黃雨龍，陳振斌，崔相雨，龐詔文，崔偉亞

(1.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?70228；2.寧波匯峰聚威科技股份有限公司，浙江 寧波 315191)

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池的電壓普遍高于300 V，必須保證其充分的電氣絕緣[1].但是運(yùn)行在振動(dòng)、高溫、高濕和電池內(nèi)部酸堿氣體腐蝕等工況環(huán)境下的動(dòng)力電池，其絕緣材料易損壞、絕緣性能加速下降，從而嚴(yán)重危害駕乘人員的安全[2].因此有必要對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的絕緣性能進(jìn)行有效的檢測.絕緣檢測技術(shù)是電動(dòng)汽車中一項(xiàng)保障駕乘人員安全的非常重要的技術(shù)[3].國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4]:電動(dòng)汽車的絕緣電阻值與直流電壓值的比值不能小于100 Ω/V，交流電壓值的比值不能小于500 Ω/V.

絕緣檢測方法主要的分類是通過判斷是否外接電源分為無源式[5-7]與有源式[8-9].無源式絕緣檢測技術(shù)主要通過改變接入的橋式電阻比，根據(jù)測量電壓的變化情況來計(jì)算絕緣電阻.張向文[5]等人通過控制開關(guān)的通斷調(diào)節(jié)不同的電阻比，該方法的優(yōu)點(diǎn)可以獲得正負(fù)端的絕緣電阻值，受高壓系統(tǒng)中等效電容與電感的影響較小，但缺點(diǎn)是無法測量在兩端電阻同時(shí)下降情況.Han[6]等人相對于張向文等人的設(shè)計(jì)增加了一對分壓電阻，優(yōu)點(diǎn)是改善了開關(guān)通斷過程中的電池對地的絕緣性能，不足之處仍是無法測量兩端電阻同時(shí)下降的情況.張超[7]等人考慮了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的絕緣性能，通過開關(guān)的切換獲得的不同的電壓信號計(jì)算有無驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正負(fù)端絕緣電阻，但是該方法同樣不能測量兩端電阻值同時(shí)下降的情況.有源式絕緣檢測技術(shù)主要是通過向電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)中注入電壓源等信號，通過分析采樣的放射信號值分析絕緣性能，可以有效地克服無源式存在的不能測量正負(fù)端絕緣電阻同時(shí)下降的情況.Tian[1]等人設(shè)計(jì)了有源式低壓脈沖注入檢測絕緣電阻，有效地解決了正負(fù)端電阻同時(shí)下降而無法測量的問題，但是檢測結(jié)果為母線端電阻的并聯(lián)值，容易造成誤報(bào)警的情況.贠福康[8]等人在低壓脈沖注入基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的算法模型，可以有效地檢測動(dòng)力電池未工作時(shí)的絕緣狀態(tài)，但是并未解決測量值為兩端電阻的并聯(lián)值，容易形成誤報(bào)警的問題.陳寧[9]等人同樣考慮了電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)交流側(cè)的影響，提高了絕緣監(jiān)測范圍，但是測量值同樣為并聯(lián)值.除了常用的低壓低頻有源信號注入方法外，還存在PWM高壓注入法[10-11]與直流電壓信號注入法等[12-13].PWM高壓注入對系統(tǒng)容易造成高壓沖擊，而直流信號注入由于電磁效應(yīng)存在容易對系統(tǒng)造成較強(qiáng)的電磁干擾等問題.

針對現(xiàn)有的絕緣檢測方法存在的一些不足，即部分無源式絕緣檢測法不能對同時(shí)下降的正負(fù)端電阻進(jìn)行有效的測量，部分有源式絕緣檢測法不能對正負(fù)端單側(cè)絕緣電阻進(jìn)行有效的測量.筆者在正負(fù)低壓脈沖信號注入法的基礎(chǔ)上，經(jīng)重新推導(dǎo)后提出了一種新的數(shù)學(xué)模型，基于改進(jìn)模型設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)算法模型，設(shè)計(jì)了相應(yīng)控制算法與控制電路，最后通過臺架實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了所提有源式動(dòng)力電池絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性及，保證了良好的測量精度，有效的克服了上述檢測算法中的問題.

1 檢測電阻絕緣的數(shù)學(xué)模型

圖1 動(dòng)力電池絕緣電阻檢測等效模型

將電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)簡化為電源與絕緣電阻，絕緣檢測系統(tǒng)簡化為信號源與分壓等電阻，等效模型如圖1所示.Ub為電壓值，Rp，Rn為絕緣電阻，R1，R2為接入橋式分壓電阻(其中R1=R2=R0)，Rf為采樣電阻；Us為信號發(fā)生器的電壓值(Us+，Us-分別表示信號正脈沖電壓值與負(fù)脈沖電壓值,ΔUs=|Us+-Us-|為信號的差值絕對值)；Uf為電阻Rf兩端的偏差電壓值(Uf+，Uf-分別表示偏差信號的正脈沖電壓值與負(fù)脈沖電壓值，ΔUf=|Uf+-Uf-|為偏差信號的差值絕對值).

當(dāng)RpUB.根據(jù)基爾霍夫電流定律可得

(1)

(2)

(3)

聯(lián)立可解

(4)

(5)

其中，Rq為正負(fù)端母線絕緣電阻的并聯(lián)值.可視注入信號的過程電池電壓Ub保持不變，將采集正負(fù)脈沖信號Us+與Us-，對應(yīng)的偏移信號Uf+與Uf-分別代入式(4)，得

(6)

其中，ΔUs，ΔUf均為信號差值的絕對值.將式(6)代入到公式(4)和(5)，得

(7)

(8)

當(dāng)RpUB，Us=-Us-與Uf=Uf-代入式(7)和(8)得正負(fù)端絕緣電阻分別為

(9)

(10)

當(dāng)Rp>Rn且發(fā)射信號為正半周期時(shí)，此時(shí)UA

(11)

(12)

當(dāng)Rp=Rn時(shí)，由式(6)可得正負(fù)端絕緣電阻為

(13)

2 電阻絕緣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Wang[14]等人設(shè)計(jì)的絕緣檢測數(shù)學(xué)模型考慮了電池組中各個(gè)單體電池與電阻的關(guān)系，但是并沒有對單體單池電阻的絕緣故障考慮進(jìn)檢測模型，只能判斷一側(cè)故障絕緣故障，因此該數(shù)學(xué)模型判定類型單一，不具有普遍性.Song[15]等人同樣考慮了單池電池與電阻的關(guān)聯(lián)，但是假設(shè)絕緣故障只發(fā)生在兩端，數(shù)學(xué)模型同樣是檢測一側(cè)故障，不具有普遍性.王澤京[16]等人設(shè)計(jì)的無源式外接電阻切換法的數(shù)學(xué)模型優(yōu)點(diǎn)是能夠測出單側(cè)的電阻值，但是外接電阻的通斷會降低動(dòng)力電池的絕緣性能.Yang[17-18]等人利用電池SOC估計(jì)建立數(shù)學(xué)模型判定電池外部短路.Zhang[19-20]等人利用電池SOC估計(jì)建立數(shù)學(xué)模型判定電池內(nèi)部短路.上述設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型只能測量單體電池，或者少量的單體電池組合，無法測試動(dòng)力電池組的絕緣性能.考慮到上述情況，本文改進(jìn)的絕緣電阻數(shù)學(xué)模型最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以測量任何故障類型時(shí)的單側(cè)電阻值，實(shí)現(xiàn)更加精確的判斷動(dòng)力電池組的絕緣情況.新的數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用對保障汽車安全具有重要的意義.但是不足處在對動(dòng)力電池電壓值的穩(wěn)定性，信號采集的精度要求較高，抗干擾能力要求較高，會給計(jì)算精度帶來一定的影響.

基于上述數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要完成的主要功能有低壓脈沖信號Us發(fā)生與采樣、偏差信號Uf的采樣、動(dòng)力電池電壓值信號Ub的采樣、采樣信號的濾波調(diào)理、計(jì)算絕緣電阻值、絕緣性能判斷與故障報(bào)警和CAN通信傳輸?shù)?根據(jù)系統(tǒng)功能，采用仿真軟件設(shè)計(jì)了相應(yīng)控制算法，并完成了硬件電路模塊的開發(fā).

2.1 控制算法軟件設(shè)計(jì)本文提出的有源式動(dòng)力電池絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)的控制算法用于對電阻絕緣性能的評估判斷是否發(fā)生故障，并控制報(bào)警信號等，控制邏輯由相關(guān)仿真軟件建模驗(yàn)證，其流程圖如圖2所示.采集正負(fù)脈沖壓值階段的信號Us+，Us-，對應(yīng)的偏差信號Uf+，Uf-.由于硬件電路的作用，控制器接口端采集的信號為非負(fù)值，存在一個(gè)基準(zhǔn)偏移量.采集的信號壓值需要減去相應(yīng)的基準(zhǔn)偏移量以獲得差值，該差值再除以相應(yīng)的放大系數(shù)得到的才是真實(shí)的信號量.通過比較偏差信號值的Uf+，Uf-真實(shí)信號量的大小，選用不同的計(jì)算模型計(jì)算出較為準(zhǔn)確的正負(fù)端絕緣電阻值Rp，Rn.該計(jì)算得到電阻值Rp，Rn與報(bào)警值比較，判定此時(shí)電動(dòng)汽車的絕緣性能，并根據(jù)該判定情況發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行指令.CAN總線實(shí)時(shí)將監(jiān)測系統(tǒng)得到的絕緣情況上傳到車載終端，提醒駕駛員關(guān)注車輛的絕緣情況.

2.2 硬件電路模塊設(shè)計(jì)為了滿足系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，降低硬件電路誤差帶來的干擾，該系統(tǒng)硬件電路部分采用模塊化設(shè)計(jì).硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要有信號發(fā)生模塊、偏差信號采樣模塊、動(dòng)力電池電壓采樣模塊、信號濾波調(diào)理模塊、主控模塊、故障報(bào)警模塊、CAN通信模塊和系統(tǒng)工作電源模塊等.

在圖3中主控模塊用于控制信號的發(fā)生和濾波，根據(jù)采樣的信號計(jì)算出絕緣阻值并判斷絕緣性能，依據(jù)判定的絕緣性能控制故障報(bào)警模塊的工作.信號產(chǎn)生模塊根據(jù)主控模塊的指令交替接入±40 V的電壓，形成所需的低頻低壓脈沖信號Us，并將該信號發(fā)送到動(dòng)力電池系統(tǒng)中.信號濾波調(diào)理模塊的作用是對Us信號與Uf信號進(jìn)行反向、濾波與放大等.偏差信號采樣模塊通過主控模塊的指令采集周期內(nèi)偏差信號Uf.動(dòng)力電池電壓采集模塊的作用是對動(dòng)力電池電壓值Ub進(jìn)行降壓、濾波與采樣.系統(tǒng)工作電源模塊的作用是將外部12 V供電電壓進(jìn)行穩(wěn)壓濾波，將12 V電壓轉(zhuǎn)換為±40 V與5 V等待用電壓值.故障報(bào)警模塊根據(jù)主控模塊發(fā)送的控制指令以不同的頻率閃爍報(bào)警燈或者切斷動(dòng)力電池供能系統(tǒng)；CAN通信模塊將電源電壓值、正負(fù)端絕緣性能中最低的電阻值和故障類型碼編組發(fā)送給車載終端顯示.

此外，圖3中虛線為控制信號流，細(xì)實(shí)線為數(shù)據(jù)信號流，粗實(shí)線為電信號流.

3 臺架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 試驗(yàn)臺架模型

為了驗(yàn)證上述絕緣電阻檢測算法的可行性及檢測精度的準(zhǔn)確性，搭建測試臺架.如圖4所示.該實(shí)驗(yàn)臺架主要由電池包、正負(fù)端絕緣電阻箱、穩(wěn)壓電源、絕緣監(jiān)測系統(tǒng)板、下載線和CAN總線等組成.

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4]:電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池的絕緣電阻值與直流電壓值的比值不能小于100 Ω/V.為了保證電動(dòng)汽車擁有較大的續(xù)航里程，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池的電壓普遍高于300 V，在保證充分的冗余度的前提下，設(shè)定絕緣電阻一級報(bào)警值為100 kΩ，二級報(bào)警值為300 kΩ.測試電池包標(biāo)定為72 V，校準(zhǔn)真實(shí)值為80 V.臺架測試參數(shù)及等效絕緣電阻，如表1所示.

表1 臺架測試參數(shù)

在臺架實(shí)驗(yàn)測試過程中，通過調(diào)節(jié)正負(fù)端電阻箱的電阻值模擬出現(xiàn)不同的絕緣情況.實(shí)驗(yàn)測試分為5組，分別是：第1組正負(fù)端絕緣性能正常且電阻值相等；第2組正端絕緣性能有所下降但是絕緣良好，負(fù)端發(fā)生二級絕緣故障；第3組正負(fù)端同時(shí)發(fā)生二級絕緣故障；第4組正端絕緣發(fā)生一級絕緣故障，負(fù)端發(fā)生二級絕緣故障；第5組正負(fù)端同時(shí)發(fā)生一級絕緣故障.在進(jìn)行分組測試的同時(shí)，記錄由CAN總線傳遞到PC終端的監(jiān)測系統(tǒng)測量的正負(fù)端絕緣性能最差的電阻值數(shù)據(jù).重復(fù)3次該實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析結(jié)果如表2所示.

表2 臺架測試結(jié)果

其中第1、2組實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示，其中誤差值為誤差平均值.

通過臺架測試結(jié)果可知，由測量電阻平均值小于設(shè)定的電阻值，并且存在10 kΩ左右測量偏差.測量誤差隨著Rp與Rn的降低而增大.當(dāng)Rp=Rn時(shí)，此時(shí)流過Rf上的電流主要由于Us流過.監(jiān)測系統(tǒng)采集的Uf較小，干擾作用較大，對采樣精度影響較大，造成最終的測量結(jié)果波動(dòng)較大.隨著Rp與Rn降低，采樣的Uf增大，波動(dòng)較小.當(dāng)Rp≠Rn時(shí)，此時(shí)流過Rf上的電流主要由Ub與Us疊加流過.監(jiān)測系統(tǒng)采集的Uf較大，干擾作用較小，有利于最終的測量結(jié)果.當(dāng)Rp>Rn時(shí)，采集的Uf+>Uf-；當(dāng)Rp

實(shí)驗(yàn)?zāi)M的不同的絕緣情況測得的平均電阻值小于實(shí)際值，造成此現(xiàn)象的原因是電路板溫度對電路中的電容電阻的影響較大，并且由于選型的單片機(jī)無法進(jìn)行類似于卡爾曼等較為復(fù)雜的濾波算法，使采集的偏差信號Uf干擾較多，測量結(jié)果波動(dòng)較大.綜合分析，測量結(jié)果驗(yàn)證了基于正負(fù)低壓脈沖信號注入法的改進(jìn)計(jì)算模型的可行性，基于該改進(jìn)算法的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的平均檢測誤差在5%左右，精度滿足要求.

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有的低壓低頻脈沖信號注入法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的算法模型，并基于改進(jìn)算法設(shè)計(jì)了一種有源式動(dòng)力電池絕緣監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)比較采樣得到的反射信號值，選用不同的計(jì)算模型計(jì)算絕緣電阻值.通過臺架試驗(yàn)結(jié)果與分析，驗(yàn)證了改進(jìn)算法模型的可行性和正確性，并且驗(yàn)證了運(yùn)用該算法的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的平均測量誤差量在5%左右，具有較高的測量靈敏度與精度，有效地解決了部分無源式絕緣檢測方法無法有效測量同時(shí)下降的正負(fù)端絕緣電阻與正負(fù)端單側(cè)絕緣電阻問題，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測動(dòng)力電池絕緣性能，較高的穩(wěn)定性和良好的應(yīng)用前景.下一步工作將考慮對單片機(jī)進(jìn)行升級，使用更為合適的濾波算法的同時(shí)考慮溫度等因素對監(jiān)測系統(tǒng)的影響，進(jìn)一步提高測量的精確性與穩(wěn)定性.