lián)電阻的方式模擬鋰電池對車底盤絕緣阻抗變化，通過上位機獲取系統(tǒng)測量絕緣電阻阻值，絕緣電阻測試表如表1所示。

5結束語

本文通過對電動汽車絕緣電阻測量中存在的電阻測量精度低、對對稱故障測量不準確的問題，提出了一種基于外加電阻的測量方法，通過實驗驗證，絕緣阻抗誤差在2%以內(nèi)。該方案與目前存在的相關方案相比，具有電路相對簡單、成本較低、對對稱故障測量精確的優(yōu)點。通過搭建實驗平臺進行測試表明，該平臺能夠實現(xiàn)對汽車動力電池正負極對車輛底盤之間絕緣電阻的精確測量，同時可以對歷史數(shù)據(jù)進行存儲、讀取等。該研究對電動汽車電池絕緣阻抗測量具有較強的指導意義，為電動汽車市場的發(fā)展提供了安全保障。

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