混合動力汽車用電池包動態絕緣電阻檢測方法研究

周興葉　朱建新　陳祥　儲愛華

摘 要： 基于混合動力汽車高壓動力電池安全性的要求，設計一種快速響應動態絕緣電阻檢測電路。分析絕緣檢測電路的設計原理，分別測試電池包正負高壓母線外接不同絕緣電阻阻值時的檢測精度。測試表明，該電路測量精度高，在1 MΩ以下的絕緣電阻檢測中，誤差小于5%，滿足實際設計要求。

關鍵詞： 混合動力汽車； 新能源汽車； 絕緣檢測； 電池管理系統

中圖分類號： TN37?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0121?04

Abstract： For the safety requirement of the high?voltage power battery of hybrid power automobile， a dynamic insulation resistance detection circuit with rapid response was designed. The design theory of the insulation detection circuit is analyzed. The detection accuracy of the battery pack′s positive and negative high?voltage buses connected with different insulation resistances was tested. The test results show that the circuit has high measuring accuracy， and its error is less than 5% while detecting the insulation resistance below 1 MΩ， which satisfies the practical design requirement.

Keywords： hybrid power automobile； new energy vehicle； insulation detection； battery management system

0 引 言

電動汽車行業的飛速發展，在滿足現有功能的基礎上，對其安全性能要求也是越來越高。動力電池作為新能源汽車部分或全部的動力源，其電壓一般比較高，并且工作時充放電電流較大，加上惡劣的使用環境，如振動、沖擊、氣候冷熱交替等影響，高壓絕緣部分可能會出現絕緣故障[1]。因此，動力電池工作中，若電池組的正極或負極與車身發生短路，會影響汽車使用安全及人身安全，在高壓電池的正極或負極與車身發生短路隱患時，能夠及時通過絕緣電阻檢測電路檢出，并及時報故障進行處理才能避免人身安全受到傷害。因此，高壓電池包的安全性一直是新能源汽車行業備受關注的問題，絕緣檢測在新能源汽車行業的發展意義重大[2]。目前，絕緣電阻檢測電路及其控制方式一般比較復雜[3]，且動態響應差，并且極易造成電池管理系統（BMS）的損壞。針對高壓電池包的危險性，以飛思卡爾單片機為控制器，設計出一種簡單快速檢測絕緣電阻的電路，其主要通過控制器向電路中注入電流，測量基準電阻兩端電壓，并通過計算得出絕緣電阻值[4?6]。實驗證明，該絕緣電阻檢測電路反應速度快、精度高，增加了新能源汽車使用的安全性。

1 絕緣電阻檢測硬件設計

目前絕緣檢測的方法主要有兩種，一是采用信號注入的方法進行測量，另外一種方法是采用外接電阻切換測量[7]。本文主要采用信號注入法進行絕緣電阻測試。信號注入法主要是通過注入一定頻率的直流電壓信號，通過測量反饋信號以測量絕緣電阻。圖1為設計的絕緣檢測電路。圖中，V1為基準電阻R1的前端電壓，V2為基準電阻R1的后端電壓，VCC為5 V電壓，D1，D2為兩個鉗位二極管，用于鉗制基準電阻R1的后端電壓V2在0～5 V之間，C1為高壓電容，CPU為飛思卡爾單片機，其中與該電路的接口為單片機某一控制口，Rx為所需測試的當量絕緣電阻。V1的測壓電路包括電阻R5、放大器E1及電阻R6。V2測壓電路由電阻R7、放大器E2、電阻R8、放大器E3、電阻R9以及電容C4組成，后端放大器主要為了防止零點漂移，V1，V2外接單片機的控制口來采集基準電阻R1兩端的電壓值。R4為上拉電阻，防止放電時流經三極管Q的電壓過大而被擊穿。

2 絕緣電阻硬件檢測原理

該電路主要通過采集基準電阻R1兩端電壓，再經單片機處理計算得出當量絕緣電阻值Rx。當動力電池正極或電池中間部分發生絕緣故障時，電池組電流從正極或中間部分依次流經絕緣電阻、二極管D2、限流電阻以及電容再流回電池組負極，從而形成閉合回路，當電容充滿電后，回路中的電流為零，此時可以忽略二極管D2的壓降，則高壓電容的電壓等于電池組的總電壓。因此，高壓電容在正常情況下可以起到將電池組與車身隔離的作用，并且可以平衡當量絕緣電阻非接地端與電池組總負端之間的電壓，使電容的正端與當量絕緣電阻非接地端之間的電壓近似為零，從而使電池組自身的電壓不能產生附加的電流，計算出來的絕緣電阻的數值更加準確。此外，當絕緣電阻快速恢復正常時，電容上的電荷可迅速地通過二極管D1向充電端的電路中釋放，迅速消除故障。負極短路的絕緣檢測原理與正極相同，主要檢測時序如下：

（1） 單片機（圖1中CPU）輸出低電平時，三極管Q截止，此時通過充電端VCC向高壓電容C1充電，并實時采集基準電阻R1兩端的電壓V11，V12。

（2） 單片機（圖1中CPU）輸出高電平時，三極管Q導通，此時高壓電容C1向接地端放電，并實時采集基準電阻R1兩端的電壓V21，V22。

（3） 計算絕緣電阻Rx，由歐姆定律可知：在控制單元輸出低電平時，在該電路對高壓電容充電的過程中，都可以通過歐姆定律即時得出：

3 絕緣檢測軟件設計

軟件設計是驗證該絕緣檢測電路的有效方法之一，系統軟件采用基于單片機的C語言編程，其編程環境在Code Warrior IDE中進行。具體軟件時序流程見圖2。

實時中斷中，對當前時間進行有效判斷：

（1） CPU端輸出低電平，此時三極管Q截止，5 V的VCC通過R1，R2向高壓電容C充電；

（2） 采集V1，V2兩點電壓分別記為V11，V12；

（3） CPU端輸出高電平，此時三極管Q導通，高壓電容C通過R1，R2向地放電；

（4） 采集采集V1，V2兩點電壓，分別記為V21，V22；

（5） CPU端輸出低電平，此時三極管Q截止，5 V 的VCC通過R1，R2向高壓電容C充電；

（6） 維持充電狀態，直到進入下個測試周期。

4 試驗測試與分析

4.1 電池包模擬實驗

4.1.1 實驗儀器與對象

實驗儀器包括，集成絕緣檢測電路的BMS電路板、色環電阻、四通道采樣示波器、288 V/6 A·h的鎳氫動力電池包。

4.1.2 實驗步驟

實驗中采用鎳氫動力電池包進行測試，連接好測試平臺，圖3為單板測試平臺，圖4為色環電阻。

4.2 試驗結果與討論

在電池包電壓采樣電路中接入了2 MΩ的電阻，因此，在測量的數據中實際絕緣電阻Rx應該是其與2 MΩ并聯的值，在電源負極連接上述阻值的電阻分別進行測試，在軟件時序控制中示波器抓取V1，V2兩端電壓，其中圖5為電池包負極接絕緣阻值30 kΩ時捕捉的基準電阻R1兩端V1，V2的波形；圖6為電池包負極接絕緣阻值300 kΩ時捕捉的基準電阻R1兩端V1，V2的波形， 記錄采集后回放的數據，見表1。

同理，其中圖7為電池包正極接絕緣阻值200 kΩ時抓取的基準電阻R1兩端V1，V2的波形；圖8為正極接絕緣阻值500 kΩ時抓取的基準電阻R1兩端V1，V2的波形， 記錄采集后回放的數據，見表2。

由表2中數據可知，正負極絕緣檢測等效，負極絕緣檢測精度較正極略高，但在允許的誤差范圍之內，采樣精度隨著測試阻值的增大而降低，且當絕緣阻值在1 MΩ以下時其采樣精度大于95%。一般情況下，當電池包上強電后（電池包高壓閉合），檢測到絕緣阻值到達某一值時可觸發絕緣故障報警，從而可以從源頭發現電池包故障，保證車輛行駛安全與人身安全。

5 結 論

絕緣檢測是電動汽車發展過程中的一項關鍵技術，分析設計的快速響應動態絕緣電阻檢測電路，通過高壓電容將高壓與低壓進行隔離，降低高壓對絕緣檢測精度的影響，結合軟件時序控制，在動力電池包上分別進行了正負極短接色環電阻測試，通過對高壓電容的充放電，可以快速準確地測量出絕緣電阻，發現故障并及時觸發報警，解決了現有絕緣電阻檢測響應速度及檢測精度等問題，保證汽車行駛安全與人身安全。測試表明，該測量電路具有穩定性好、電路簡單、測試方法簡便、抗干擾能力強、精度高、反饋速度快等優點，在新能源汽車的發展中具有重要前景。

注：本文通訊作者為朱建新。

參考文獻

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