車用電池管理系統(tǒng)絕緣監(jiān)測及故障診斷

戚益熗,周文華,朱江華,郭修其

(浙江大學(xué),浙江 杭州 310027)

0 引言

隨著電動汽車的快速發(fā)展,大多數(shù)乘用電動汽車的工作電壓已到達(dá)300～400 V,少數(shù)高端乘用車的工作電壓可達(dá)800 V,均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人體可承受的安全電壓。國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會于2020年發(fā)布了GB 18384—2020《電動汽車安全要求》[1],新標(biāo)準(zhǔn)對人員防觸電方面進行了修改,并要求車輛必須具備絕緣監(jiān)測功能[2]。電動汽車的絕緣性一般通過整車絕緣電阻來表征,動力電池組對地的絕緣電阻又是整車絕緣電阻的重要組成部分[3],可以通過計算直流母線對地的電阻得到。圍繞絕緣電阻檢測的準(zhǔn)確性,國內(nèi)外高校和企業(yè)對絕緣檢測的方法展開了研究,提出了電橋法[4]、信號注入法[5]、有源絕緣電阻檢測法[6]。本文基于電橋法,研究分析影響絕緣檢測精度的因素,設(shè)計了一種絕緣電阻實時監(jiān)測系統(tǒng),并從硬件和軟件算法上優(yōu)化絕緣監(jiān)測性能。

1 絕緣監(jiān)測原理及誤差分析

電橋檢測法是目前車用電池管理系統(tǒng)上最常用的絕緣檢測方法,分為平衡電橋法和非平衡電橋法。平衡電橋法能快速判斷絕緣狀態(tài),但由于其使用場合的局限性,通常與其他檢測方法同時使用來優(yōu)化絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的性能[7]。

非平衡電橋法通過改變接入電路的偏置電阻,以解方程組的方式得到絕緣電阻。對非平衡電橋法所得絕緣電阻進行誤差分析[8],可知絕緣電阻的測量誤差與偏置電阻精度、電壓測量誤差和偏置電阻與實際絕緣電阻的比值有關(guān)。

此外,由于整車高壓回路中存在Y電容等因素,當(dāng)接入回路的偏置電阻改變時,直流母線的電壓經(jīng)過一定時間才能到達(dá)穩(wěn)定值[9],因此電壓的采樣時間點是否準(zhǔn)確也影響絕緣電阻的準(zhǔn)確性。

基于上述影響因素,可通過以下措施來減小絕緣電阻測量誤差:

1)選取高精度、低溫漂且阻值大小合適的偏置電阻。

2)提高電壓采集精度。

3)通過合理的軟硬件設(shè)計提高絕緣監(jiān)測的性能,如準(zhǔn)確性、實時性等。

前兩種措施可通過選擇合適的電子元器件來實現(xiàn),已經(jīng)有比較成熟的方案且有比較多的選擇,因此基于相對成熟的硬件方案通過合理的軟件算法提升絕緣監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實時性是本文的重點。

2 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)硬件方案

基于上述措施,設(shè)計了如圖1所示的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路框圖。

圖1 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖

當(dāng)偏置電阻遠(yuǎn)小于絕緣電阻值時,絕緣電阻的計算誤差最小。但是實際情況下,過小的偏置電阻會導(dǎo)致整個高壓系統(tǒng)的絕緣性降低,增加系統(tǒng)失效風(fēng)險?；诖?偏置電阻R1選擇精度為0.1%、阻值為3 MΩ的固定電阻,R2選擇精度為0.1%、阻值為500 KΩ的固定電阻。

該方案測量的電壓為兩種開關(guān)狀態(tài)下的電池組總負(fù)對地電壓Uiso1和Uiso2以及電池組總電壓Upack,內(nèi)置四個采樣通道及一個12位ADC的ADS7950,在滿足電壓轉(zhuǎn)換精度要求的同時保證電壓采集的同步性。

當(dāng)需要進行絕緣電阻檢測時,首先閉合S3。閉合S1,斷開S2,ADC采集電壓Uiso和Upack,待Uiso穩(wěn)定,計算并記錄θH=Uiso/Upack;斷開S1,閉合S2,ADC采集電壓Uiso和Upack,待Uiso穩(wěn)定,計算并記錄θL=Uiso/Upack。根據(jù)電路原理可列方程組:

(1)

(2)

對方程組進行求解,可得電池組正負(fù)端對地的絕緣阻值:

(3)

(4)

式中,γp=(θH-θL)/θL,γm=(θH-θL)/(1-θH)。

根據(jù)式(3)、式(4)計算出正負(fù)母線對地的絕緣電阻值。但在實際使用過程中:1)必須設(shè)計完善的絕緣檢測電路的自診斷策略,確保檢測電路本身工作正常;2)考慮到母線的分布電容等因素,開關(guān)切換時監(jiān)測電壓Uiso穩(wěn)定需要一定延時,診斷策略需要兼顧效率和診斷誤差。

3 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)軟件控制策略設(shè)計

絕緣監(jiān)測策略主要通過MATLAB/Simulink圖形化開發(fā)工具及代碼自動生成工具實現(xiàn)。主芯片選擇英飛凌微處理器TC275,絕緣監(jiān)測系統(tǒng)需實現(xiàn)系統(tǒng)自診斷、快速檢測、循環(huán)檢測和絕緣電阻的計算。

3.1 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷策略

無故障的硬件平臺是實現(xiàn)絕緣監(jiān)測的前提條件,為此需在每次絕緣監(jiān)測前完成絕緣監(jiān)測電路的自診斷,完成如繼電器粘連、繼電器無法閉合、電壓傳感器故障等具體故障的監(jiān)測。由于外接偏置電阻R1和R2的阻值固定且已知,根據(jù)電路原理可知正常狀態(tài)下的電路狀態(tài),因此通過比較系統(tǒng)不同狀態(tài)下θn=Uiso/Upack的實際值和理論值對具體故障進行診斷,具體診斷邏輯如圖2。

圖2 系統(tǒng)的自診斷流程圖

圖中的δ表示允許偏差閾值,0.125、0.5和0.875分別是不同開關(guān)狀態(tài)下系統(tǒng)無故障時θn的理論值,實際應(yīng)用過程中可根據(jù)系統(tǒng)實際情況,通過標(biāo)定軟件改變相應(yīng)的閾值。

3.2 考慮電壓穩(wěn)定時間的絕緣電阻檢測策略設(shè)計

分析圖1電路可知,對于負(fù)母線端,Uiso近似于等效電容Yiso-兩端的電壓。Uiso的穩(wěn)定過程可以用等效電容Yiso-的充放電過程來表示。根據(jù)電容的充放電過程可得θ=Uiso/Upack的表達(dá)式:

(5)

式中,θ0表示開關(guān)切換前的θ,θ∞表示穩(wěn)定狀態(tài)下的θ,R和C表示電路中的等效電阻和電容,t表示電壓穩(wěn)定的時間。

θ的穩(wěn)定時間要根據(jù)整車的實際情況來決定。在某些情況如整車發(fā)生事故,等電壓完全穩(wěn)定是不合理的,這會導(dǎo)致檢測結(jié)果的滯后性,影響絕緣性的判斷。過短的檢測時間無法保證電壓達(dá)到穩(wěn)定值,導(dǎo)致絕緣電阻的檢測值誤差較大。綜合兩方面因素,本文提出兩種確定電壓穩(wěn)定值的方法:快速檢測和循環(huán)檢測。

3.2.1 快速檢測策略

如圖3,在快速檢測過程中,取電壓穩(wěn)定過程中時間間隔相等的三個點A1、A2、A3,根據(jù)式(5)計算三點對應(yīng)θ的差值,可得方程:

圖3 快速檢測原理圖

(6)

(7)

式中,Δt表示A1與A2,A2與A3的時間間隔,對方程進行求解,得:

(8)

快速檢測僅僅通過三個采樣點計算出電壓穩(wěn)定時的θ,大幅減少了絕緣電阻的檢測時間。但是電壓的采樣誤差對絕緣檢測精度的影響會被放大,因此快速檢測適用于需要快速計算絕緣阻值的情況。

3.2.2 循環(huán)檢測策略

絕緣電阻循環(huán)檢測分為兩個步驟:一是通過實時記錄電壓穩(wěn)定過程中的θ值來判斷電壓是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)并記錄穩(wěn)態(tài)值θH和θL以減少無效的檢測時間,二是通過比較相鄰穩(wěn)態(tài)值來確定用來計算絕緣電阻的θH和θL。

如圖4中A0、A1點,當(dāng)A0、A1所對應(yīng)的θ差值小于某一閾值時,則認(rèn)為電壓趨于穩(wěn)定,將A1點所對應(yīng)的θ作為穩(wěn)態(tài)值θH_1。其他穩(wěn)態(tài)值的確定方法同理。

圖4 循環(huán)檢測原理圖

圖4中的黑色虛線表示正常狀態(tài)下的循環(huán)檢測過程,θL_1和θH_1為已經(jīng)確定的穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)采集得到新的θH_2時,需要根據(jù)式(9)將θH_2與θH_1進行比較,滿足條件則輸出θH_2和與之相鄰的θL_1來計算絕緣電阻值。圖4中的點劃線表示檢測過程中絕緣電阻發(fā)生改變的情況,最后得到的θH_3和θH_2不滿足條件,因此θH_3和θL_2不能用來計算絕緣電阻。

|θH[k]-θH[k-1]|≤δ

(9)

|θL[k]-θL[k-1]|≤δ

(10)

式中的δ可根據(jù)實際情況來設(shè)定。

理論上,循環(huán)檢測時間長,絕緣電阻的測量誤差相對于快速檢測會更小。同時,電動汽車在正常工況下,絕緣電阻值并不會在短時間內(nèi)發(fā)生改變,循環(huán)檢測可以滿足大多數(shù)工況下的絕緣電阻檢測功能。本方案中,將循環(huán)檢測作為常態(tài)化檢測方式,快速檢測則在特殊情況下使用。在Stateflow中設(shè)計了如圖5的絕緣電阻檢測流程。

圖5 快速檢測和循環(huán)檢測Stateflow模型

4 試驗及分析

本研究利用如圖6所示的硬件在環(huán)系統(tǒng)對本方案的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)進行試驗驗證。該硬件在環(huán)系統(tǒng)硬件平臺包含了64個電池模擬單元,可以模擬電池包內(nèi)部的電池并聯(lián)串聯(lián)情況,能夠輸出電池的電壓、電流,電壓的模擬電壓范圍為0～6 V,電壓輸出精度為1 mV;包含了精度為1%的電阻板卡,來模擬動力電池組的絕緣電阻。

圖6 絕緣監(jiān)測硬件在環(huán)試驗環(huán)境

將兩塊電阻板卡分別接入電池組正負(fù)端與車身地之間,在上位機的Veristand軟件中對電阻值進行配置。試驗過程基于XCP on CAN協(xié)議在ETAS INCA上建立監(jiān)控和標(biāo)定平臺。實時監(jiān)測不同情況下絕緣電阻的測量情況,并計算絕緣電阻檢測值和實際值的相對誤差,試驗結(jié)果如表1。

表1 絕緣電阻試驗結(jié)果

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知,本絕緣監(jiān)測系統(tǒng)快速檢測所測絕緣電阻的相對誤差在±5%,且魯棒性較循環(huán)檢測差,因此快速檢測一般用于特殊情況,如控制器上電后快速檢測絕緣狀況。循環(huán)檢測作為本系統(tǒng)常態(tài)化檢測方式,所測絕緣電阻的相對誤差在±2%,兩種檢測方式均能滿足電動汽車動力蓄電池的絕緣檢測要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了車用電池管理系統(tǒng)絕緣監(jiān)測系統(tǒng),在合適的硬件方案的基礎(chǔ)上,針對絕緣電阻電橋檢測法檢測時間較長的缺點,設(shè)計了快速檢測和循環(huán)檢測兩種檢測方法提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,并設(shè)計了自診斷程序保證系統(tǒng)的可靠性。對自搭建的硬件在環(huán)系統(tǒng)中進行了試驗。試驗結(jié)果表明:該絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的兩種檢測方式均能準(zhǔn)確檢測不同情況下的絕緣電阻,滿足車用動力蓄電池絕緣電阻檢測要求。