任寶森

摘要： 針對(duì)電動(dòng)大巴車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)中存在非對(duì)稱絕緣故障監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出一種基于外加電阻原理的檢測(cè)方法，并對(duì)基于STM32單片機(jī)的電動(dòng)大巴車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)中的STM32單片機(jī)，通過(guò)控制電壓采集芯片ADS1255，采集動(dòng)力電池正負(fù)極對(duì)車(chē)體電壓，而且通過(guò)繼電器控制拓?fù)潆娐罚淖兺負(fù)潆娐返慕Y(jié)構(gòu)，并由拓?fù)潆娐酚?jì)算公式計(jì)算電池正負(fù)極對(duì)車(chē)體絕緣電阻。同時(shí)，通過(guò)車(chē)輛內(nèi)部控制器局域網(wǎng)絡(luò)通信電路，將數(shù)據(jù)發(fā)送給電動(dòng)大巴車(chē)絕緣阻抗進(jìn)行報(bào)警判定。為分析電池的絕緣損壞過(guò)程，該設(shè)計(jì)搭載時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)電路對(duì)測(cè)試到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在系統(tǒng)對(duì)稱絕緣損壞和非對(duì)稱絕緣損壞的狀況下，絕緣電阻測(cè)量誤差在2%以內(nèi)，并且當(dāng)動(dòng)力電池正負(fù)極對(duì)車(chē)體絕緣阻抗小于系統(tǒng)設(shè)定的絕緣阻抗時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警。該研究滿足國(guó)家對(duì)電動(dòng)大巴車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)精度的要求。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)大巴車(chē)； 絕緣電阻； 動(dòng)力鋰電池； STM32

中圖分類(lèi)號(hào)： TM934.31； U469.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

近幾年，電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展快速[1]，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)[25]對(duì)其安全性進(jìn)行了深入研究，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相關(guān)產(chǎn)品，投入實(shí)際應(yīng)用。在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)，動(dòng)力蓄電池和車(chē)體絕緣電阻阻值具有明確要求，絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)蓄電池與車(chē)體的絕緣電阻，并能夠根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定及行業(yè)要求，在絕緣電阻過(guò)低時(shí)報(bào)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(dòng)汽車(chē)上已經(jīng)配備相關(guān)的高壓絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]，同時(shí)該系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）[78]進(jìn)行交互，共同完成對(duì)動(dòng)力電池組的管理監(jiān)測(cè)。目前，市場(chǎng)上存在的絕緣監(jiān)測(cè)方案有漏電直測(cè)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(hào)注入法[12]等，其中最常用的是平衡電橋法和高頻信號(hào)注入法[13]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在電動(dòng)汽車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)方面的發(fā)展也相對(duì)較快，許多研究機(jī)構(gòu)[1417]在絕緣監(jiān)測(cè)方面做了大量相關(guān)研究，而且其產(chǎn)品在絕緣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域占據(jù)較大比重。雖然傳統(tǒng)的汽車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較準(zhǔn)確的檢測(cè)出非對(duì)稱絕緣損壞的絕緣阻抗，但對(duì)于對(duì)稱絕緣損壞的檢測(cè)略顯不足。因此，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)存在測(cè)量精度低，對(duì)對(duì)稱絕緣故障測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題[18]，本文基于外加電阻監(jiān)測(cè)理論，對(duì)電動(dòng)大巴車(chē)鋰電池絕緣阻抗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在對(duì)稱絕緣損壞和非對(duì)稱絕緣損壞狀況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣電阻的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。本研究測(cè)量精度高，符合國(guó)家的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1理論分析

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR2604791，人體產(chǎn)生感覺(jué)的電流門(mén)限值為2 mA。因此，在人體電阻與動(dòng)力電池組成的環(huán)路中，通過(guò)的電流不超過(guò)2 mA，即汽車(chē)的最大泄漏電流不超過(guò)2 mA才認(rèn)為其絕緣合格。在汽車(chē)行業(yè)中，泄漏電流定義為電池組某點(diǎn)與汽車(chē)電底盤(pán)之間的泄漏電流，為保證人們?cè)诔塑?chē)時(shí)的人身安全，該電流應(yīng)不超過(guò)2 mA。因此，在汽車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)動(dòng)力鋰電池電壓和最大泄漏電流，可計(jì)算汽車(chē)電池正負(fù)極對(duì)車(chē)底盤(pán)的最小絕緣電阻。絕緣電阻具體測(cè)試方案如下：

1）電池負(fù)極對(duì)車(chē)底盤(pán)電壓進(jìn)行測(cè)試，電池負(fù)極測(cè)試原理如圖1所示，圖1中，RP、RN分別為電動(dòng)大巴車(chē)動(dòng)力蓄電池正、負(fù)母線對(duì)車(chē)體絕緣電阻。

2）電池正極對(duì)車(chē)底盤(pán)電壓測(cè)試，電池正極測(cè)試原理如圖2所示。

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

其絕緣電阻計(jì)算公式為

RN=V1-V1V1RN1（1）

4）如果測(cè)量電壓V1其絕緣電阻計(jì)算公式為

RP=V2-V2V2RP1（2）

2硬件設(shè)計(jì)

絕緣監(jiān)測(cè)裝置主要包括單片機(jī)STM32及其外圍電路、電壓測(cè)量電路、存儲(chǔ)電路、聲光報(bào)警電路、AD采樣電路等。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

2.1STM32單片機(jī)

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

2.2電壓采集電路設(shè)計(jì)

為防止外部電壓采集電路影響單片機(jī)正常工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，電路需將單片機(jī)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(jī)SPI接口通過(guò)光耦與ADS1255電壓采集芯片的SPI接口進(jìn)行通信，其ADS1255電路原理圖如圖6所示。

2.3存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

在該設(shè)計(jì)中，需要存儲(chǔ)系統(tǒng)報(bào)警信息等數(shù)據(jù)，因此選用AT24C512存儲(chǔ)芯片作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。AT24C512是ATMEL公司生產(chǎn)的512 kB的存儲(chǔ)芯片，其數(shù)據(jù)通信方式為IIC通信，同時(shí)，該芯片具有寫(xiě)保護(hù)功能，單片機(jī)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期內(nèi)關(guān)閉寫(xiě)保護(hù)功能對(duì)芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)；在非數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期內(nèi)，開(kāi)啟芯片寫(xiě)保護(hù)功能防止芯片數(shù)據(jù)被篡改。

2.4CAN通訊電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中，絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用汽車(chē)內(nèi)部的CAN總線將絕緣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到電動(dòng)大巴車(chē)的控制臺(tái)。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(zhuǎn)換器，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，大大增強(qiáng)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(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主要完成電動(dòng)大巴車(chē)動(dòng)力電池絕緣阻抗檢測(cè)及與電動(dòng)大巴車(chē)控制臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。考慮單片機(jī)程序的可移植性以及縮短項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期，選擇使用Keil軟件及ST公司提供的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)進(jìn)行單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)。在Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境中對(duì)程序進(jìn)行編輯、連接、編譯以后，將程序下載到單片機(jī)中。單片機(jī)程序主要負(fù)責(zé)模擬量采集、絕緣阻抗計(jì)算、CAN數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究系統(tǒng)是以300 V/20 A的鋰電池組為核心進(jìn)行搭建，同時(shí)使用FLUKE187型數(shù)字萬(wàn)用表作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果校準(zhǔn)儀器。本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)力鋰電池正負(fù)極與電動(dòng)大巴車(chē)車(chē)體間并聯(lián)電阻的方式模擬鋰電池對(duì)車(chē)底盤(pán)絕緣阻抗變化，通過(guò)上位機(jī)獲取系統(tǒng)測(cè)量絕緣電阻阻值，絕緣電阻測(cè)試表如表1所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻測(cè)量中存在的電阻測(cè)量精度低、對(duì)對(duì)稱故障測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出了一種基于外加電阻的測(cè)量方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，絕緣阻抗誤差在2%以內(nèi)。該方案與目前存在的相關(guān)方案相比，具有電路相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、對(duì)對(duì)稱故障測(cè)量精確的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試表明，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車(chē)動(dòng)力電池正負(fù)極對(duì)車(chē)輛底盤(pán)之間絕緣電阻的精確測(cè)量，同時(shí)可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取等。該研究對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池絕緣阻抗測(cè)量具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，為電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展提供了安全保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]辛鳳影， 王海博. 電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展?fàn)顩r與商業(yè)化前景分析[J]. 國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)， 2010（7）： 2024.

[2]彭鵬. 直流電源絕緣檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙： 中南林業(yè)科技大學(xué)， 2014.

[3]余劍峰. 直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測(cè)研究[D]. 武漢： 武漢大學(xué)， 2004.

[4]張寶生. 直流系統(tǒng)在線絕緣檢測(cè)裝置的研制[D]. 南京： 東南大學(xué)， 2006.

[5]黃勇， 陳全世， 陳伏虎. 電動(dòng)汽車(chē)電氣絕緣檢溯方法的研究[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2005， 6（4）： 9395.

[6]張向文， 高冠. 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池絕緣電阻實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)： 工學(xué)版， 2017， 47（5）： 13951402.

[7]周啟晟， 楊林， 蔡亦山， 等. 電動(dòng)汽車(chē)高壓電連接與絕緣狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)[J]. 電源技術(shù)， 2016， 40（3）： 655658.

[8]張俊， 謝偉東. 純電動(dòng)汽車(chē)高壓回路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程， 2013， 30（3）： 364367.

[9]黃海宏， 全成， 黃錦. 基于差流檢測(cè)法的分布式直流接地巡檢系統(tǒng)[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)， 2009， 3（11）： 3641.

[10]趙輝. 高壓電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J]. 寧夏機(jī)械， 2009， 1（3）： 1114

[11]王錦忠. 電動(dòng)汽車(chē)絕緣檢測(cè)裝置的研制[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2007.

[12]姜雨， 沙立民， 任誼. 基于低頻信號(hào)法的電動(dòng)汽車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)方法研究[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)， 2014， 33（11）： 2528.

[13]王嘉悅， 張維戈， 溫家鵬， 等. 電動(dòng)汽車(chē)有源式絕緣監(jiān)測(cè)方法研究[J]. 電測(cè)與儀表， 2011， 48（5）： 69.

[14]李立偉， 陳偉斌， 馬平. 新型直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置及其實(shí)現(xiàn)[ J]. 高電壓技術(shù)， 2009， 34（11）： 23222326.

[15]趙炳君， 李國(guó)平. 客車(chē)供電系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)探討[ J]. 鐵道車(chē)輛， 2002， 40（11）： 3132

[16]馮碩. 地區(qū)電網(wǎng)變電站直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京： 華北電力大學(xué)， 2014.

[17]閆軍山. 大亞灣核電站直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)裝置的研制及應(yīng)用[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2009.

[18]江濤. 直流系統(tǒng)漏電流絕緣監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用中的問(wèn)題[J]. 云南電力技術(shù)， 2009， 37（1）： 1820.

[19]李華忠， 陳俊， 張琦雪， 等. 直流起勵(lì)過(guò)程中絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響及對(duì)策[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備， 2015， 35（1）： 170174.