電動汽車高壓電連接與絕緣狀態參數在線監測

周啟晟， 楊 林， 蔡亦山， 梁偉銘， 劉 奮

(1.上海交通大學汽車電子技術研究所，上海200240；2.上海汽車集團股份有限公司，上海201804)

電動汽車高壓電連接與絕緣狀態參數在線監測

周啟晟1， 楊 林1， 蔡亦山1， 梁偉銘2， 劉 奮2

(1.上海交通大學汽車電子技術研究所，上海200240；2.上海汽車集團股份有限公司，上海201804)

介紹了電動汽車高壓電系統的集成結構，分析了安全管理中所需解決的問題，重點討論了連接狀態檢測和絕緣狀態檢測。基于同步采樣提出了連接狀態在線檢測方案以及絕緣狀態在線檢測方案，并進行了實驗驗證，給出了實驗的測試結果，證明方案的有效性。

電動汽車；連接狀態；絕緣狀態

電動汽車的電壓一般在幾百伏左右，一旦發生事故，將直接影響人的生命財產安全。因而對于電動汽車的高壓電安全管理需要引起足夠的重視。良好的高壓電安全管理，對于保障生命安全，提高能量利用率等有著重大意義。以純電動汽車為例，介紹高壓電系統的集成，集成結構如圖1所示。高壓電系統主要由電池包、高壓電模塊、高壓電管理系統和負載組成，負載可以看成等效電阻和等效電容的并聯。K1和K2是直流接觸器。高壓電管理系統需集成預充電功能，在上電前，控制預充電繼電器對容性負載進行預充電，防止上電瞬時的大電流沖擊。除此之外，高壓電管理系統還需集成過電流檢測、高低壓保護、高壓互鎖檢測、碰撞事故檢測、連接狀態檢測和絕緣狀態檢測等功能[1]。

前5項功能都具有較為成熟的技術[2-3]，而連接狀態和絕緣狀態的在線檢測是整個高壓電管理系統的難點。本文基于AD同步采樣并通過一些算法，提出了實現這兩項功能的方法，經實驗驗證，具有較高的精度。同步采樣是這些算法的基礎，研究現有同步采樣芯片的數據手冊，其實現同步采樣的方法是加入了多路采樣保持環節，但此類芯片價格昂貴，而傳統車用9S12X系列單片機只能實現順序采樣。本文通過外擴采樣保持器與順序采樣的方法實現同步采樣，既實現了功能，又節約了成本，并具有較大靈活性。

圖1 高壓電系統集成

1 高壓電故障診斷方案

1.1 連接狀態檢測

連接狀態檢測主要有兩個方法，輔助低壓回路法和動態電參數推算法。前者在高壓線路上附加低壓回路，優點是功能實現比較簡單，缺點是只能對于局部的連接狀態進行定性的估計。后者根據電壓、電流等參數的變化實時判斷連接電阻的變化[4]。

文獻[5]中提出了一種連接狀態檢測方法，可以歸類為輔助低壓回路法。利用高壓母線的電壓變化驅動光耦，根據光耦的輸出電平來判斷連接是否出現了問題。正如前文所述，這類方法只能定性地確定是否有連接故障發生。而且當連接良好時，高壓母線上幾乎沒有電壓降，如果高壓母線上的電壓大到可以驅動光耦的程度，那么連接狀況已經比較惡化了，無法在連接狀況惡化的前期發出警告。

文獻[4]利用動態電參數推算法計算連接電阻，是一種比較實用的方法，但由于電壓、電流采集的實時性和同步性沒有達到要求，計算的連接電阻值波動較大。

本文基于同步采樣技術提出連接電阻的在線監測方法。連接電阻在線檢測的原理圖如圖2所示。其中，電池可以簡化成電動勢和電池內阻的串聯，線路連接電阻用表示。

圖2 連接電阻在線檢測原理

同理，電池內阻的計算公式為：

提高連接電阻的計算精度除了提高電壓和電流采樣的精度以外，關鍵在于提高和的差值。和的差值越大，其對應的兩個電壓的差值也越大，由連接電阻的計算公式可知，此時電壓、電流采樣的誤差對連接電阻計算精度造成的影響越小。所以應根據實際情況盡可能提高這兩個電流的差值。

1.2 絕緣狀態檢測

1.2.1絕緣安全的判據

綜合研究國內外標準[6-9]，以SAE J2344[9]對于絕緣電阻的規定最為詳細。SAE J2344中提到，如果電流不超過10 mA (DC)或2 mA(AC)，這對人體來說是安全的電流，它們對應的絕緣電阻分別是100和500 Ω/V，絕緣電阻的測量對正極和負極都要進行。如果是直流電路，正端對電底盤的絕緣電阻、負端對電底盤的絕緣電阻都必須大于100 Ω/V；如果是交流電路，正端對電底盤的絕緣電阻、負端對電底盤的絕緣電阻都必須大于500 Ω/V。綜合考慮，對于直流系統，應以泄漏電流不超過10 mA(DC)為絕緣良好的判據，因為泄漏電流與人體生命安全直接相關。100 Ω/V在數值和單位上是10 mA的倒數，在標準中討論的絕緣模型下，100 Ω/V可以保證任何高壓部件與電底盤之間的短路都不會使泄漏電流超過10 mA。

1.2.2絕緣狀態檢測方案

標準[6]的附錄中描述了總正或總負發生絕緣薄弱時的檢測方法，其建立的絕緣模型也是基于此。標準中提到了電池組內部也會有泄漏通路，但并沒有討論在這種情況下，如何實現絕緣檢測。很多文獻在論述絕緣檢測時，認為只有總正和總負處才有可能發生絕緣薄弱，內部總是絕緣良好的，這是理想化的。文獻[4]中提出了單點絕緣薄弱的計算和定位方法，認為動力蓄電池組內部也有可能發生絕緣薄弱，這填補了標準中關于內部泄漏通路絕緣檢測方法的空白，但這個方法認為除了這個絕緣薄弱點以外，其他位置絕緣電阻是無窮大，這也是比較理想化的。文獻[10]提出了較為符合實際的絕緣電阻模型，而且不拘泥于絕緣電阻的測量，提出了與高壓電絕緣安全最緊密相關的泄漏電流的測量方法，是對現有方法的創新，但文中假設了人體電阻為0 Ω，這個假設不太符合實際，因而這種方法在絕緣薄弱電阻與人體電阻可比擬的時候精度不會很高。上述方法都只討論了離線情況，并沒有討論在線情況下的絕緣薄弱計算和定位。本文依舊沿用文獻[10]中的絕緣電阻模型，認為電池組間的每個接點與電底盤之間都存在有限值的絕緣電阻，在此基礎上，提出了絕緣電阻在線檢測的方法。通過在總負和地之間加入兩個不同阻值的偏置電阻，并對總負對地電壓和電池端電壓進行同步采樣，可以進行絕緣狀況的在線監測，如圖3所示。

圖3 絕緣電阻檢測原理

恒壓源與電阻的串聯可以看成恒流源與電阻的并聯，反之亦然。反復利用這兩個原理，圖3中點1和點2之間的電路最終可以等效為一個電壓源和電阻的串聯。其中等效電壓源。式中的是指從到的并聯值，而等效電阻的值為。由的表達式可以發現，當至中有任何一處發生絕緣薄弱，遠小于它們的比值可近似為0，而近似相等，它們的比值可近似為1。所以，當處發生單點絕緣薄弱時，計算出來的電壓值就近似等于距離負極的電壓大小。這就實現了絕緣薄弱的定位。

根據本文的絕緣電阻模型，每一個絕緣電阻大于100 Ω/V并不能保證最大泄漏電流小于10 mA，而當絕緣電阻的并聯值大于100 Ω/V時，可以保證泄漏電流小于10 mA。在文獻[10]中證明了最大泄漏電流是總正對地短路和總負對地短路時泄漏電流的較大值。基于此結論，并利用本文中推導的公式，總負對地短路時的泄漏電流的表達式為，當(即，式中：為電池組總電壓，，對于總正對地短路，也可類似證明。

加入偏置后，有下式成立：

2 實驗驗證

為了驗證文中提出方案的有效性，搭建如圖4所示的電路。

圖4 實驗電路

采用3節標稱電壓是12 V的鉛酸電池串聯作為電源，負載采用充放電機編寫動態電流工況，為電壓采樣，為電流采樣。由控制器進行這4個量的同步采樣。為絕緣電阻，分為絕緣良好和絕緣薄弱兩種工況，用4個撥動開關手動控制，和是總負處不同阻值的偏置電阻，由控制器控制。為連接電阻，分別用0.1，0.2 Ω的大功率電阻進行實驗。計算出的結果通過CAN總線發送至上位機進行數據記錄。

2.1 連接狀態檢測方案驗證

程序中制定，當電流大于50 A時，可以作為一個標準電流，在后面的電流工況中，一旦有電流比標準電流小10 A，就可以用這兩次的數據進行連接電阻的計算。不論是否計算，如果此電流大于50 A，將之作為新的標準電流。初始標準電流為0，初始連接電阻值為0。以標準電流減去當前電流為縱坐標1，虛線線型繪制。以當前計算得到的連接電阻值為縱坐標2，實線線型繪制，以時間為橫坐標，同時將電流工況附于計算結果圖的下方，則兩個連接電阻的實驗計算結果如圖5所示。

圖5 兩個連接電阻的實驗計算結果

對實驗結果進行誤差分析，以電流差為橫坐標，連接電阻計算精度為縱坐標作圖，0.1和0.2 Ω的誤差分析如圖6所示。

分析圖6中的曲線可知，當兩個計算電流之間差異較大時，計算的連接電阻較為準確，差異較小時，連接電阻計算會有較大偏差。對計算結果進行誤差分析，當電流差達到30 A時，精度可以達到20%以內，即0.1 Ω電阻的計算結果在0.08～0.12 Ω，0.2 Ω電阻的計算結果在0.16～0.24 Ω。當電流差達到60 A時，精度可以達到10%以內，即0.1 Ω電阻的計算結果在0.09～0.11 Ω，0.2 Ω電阻的計算結果在0.18～0.22 Ω。因此，在實際應用中通過調整程序中設定的電流差值，可以得到很好的計算精度，且具有實用性。

2.2 絕緣狀態檢測方案驗證

總正到總負之間有4個位置，設位置號為1，2，3，4，總正值為36 V，實驗值約為35 V，2號位故障理論值為24 V，實驗值約為24 V，3號位故障理論值為12 V，實驗值約為13 V，4號位故障理論值為0 V，實驗值約為1 V。

圖6 兩個連接電阻的實驗計算結果誤差分析

表1 絕緣檢測電阻分布

圖7 絕緣電阻實驗結果

控制撥動開關，在動態電流工況下，依次接入1，2，3，4處的絕緣薄弱電阻，按照接入位置1，還原；接入位置2，還原；接入位置3，還原；接入位置4，還原的順序，制造單點絕緣薄弱故障。各個位置的絕緣電阻分布如表1所示，實驗結果如圖7所示。

圖7(a)是驗證絕緣檢測方案采用的動態電流曲線(充電工況)，圖7(b)是計算的絕緣等效并聯阻值，圖7(c)是等效電壓。圖中時間軸55～80 s是接入1號位絕緣薄弱，105～130 s是接入2號位絕緣薄弱，150～170 s是接入3號位絕緣薄弱，185～225 s是接入4號位絕緣薄弱，其他時間都是還原狀態，4個位置全部絕緣良好。從圖7(b)看，當沒有任何絕緣故障發生時，的計算值在18 kΩ附近波動，理論值是18.412 kΩ。當4號位發生絕緣薄弱時，計算誤差較大，其他位置發生故障時，計算值在1.2 kΩ左右，理論值約為0.95 kΩ。的計算值用于絕緣薄弱的定位。從圖7(c)的定位結果來看，1號位故障理論會有誤差，但也不會影響定位。實際應用中，可以將兩個方案結合，當定位值靠近總負時，采用總正偏置的電阻計算值，當定位值靠近總正時，采用總負偏置的電阻計算值，實際應用中還需要對計算出來的結果進行濾波。總的來說，這個方案可以準確地監測絕緣狀況，并對絕緣故障進行定位。

3 結論

本文介紹了高壓電系統集成結構以及高壓電管理系統應實現的功能，對于管理系統中的難點進行了分析，并提出了在線連接狀態檢測和在線絕緣狀態檢測的方案，方案的實現以AD同步采樣為基礎，經實驗驗證，當電流差大于60 A時，連接電阻的計算精度可以達到10%以內，絕緣并聯阻值和絕緣薄弱的定位也具有很好的精度，在實車上具有實用意義。

[1]宋炳雨，高松，郎華，等.純電動汽車高壓電故障診斷與安全管理策略研究[J].重慶交通大學學報，2010,29(5):804-807.

[2]張毅.純電動轎車動力總成控制系統的研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[3]朱建新，鄭榮良，卓斌，等.電動汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究[J].汽車工程，2007,29(4):308-312.

[4]趙春明，吳志新，馬寧，等.電動汽車高壓電系統狀態參數在線監測[J].吉林大學學報，2007,31(1):37-42.

[5]宋炳雨.純電動汽車高壓電安全管理系統研究與設計[D].淄博：山東理工大學，2011.

[6]全國汽車標準化委員會.GB/T 18384,電動汽車安全要求[S].中國：國家機械工業局，2001.

[7]BSI.ISO 6469,Electrically propelled road vehicles-Safety specifications[S].Switzerland:ISO,2009.

[8]BSI.BS EN 1987,Electrically propelled road vehicles-Specific requirements for safety[S].UK:BSI,1997.

[9]SAE.SAE J2344,Guidelines for Electric Vehicle Safety[S].USA:SAE,2010.

[10]黎林，姜久春.電動汽車電池組絕緣檢測方法的研究[J].電子測量技術，2009,32(2):76-78.

Online monitoring of high voltage safety parameters in electric vehicles

The integrated structure and problems needed to be solved in high voltage system in electric vehicles were introduced.Great emphasis was placed on discussing connection state and insulation state, which were basic functions of high voltage management system.Methods of online monitoring of connection state and insulation state based on AD synchronous sampling were proposed.These methods were verified by experiments.

electric vehicle;connection state;insulation state

TM 83

A

1002-087 X(2016)03-0655-04

2015-08-28

國家科技支撐計劃(2013BAG03B01)；上海市創新行動計劃(12dz1202103)

周啟晟(1989—)，男，上海市人，碩士生，主要研究方向為電動汽車高壓電安全管理。

楊林，E-mail:yanglin@sjtu.edu.cn