基于非平衡電橋法與電流傳感法的電動汽車絕緣檢測系統(tǒng)設計

孫洋，張鑫，范興明

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林541004)

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

現階段電動汽車絕緣檢測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母線電流、電壓參數判斷系統(tǒng)的絕緣性能。平衡電橋法檢測母線對地等效絕緣電阻的檢測精度較高，但對構建電路的精確度要求較高，在正負極絕緣性能同時降低時無法準確檢測;電流傳感法在直流系統(tǒng)工作時采用小電流傳感器檢測直流接地故障［6］，此方法通過采集泄漏電流檢測電氣的絕緣性，但要求系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下，因此在實際應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，從而影響了計算精度，且在絕緣電阻測量過程中，有較強的信號擾動，因此對計算結果有較大的影響［7-9］。

鑒于此，設計并實現了一種基于非平衡電橋法與電流傳感法相結合的電動汽車絕緣檢測系統(tǒng)，依據車輛的工作狀態(tài)選用不同方式檢測系統(tǒng)絕緣性能，且無需考慮系統(tǒng)的工作狀態(tài)、信號干擾等影響，即能合理地分配檢測狀態(tài)。

1 電動汽車絕緣檢測判據與方法

1.1 電動汽車絕緣檢測判據

等效絕緣電阻和母線泄漏電流是評判電動汽車絕緣狀態(tài)的主要指標。GB/T 18384.1將動力蓄電池絕緣電阻定義為“如果動力蓄電池與地之間的某一點短路，最大(最壞情況下)的泄漏電流所對應的電阻”，且規(guī)定動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］。按此標準要求，假設電池組總電壓為100 V，可設定系統(tǒng)等效絕緣電阻閾值標準為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］，通過對當前市場上過孔式直流漏電流傳感器參數的了解，現有產品的最小測量范圍約為10 mA。因此，設定高壓母線的泄漏電流的閾值IL=20 mA便可滿足安全要求。當泄漏電流超過設定范圍時，絕緣檢測中央處理單元產生報警信號，并及時通知整車控制器斷開高壓電氣回路。

1.2 電動汽車絕緣檢測方法

1.2.1 非平衡電橋法

非平衡電橋法在國內外電動汽車安全檢測標準中多次提到，也是當前電動汽車絕緣檢測應用最為廣泛的檢測方法。參照最新電動汽車安全檢測標準ECE R100提供的絕緣電阻計算方法，將電動汽車高壓電氣系統(tǒng)簡化為充電能量存儲系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和能量轉換系統(tǒng)。非平衡電橋法檢測原理圖如圖1所示，視車輛底盤為地，其高壓正、負母線對底盤(地)的等效絕緣電阻分別為R+、R－，充電能量存儲系統(tǒng)(蓄電池組)兩端總電壓為Vb［12］。

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

由電路原理可知，高壓正、負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標準中給定的具體檢測步驟為:

1)分別測量高壓正母線與車輛底盤間電壓V1、負母線與車輛底盤間電壓V2及充電能量存儲系統(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ECE R100，R0取值10～50 kΩ，重新測量高壓正母線與車輛底盤間電壓V1′、負母線與車輛底盤間電壓V2′。由電路原理列方程組，經推導可得絕緣電阻Ri，

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

由于并入電阻R0已知，通過電壓采集電路測量并計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，則判定系統(tǒng)出現絕緣故障，并立即報警，以提醒采取相應的維修措施。

1.2.2 電流傳感法

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

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

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

2 絕緣檢測系統(tǒng)及功能

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

圖3 絕緣檢測系統(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、可控開關及電壓傳感器構成。依據非平衡電橋法，電壓采集單元用于采集實時的電壓信號，從而可計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動作前后為計算絕緣電阻所需的電壓值。在可控開關K1、K2均斷開時，電壓傳感器分別采集蓄電池組的電壓Vb和正、負母線與車體間電壓V1、V2。比較V1、V2的值，根據結果閉合相應的高壓開關，再次采集正、負母線與車體間電壓V1′、V2′。將2次采集的電壓信號實時傳給中央處理單元，中央處理單元通過電壓信號和絕緣電阻計算公式(2)或(3)計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、負母線的電流值。電壓、電流采集單元采集的電壓、電流信號均傳輸至絕緣檢測中央處理單元，用于進一步分析整車高壓電氣系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。絕緣檢測中央處理單元的輸出端連接故障報警單元，實時顯示和報警絕緣狀態(tài)。

2.2 檢測信號處理

電動汽車絕緣檢測信號處理與實現的結構框圖如圖4所示。信號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、電流信號采集電路采集的電壓、電流信號經信號調理單元進入主控制器，主控制器通過CAN通信接口與電動汽車上的整車控制器交換數據，獲得電動機的工作狀態(tài)，并根據電動機的不同狀態(tài)處理相應的電壓或電流信號。主控制器根據測量需要，通過繼電器驅動電路實時控制繼電器K1、K2的開關狀態(tài)。主控制器輸出端連接故障報警顯示單元，當發(fā)生故障時，可及時報警并實時顯示故障信息。故障信息通過CAN總線接口傳輸至整車控制器，整車控制器依據故障危害的嚴重性，選擇性地斷開高壓系統(tǒng)主回路，以保障整車電氣系統(tǒng)的安全。

2.3 絕緣檢測軟件

圖4 絕緣檢測信號處理與實現的框圖Fig.4 The block diagram of insulation detection signal processing and implementation

絕緣檢測系統(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，簡稱IDE)。絕緣檢測軟件采用模塊化設計，主要包括單片機初始化模塊、絕緣檢測模塊和通信模塊。絕緣檢測軟件流程圖如圖5所示。

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

依據電動機工作與否，絕緣檢測軟件的實現主要包括絕緣電阻的計算與比較、泄漏電流的測量與比較2部分。其中，絕緣電阻的計算是在電動機未工作的狀態(tài)下，通過控制繼電器的開、關狀態(tài)，用傳感器采集正、負母線與蓄電池組在不同狀態(tài)下的電壓信號，根據式(2)、(3)計算等效絕緣電阻，比較此絕緣電阻值與設定閾值的大小判斷是否發(fā)生絕緣故障。

在電動機工作狀態(tài)下，首先通過泄漏電流傳感器監(jiān)測正、負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。當出現泄漏電流時，運用霍爾電流傳感器分別測量正、負母線的電流，并比較其大小，確定絕緣故障的嚴重性。

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

圖6 硬件電路板測試實物圖Fig.6 The hardware circuit test

3 結束語

針對電動汽車電氣系統(tǒng)的絕緣問題，設計的基于非平衡電橋法與電流傳感法相結合的電動汽車智能絕緣檢測系統(tǒng)具有如下特點:

1)克服了絕緣檢測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優(yōu)勢，一定程度上提高了檢測效率和可靠性。

2)檢測系統(tǒng)的電壓、電流采集單元均選用電流輸出型傳感器，與常見的運用分壓電阻和集成運算放大器采集電壓的方式相比，電路結構簡單，抗干擾能力強。

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

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