高 躍

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海 201206)

為了提高電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，進(jìn)而提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作效率，現(xiàn)代電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組工作電壓基本被提高到了300 V以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人體安全電壓。由于工作過程中動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等高壓零部件會(huì)受到機(jī)械振動(dòng)、酸堿腐蝕、高低溫等因素的影響，高壓部件存在絕緣失效的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致車輛故障、人員傷害、車輛起火等重大安全事故[1]。為避免如上風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)整車高壓系統(tǒng)絕緣電阻的變化趨勢(shì)，在發(fā)現(xiàn)絕緣電阻異常時(shí)及時(shí)切斷高壓系統(tǒng)，通知駕駛員并準(zhǔn)確地檢測(cè)和上報(bào)整車絕緣電阻值將具有重要意義。為了進(jìn)一步提高絕緣電阻在線檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和檢測(cè)精度，筆者對(duì)現(xiàn)有常規(guī)檢測(cè)方法進(jìn)行了分析，確定了影響絕緣電阻檢測(cè)精度的因素,并基于分析結(jié)果開發(fā)出了一種集成式的絕緣電阻在線檢測(cè)方法。

1 常規(guī)絕緣電阻檢測(cè)方法

1.1 主動(dòng)檢測(cè)方法

采用主動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)時(shí),需要為其開發(fā)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路，通過場(chǎng)效應(yīng)管(MOS)開關(guān)等主動(dòng)控制并入已知阻值的標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻或注入電流等方式實(shí)現(xiàn)母線電壓的偏移變化[2]，然后檢測(cè)變化后的母線電壓，計(jì)算得到車輛的絕緣電阻值。

目前電動(dòng)汽車主要采用的是固定偏置電阻的主動(dòng)式檢測(cè)方法，且常見的主動(dòng)絕緣電阻檢測(cè)方法大多是根據(jù)GB/T 18384-2020《電動(dòng)汽車 安全要求 第1部分：車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(REESS)》的技術(shù)要求進(jìn)行檢測(cè)[3]。該主動(dòng)檢測(cè)方法可以識(shí)別和計(jì)算車輛正極對(duì)地或負(fù)極對(duì)地的絕緣電阻值，當(dāng)絕緣電阻值較低時(shí)也可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算絕緣電阻的阻值并及時(shí)上報(bào)報(bào)警信息。但是因?yàn)檎嚫邏夯芈分须娙莸纫蛩氐拇嬖?，接入偏置電阻后，直流母線電壓需要較長的時(shí)間才可以達(dá)到新的穩(wěn)定值。因此，計(jì)算絕緣電阻值需要的時(shí)間較長，無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)于突發(fā)的絕緣電阻異常情況無法及時(shí)報(bào)警并切斷高壓系統(tǒng)，不能完全滿足功能安全的要求。

圖1為高壓系統(tǒng)絕緣電阻主動(dòng)檢測(cè)電路示意圖，其中Riso+和Riso-為待測(cè)車輛正、負(fù)極對(duì)地的絕緣電阻，R1和R3為正極對(duì)地分壓平衡電阻，R2和R4為負(fù)極對(duì)地分壓平衡電阻。通過分壓電阻，將動(dòng)力電池包的正極和負(fù)極電壓固定在對(duì)稱值上,比如當(dāng)電池包系統(tǒng)電壓是380 V時(shí)，正、負(fù)極電壓均為190 V。

圖1 高壓系統(tǒng)絕緣電阻主動(dòng)檢測(cè)電路示意圖Fig.1 Diagram of active detection circuit forinsulation resistance of high voltage system

開關(guān)S1和S2的閉合和斷開通過MOS自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算時(shí)間也在毫秒級(jí)內(nèi)。在控制偏置電阻的開關(guān)S1和S2均斷開時(shí)，通過正、負(fù)極電壓分壓電路中的一部分電壓U1和U2檢測(cè)電池組的正、負(fù)極電壓UP和UN，并比較UP和UN的大小關(guān)系，在較大電壓的一側(cè)，應(yīng)閉合對(duì)應(yīng)的偏置電阻開關(guān)以并入偏置電阻，然后檢測(cè)偏置后的電壓并計(jì)算絕緣電阻值。以正極電壓較大的情況，即UP大于UN為例，閉合S1開關(guān)以并聯(lián)接入正極的偏置電阻Rbias，再次同時(shí)檢測(cè)正、負(fù)極電壓，得到UP0和UN0，基于基爾霍夫定律聯(lián)立方程，可以計(jì)算出整車絕緣電阻值為Riso=Riso-=Rbias×(UN0/UP0-UN/UP)。同理，如果Up小于UN，則可以計(jì)算得到Riso=Riso+=Rbias×(UP0/UN0-UP/UN)。

1.2 被動(dòng)檢測(cè)方法

被動(dòng)檢測(cè)方法不需要額外的檢測(cè)電路，只需要實(shí)時(shí)的讀取正、負(fù)母線電壓值并對(duì)正、負(fù)電壓值進(jìn)行判斷，即可得到絕緣電阻的變化趨勢(shì)。由圖1可知，分壓電阻阻值R1+R3與R2+R4相等，車輛系統(tǒng)正極對(duì)地和負(fù)極對(duì)地的絕緣電阻在正常情況下也是對(duì)稱的，因此，電池組總電壓被對(duì)稱分布在正、負(fù)高壓母線上。在車輛正常情況下，高壓系統(tǒng)正極對(duì)地電壓UP與負(fù)極對(duì)地電壓UN的比值基本等于1。當(dāng)車輛某一極對(duì)地絕緣電阻發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩極對(duì)地電壓不再對(duì)稱分布，即UP/UN將大于1或小于1。因?yàn)楦邏合到y(tǒng)正、負(fù)極電壓可以通過電壓檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)，無需額外增加控制電路，因此，通過該比值進(jìn)行絕緣電阻異常狀態(tài)的檢測(cè)的響應(yīng)更快，可滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)并報(bào)警的功能安全要求。對(duì)于該電壓比例的報(bào)警閾值可以根據(jù)整車系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3 主動(dòng)檢測(cè)方法和被動(dòng)檢測(cè)方法優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比

通過對(duì)兩種絕緣電阻檢測(cè)方法原理的分析，得到該兩種檢測(cè)方法的優(yōu)、缺點(diǎn)，如表1所示?？梢娭鲃?dòng)檢測(cè)方法耗時(shí)比被動(dòng)檢測(cè)方法的長，但是可以得到準(zhǔn)確的電阻值，并可以識(shí)別到雙側(cè)同時(shí)發(fā)生絕緣失效的情況；被動(dòng)檢測(cè)方法雖然無法得到準(zhǔn)確阻值，但是可以實(shí)時(shí)檢測(cè)單側(cè)絕緣失效。為了能滿足上報(bào)絕緣電阻值和提高故障檢測(cè)響應(yīng)實(shí)時(shí)性的要求，通常將兩種絕緣電阻檢測(cè)方法聯(lián)合使用。

表1 絕緣電阻主動(dòng)檢測(cè)方法和被動(dòng)檢測(cè)方法的優(yōu)、缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of active and passivedetection methods for insulation resistance

2 絕緣電阻主動(dòng)檢測(cè)方法的檢測(cè)精度

2.1 絕緣電阻主動(dòng)檢測(cè)誤差

新版GB/T 38661-2020《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》中增加了對(duì)電動(dòng)汽車絕緣電阻值檢測(cè)結(jié)果精度的要求，為滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，就需要找到提高絕緣電阻檢測(cè)精度的方法，進(jìn)一步提高人車安全性。

絕緣電阻的檢測(cè)過程相對(duì)較短，因此假設(shè)電池包總電壓U保持不變。UP，UN，UP0，UN0的檢測(cè)相對(duì)誤差分別為λP，λN，λP0，λN0，標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻Rbias的相對(duì)誤差為λRbias。據(jù)誤差理論的誤差絕對(duì)值合成法可以得到Riso的相對(duì)誤差λRiso+和λRiso-分別為

λRiso+=λRbias+(λP+λN+λP0+λN0)×

(1+Rbias//Riso+)

(1)

λRiso-=λRbias+(λP+λN)×Rbias/Riso++

(λP0+λN0)×(1+Rbias//Riso+)

(2)

根據(jù)以上分析可知，絕緣電阻檢測(cè)相對(duì)誤差主要與標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻檢測(cè)誤差、電壓檢測(cè)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻與待測(cè)電阻的比值有關(guān)。根據(jù)對(duì)絕緣電阻檢測(cè)相對(duì)誤差分析，可通過如下兩種方式提高絕緣電阻的檢測(cè)精度。

(1) 選用精度高、溫度漂移小、阻值適合的偏置電阻，以降低偏置電阻和待測(cè)高壓系統(tǒng)絕緣電阻的比值，進(jìn)一步降低偏置電阻的相對(duì)誤差λRbias。

(2) 4組電壓檢測(cè)結(jié)果的精度均會(huì)影響到最終檢測(cè)結(jié)果的精度，所以應(yīng)提高電壓檢測(cè)精度。

2.2 偏置電阻選型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢測(cè)的總誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻和待測(cè)電阻的比值有直接關(guān)系。當(dāng)Rbias?Riso時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)的誤差最小。但是，過低的偏置電阻也會(huì)導(dǎo)致整車高壓系統(tǒng)絕緣電阻的阻值顯著降低，帶來額外的失效風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)過小的偏置電阻也會(huì)帶來巨大的電壓偏移。因此，偏置電阻的選型設(shè)計(jì)應(yīng)遵循兩個(gè)原則，(1)偏置電阻不會(huì)顯著降低原有系統(tǒng)的絕緣性能；(2)可以提高絕緣電阻的檢測(cè)精度，且能兼顧到整車正常狀態(tài)下高絕緣電阻和故障狀態(tài)下低絕緣電阻兩種情況。

部分文獻(xiàn)[4]建議選型設(shè)計(jì)時(shí)參考系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，其電阻選型依據(jù)一般為100～500 Ω·V-1。對(duì)于標(biāo)稱電壓在360 V的電動(dòng)汽車來說，偏置電阻為180 kΩ時(shí)已經(jīng)小于部分廠家設(shè)定的絕緣電阻報(bào)警閾值的下限。因此判斷該偏置電阻的選型方法不合理，容易觸發(fā)車輛發(fā)生絕緣電阻值低的誤報(bào)警事件。

2.3 電壓檢測(cè)精度的提升

電壓檢測(cè)精度的提升主要考慮兩個(gè)方面，一方面是提高電壓檢測(cè)電路方面的檢測(cè)精度，比如采用低溫度漂移的電阻分壓電路，增加多階低通濾波電路，采用雙積分、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，主控單元和檢測(cè)電路采取光電隔離等措施；另一方面，在同樣大小的電壓檢測(cè)誤差的前提下，被測(cè)電壓數(shù)值越大，則帶來的相對(duì)誤差就越小，因此，對(duì)于并入偏置電阻前后檢測(cè)得到的4組電壓值，需要設(shè)計(jì)合適的電路，既要保證有足夠的電壓偏移量，以提高檢測(cè)精度，又需要保證電壓偏移后的母線電壓絕對(duì)值不能過低，以減小電壓采樣誤差帶來的影響。

以1 V的電壓采樣誤差為例進(jìn)行說明，通過調(diào)整偏置電阻的阻值，對(duì)不同目標(biāo)絕緣電阻的高壓系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，可以得到不同偏置電阻電路對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差曲線。圖2為偏置電阻對(duì)絕緣電阻檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的誤差，橫軸表示待測(cè)高壓系統(tǒng)的真實(shí)絕緣電阻值；縱軸表示1 V采樣誤差帶來的相對(duì)誤差，1 V采樣誤差越大，表明檢測(cè)誤差越大；不同曲線為不同偏置電阻在不同待測(cè)絕緣電阻值下的誤差。由圖2可見，當(dāng)待測(cè)系統(tǒng)絕緣電阻的阻值大于1.8 MΩ時(shí)，檢測(cè)電路采用2，3，4 MΩ的偏置電阻得到的車輛絕緣電阻值誤差較小，而當(dāng)待測(cè)車輛發(fā)生絕緣故障，即絕緣電阻偏小時(shí)，采用小阻值的偏置電阻則有利于降低相對(duì)誤差。因此，由于整車狀態(tài)不同，采用可變的偏置電阻進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，可以提高檢測(cè)精度，減小誤差。

圖2 不同的偏置電阻對(duì)檢測(cè)結(jié)果誤差的影響Fig.2 Influence of different bias resistor on detection result error

3 改進(jìn)后的集成式絕緣電阻檢測(cè)方法

為了能同時(shí)兼顧整車正常工況下較高絕緣電阻的檢測(cè)和整車故障工況下較低絕緣電阻的檢測(cè)兩種情況，開發(fā)了集成式的絕緣電阻檢測(cè)方法。該方法是在圖1主動(dòng)檢測(cè)電路的兩個(gè)絕緣電阻上分別增加一個(gè)可變阻值的偏置電阻，改進(jìn)后的檢測(cè)電路見圖3，同時(shí)，為了縮短整體檢測(cè)的時(shí)間，又增加了被動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)被動(dòng)式檢測(cè)發(fā)現(xiàn)正、負(fù)電壓比值與1的差異較大，即車輛有絕緣失效趨勢(shì)時(shí)，才會(huì)觸發(fā)絕緣電阻的主動(dòng)式檢測(cè)，可以大大降低絕緣電阻主動(dòng)檢測(cè)的計(jì)算頻次，進(jìn)而做到快速響應(yīng)并報(bào)警。

圖3 改進(jìn)后的高壓系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)電路示意圖Fig.3 Improved circuit diagram of insulation resistancedetection for high voltage system

采用該改進(jìn)后的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，根據(jù)待測(cè)車輛絕緣電阻的狀態(tài)及被動(dòng)檢測(cè)結(jié)果，控制軟件會(huì)自動(dòng)并聯(lián)接入合適的偏置電阻進(jìn)行阻值檢測(cè)。在車輛運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行被動(dòng)式絕緣電阻檢測(cè)，實(shí)時(shí)比較正、負(fù)極母線電壓。當(dāng)被動(dòng)檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)正、負(fù)電壓比值與1相差過大，則說明車輛發(fā)生了較嚴(yán)重的絕緣失效故障，車輛絕緣電阻阻值降低，則會(huì)并聯(lián)接入較小的偏置電阻采用主動(dòng)式絕緣電阻檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。而當(dāng)正、負(fù)電壓比值接近1，說明車輛基本處于正常狀態(tài)，則會(huì)并聯(lián)接入較大的偏置電阻采用主動(dòng)式絕緣電阻檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。

4 實(shí)車測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)整車手動(dòng)并入固定阻值的電阻來模擬不同的車輛狀態(tài)，然后采用并入固定阻值的偏置電阻和可變的偏置電阻兩種方法進(jìn)行絕緣電阻的檢測(cè)，結(jié)果如表2所示?？梢妼?duì)于固定偏置電阻的方案，在偏置電阻較高(2 MΩ)的情況下，整車絕緣電阻值較高時(shí)檢測(cè)誤差較小，而偏置電阻較的情況下，則在整車絕緣電阻值較低時(shí)檢測(cè)誤差較小。兩種方案都無法兼顧車輛正常時(shí)的高絕緣電阻和車輛絕緣時(shí)的低絕緣電阻兩種情況，與圖2的分析結(jié)果一致。而采用集成式絕緣電阻檢測(cè)方法，即采用可變的偏置電阻則可以兼顧該兩種情況，絕緣電阻的檢測(cè)結(jié)果精度較高，從而確保車輛正常狀態(tài)和發(fā)生絕緣故障時(shí)都可以被及時(shí)而準(zhǔn)確地檢測(cè)，提高車輛高壓電的使用安全性能。

表2 不同檢測(cè)方案的實(shí)車測(cè)試結(jié)果Tab.2 Real vehicle test results of different detection schemes

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車絕緣電阻主動(dòng)檢測(cè)方法可以識(shí)別到正、負(fù)雙側(cè)同時(shí)發(fā)生絕緣失效的工況并檢測(cè)出絕緣電阻值，但其檢測(cè)過程需要一定時(shí)間，整體檢測(cè)耗時(shí)較長。

絕緣電阻被動(dòng)檢測(cè)方法可以通過正、負(fù)極電壓的比值對(duì)車輛絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，響應(yīng)速度快，但無法識(shí)別到正、負(fù)兩側(cè)同時(shí)發(fā)生絕緣失效的情況，且無法得到準(zhǔn)確的絕緣電阻值。

改進(jìn)后的集成式絕緣電阻檢測(cè)方法，增加了被動(dòng)式絕緣電阻檢測(cè)，通過實(shí)時(shí)比較車輛正、負(fù)母線電壓的比值來快速實(shí)時(shí)地判斷車輛的絕緣狀態(tài)；在主動(dòng)絕緣電阻檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上引入了可變偏置電阻的設(shè)計(jì)理念，可以同時(shí)提高車輛正常狀態(tài)和車輛發(fā)生絕緣故障狀態(tài)下的絕緣電阻檢測(cè)結(jié)果的精度，進(jìn)而提高車輛的高壓安全性能。