電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法

1、電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法一、前言電動(dòng)汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品， 其中的許多部件包括動(dòng)力電池、 電機(jī)、 充電機(jī)、能量回收裝置、輔助電池充電裝置等都會(huì)涉及高壓電器絕緣問(wèn)題。這些部 件的工作條件比較惡劣，振動(dòng)、酸堿氣體的腐蝕、溫度及濕度的變化，都有可能造 成動(dòng)力電纜及其他絕緣材料迅速老化甚至絕緣破損，使設(shè)備絕緣強(qiáng)度大大降低，危 及人身安全。目前發(fā)電廠(chǎng)、變電站等場(chǎng)所直流高壓系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)有多種方式，但都存 在一些缺點(diǎn)，如繼電器檢測(cè)方式靈敏度低，平衡電橋法在正負(fù)極絕緣同時(shí)降低時(shí)不 能準(zhǔn)確及時(shí)報(bào)警，注入交流信號(hào)法不僅會(huì)使直流系統(tǒng)紋波增大，影響供電質(zhì)量，而 且系統(tǒng)的分布電容會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，

2、分辨率低。與電力系統(tǒng)直流絕緣監(jiān)測(cè)不同 的是，電動(dòng)汽車(chē)直流系統(tǒng)電壓等級(jí)涵蓋 90500V的寬范圍，而且運(yùn)行過(guò)程中電壓頻 繁變化。文中提出的利用端電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣狀況的方法可以較好地解決上述問(wèn)題， 具有較高的精度，完全適合在電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用。二、絕緣電阻測(cè)量原理電動(dòng)汽車(chē)的絕緣狀況以直流正負(fù)母線(xiàn)對(duì)地的絕緣電阻來(lái)衡量。電動(dòng)汽車(chē)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1規(guī)定:絕緣電阻值除以電動(dòng)汽車(chē)直流系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓U,結(jié)果應(yīng)大于100Q /V，才符合安全要求。標(biāo)準(zhǔn)中推薦的牽引蓄電池絕緣電阻測(cè)量方法適用于靜態(tài)測(cè) 試，而不滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。文中通過(guò)測(cè)量電動(dòng)汽車(chē)直流母線(xiàn)與電底盤(pán)之間的電壓，計(jì)算得到系統(tǒng)的絕緣電 阻值。假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)的直流系統(tǒng)電

3、壓（即電池總電壓）為U,待測(cè)的正、負(fù)母線(xiàn)與電底盤(pán)之間的絕緣電阻分別為 RP RN正、負(fù)母線(xiàn)與電底盤(pán)之間的電壓分別為URUN則待測(cè)直流系統(tǒng)的等效模型如圖 1中的虛線(xiàn)框內(nèi)所示。圖1電附汽牟絕茨電圖1為電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻測(cè)量原理，圖中RC1 RC2為測(cè)量用的已知阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻。工作原理如下:當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2全部斷開(kāi)時(shí)，測(cè)量正、負(fù)母線(xiàn)與電底盤(pán)之間的 電壓分別為UP0 UNQ由電路定律2可以得到UPO/RP二UNO/RN （ 1）當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)，則在正母線(xiàn)與電底盤(pán)之間加入標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻RC1,由式（?。?、式聯(lián)存求解可以得到（2）（4）測(cè)量正、負(fù)母線(xiàn)與電底盤(pán)之間的電壓分別為UPP UNP同樣可以得

4、到Rcy同樣，絕緣電阻在以下2種情況也可以得到S1 、S2全部斷開(kāi)和S1斷開(kāi)、S2閉合；（2）S1閉合、S2斷開(kāi)和S1斷開(kāi)、S2閉合。三、測(cè)量結(jié)果誤差分析由上述計(jì)算公式可知，絕緣電阻RP RN的具體數(shù)值由4個(gè)測(cè)量電壓值和已知標(biāo)準(zhǔn)電阻計(jì)算得到，最終結(jié)果的精度與電壓測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)電阻的精度直接相關(guān)。另外, 開(kāi)關(guān)動(dòng)作前后，電池電壓隨汽車(chē)加、減速的變化對(duì)結(jié)果的影響也應(yīng)分析。（一）測(cè)量參數(shù)對(duì)精度的影響假設(shè)電池總電壓U保持不變，UP0 UNO UPR UNP勺測(cè)量相對(duì)誤差分別為Y pO、 Y NO y PP、Y NR標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1的相對(duì)誤差為y RC待測(cè)的RR RN的實(shí)際值為 RPO RN0且在測(cè)量過(guò)程中保持

5、不變， 根據(jù)誤差理論的誤差絕對(duì)值合成法3可以得 至U RR RN的相對(duì)誤差y RR Y RN分另I為:1 Vfh - Yvo - 丫丁 - Yffw.vps = mE E VF * Lg" L1 pp=TmTptf 丫肘p ° TTp戶(hù)丿產(chǎn) 1 R 冋丿p Yjpo 亠丫胃o " L4 go 亠 丫耐 一LrdEw= Y*- J分析可知，系統(tǒng)的總誤差與標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值和被測(cè)電阻之間的比例有直接的關(guān)系。當(dāng)RC1 nRPO寸，系統(tǒng)的測(cè)量誤差最小。此時(shí)假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差可以忽略不計(jì)，電 壓測(cè)量誤差y p0= Y N0=y pp= y NP二丫 V,如果要求計(jì)算結(jié)果的總誤差

6、y三5%則電壓 測(cè)量的誤差必須滿(mǎn)足y VW 1125%然而，電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)的絕緣電阻是變化的，而且RC1阻值不可能很?。ǚ駝t直接降低了電動(dòng)車(chē)的絕緣狀況），阻值可以在靜態(tài)測(cè)量時(shí)的 100500Q N之間選擇，因此實(shí)際誤差要更大。例如，對(duì)于標(biāo)稱(chēng)300V的電動(dòng)汽車(chē)直流系統(tǒng)，選擇RC1=30kQ，若要求絕緣電阻在最小值 30k Q時(shí)也滿(mǎn)足測(cè)量結(jié)果誤差 小于5%則必須使電壓測(cè)量誤差小于 0.625%。（二）電池電壓瞬變的影響電動(dòng)汽車(chē)的絕緣電阻一般來(lái)講是緩變參數(shù)，而測(cè)量過(guò)程很快，因此可以認(rèn)為測(cè) 量過(guò)程中實(shí)際待測(cè)絕緣電阻阻值保持不變。假設(shè)利用式（3）、式（4）對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，在S1、S2全

7、部斷開(kāi)時(shí)電池電壓為U, U二UP0+UN0而S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)電池電壓為 U', U' =U PP+U NPo由式（3）、式（4）可以得到將式（5）、式（6）分別與式（3）、式（4）比較可知，要得到正確的結(jié)果，必須保證U NP/U' PP二UNP/UP成立。對(duì)于實(shí)際絕緣電阻不變的情況下，參照?qǐng)D1所示電路，依據(jù)電路基本定律可以得到RN/ （RP/RC1）（式中RP/RC1為2個(gè)電阻RP與RC1的并聯(lián)值，以下相同），該值在短暫的測(cè)量過(guò)程中可以作為恒值處理，但 必須保證測(cè)量過(guò)程中對(duì)電壓 UP0 UNO采樣的同時(shí)性和對(duì) UPP UNP采樣的同時(shí)性， 否則破壞了上述計(jì)算方法的正

8、確條件。四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于上述方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，主要完成如下幾方面功能:正負(fù)母線(xiàn)對(duì)電底盤(pán)的電壓測(cè)量、標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻的投切控制、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、聲光報(bào)警電路、液晶顯示及通信。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。出“削一 : b-工rrTN4工rrTNmm««A 1Mu1*1 2電W 愷埠ilhlf卄丄創(chuàng)樂(lè)址沖貳帕圖（一）偏置電阻的自動(dòng)配置標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻的選擇應(yīng)遵循以下原則:（1）基本不影響被測(cè)系統(tǒng)原有的絕緣性 能；（2）要兼顧系統(tǒng)的測(cè)量精度要求；（3）根據(jù)系統(tǒng)電壓等級(jí)自動(dòng)配置不同等級(jí) 的標(biāo)準(zhǔn)阻值；（4）高精度，低溫漂系數(shù)。系統(tǒng)的實(shí)際偏置電阻配置如表 1所示喪1直流冊(cè)線(xiàn)電壓崎傭遇電阻對(duì)撫表電莊

9、V50 - i50150 -250250 - 350350 -450>450100200400R率W4610（二）電壓測(cè)量電路由上述分析可知，在標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻確定的情況下，電壓檢測(cè)的精度直接決定了 最終結(jié)果的精度。一般來(lái)講，電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)稱(chēng)電壓在90500V之間，運(yùn)行過(guò)程中電 池電壓存在一定的波動(dòng)范圍，并且待測(cè)絕緣電阻也有一定的變化范圍，因此，通用 型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓測(cè)量電路必須保證在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等精度的測(cè)量，而且正、負(fù)母 線(xiàn)對(duì)地電壓的測(cè)量必須同時(shí)完成。文中采用低溫漂精密電阻分壓電路，結(jié)合雙積分 型高分辨率的A/D實(shí)現(xiàn)了等精度測(cè)量，主控單元與測(cè)量電路采用光電耦合器隔離。 該種方法與采用LEM電

10、壓傳感器的測(cè)量方案相比，克服了后者的溫漂、零點(diǎn)漂移等 問(wèn)題，同時(shí)避免了其需要的10mA左右的工作電流影響被測(cè)系統(tǒng)的絕緣性能的缺點(diǎn)。正、負(fù)母線(xiàn)對(duì)地電壓的測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一致，其采集過(guò)程由CPU空制同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足測(cè)量參數(shù)的同時(shí)性。（三）系統(tǒng)核心一一CPUCPU 選用Motorola推出的HCS12系列16位MCU29S12DJ644J內(nèi)部除中央處理 單元CPU12外,不僅集成了 FLASH EEPRO及 RAM存貯器，而且還集成 CAN BDLC SCI、SPI和HSIO等多種接口，功能豐富，速度高、功耗低、性?xún)r(jià)比高、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單，同時(shí)芯片支持背景調(diào)試模式和大容量存貯器擴(kuò)展。FLAS

11、H存貯器具有快速編程能力，靈活的保護(hù)與安全機(jī)制，而且擦除和寫(xiě)入無(wú)需外部加高電壓。五、試驗(yàn)結(jié)果該系統(tǒng)分別在汕頭國(guó)家電動(dòng)汽車(chē)試驗(yàn)示范區(qū)和浙江萬(wàn)向集團(tuán)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)中心的電動(dòng)中巴車(chē)和電動(dòng)轎車(chē)上進(jìn)行了裝車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)。在汕頭的一輛中巴車(chē)上安裝系統(tǒng)時(shí)，接線(xiàn)人員不小心用手碰到了正母線(xiàn)，馬上 有被電的感覺(jué)。中巴車(chē)額定電壓 110V,因此報(bào)警值設(shè)定為11kQ。系統(tǒng)接線(xiàn)完成后 進(jìn)入正常工作，馬上就發(fā)出聲光報(bào)警。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，正、負(fù)母線(xiàn)對(duì)車(chē)體的絕緣電阻分別僅為 112kQ和2kQ,明顯低于標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定的安全閾值，因此汕頭方面馬上對(duì)車(chē)進(jìn)行了改造。這說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí) 發(fā)現(xiàn)故障并通知使用者，提高電動(dòng)車(chē)使用的安全性。（一）試驗(yàn)過(guò)

12、程試驗(yàn)中利用CAN接口將測(cè)量參數(shù)與計(jì)算結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控筆記本電腦以記錄數(shù) 據(jù)。具體試驗(yàn)過(guò)程如下:首先，利用該系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)車(chē)輛自身固有的正負(fù)絕緣電阻 RP0 RNQ然后，為了測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，在電動(dòng)車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，人為地向 正負(fù)母線(xiàn)分別并入一系列的標(biāo)準(zhǔn)電阻，改變電動(dòng)車(chē)的絕緣電阻值，以測(cè)試系統(tǒng)針對(duì) 不同的絕緣電阻值的測(cè)量情況。（二）部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，利用系統(tǒng)測(cè)量電動(dòng)車(chē)的 RP0 RN0結(jié)果2個(gè)阻值都顯示為6.5M Q。由于系統(tǒng)的測(cè)量阻值上限為 6.5MQ，當(dāng)電阻的測(cè)量結(jié)果超出上限時(shí)系統(tǒng)也會(huì)顯 示為上限值，因此說(shuō)明試驗(yàn)用電動(dòng)車(chē)的初始絕緣狀況良好。保持RNI=2000kQ不變，令 RPI=1

13、000kQ，記錄RPM RNM然后改變 RPI的阻 值大小，記錄相應(yīng)結(jié)果，如表 2所示。衣:實(shí)血裝不運(yùn)抒試峻需試站杲L）ttJtr出i wo詁01H$0u酈1K的;4八1 .” LI 1-3VI-1-7* 14U *曲】MOUi0. »coC 輸43#OF4. 41ft 母JL應(yīng):：0M:財(cái):MOJU.心1葉1191 ws2 GF* 3 9 £ -1-T-L5 Al他1 «：f 9-H1 f'lI Pi':m鮒0-4$©10 i Or J4保持RPI=2000kQ不變，令 RNI=1000kQ，記錄RPM RNM然后改變 RNI的阻值大小

14、，記錄相應(yīng)結(jié)果，如表 3所示表3冥際裝車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果U)止 母:W02 0002 0002 0002 0002 0001 P34】P401 94)1 935907-3 3-3 0亠3 0* 3 3-4 $51 9421 9441 94«1 9411 9X2Tu( %広畀0 210- 260 110.261 0095001501：:'25冊(cè)4<2481004P.224.3-.6-0.6-0. B0-1.6 2.89734PS249IW49 324.4T極芒0 410.200 4000, 200.41表中參數(shù)意義如下:RPI為正母線(xiàn)與車(chē)體之間并入的試驗(yàn)電阻； RNI為負(fù)

15、母線(xiàn)與 車(chē)體之間并入的試驗(yàn)電阻；RPM為正母線(xiàn)絕緣電阻的測(cè)量值；RNM為負(fù)母線(xiàn)絕緣電阻 的測(cè)量值；y P為正母線(xiàn)電阻測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值的誤差； y N為負(fù)母線(xiàn)電阻測(cè)量結(jié)果 與實(shí)際值的誤差；RPC為正母線(xiàn)絕緣電阻的理論計(jì)算結(jié)果；RNC為負(fù)母線(xiàn)絕緣電阻的 理論計(jì)算結(jié)果；y PMC為正母線(xiàn)電阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差； y NM(為負(fù)母線(xiàn)電 阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差。其中 y PMC=( RPC-RPM /RPMy NMC=(RNC-RNM/RNM由于整車(chē)絕緣良好，試驗(yàn)過(guò)程中正、負(fù)絕緣電阻的實(shí)際值 RPA RNA分別可以表示為RPA= ( RP0/RPI)RPIRNA= ( RN0/RNI)RNI因而y P= ( RPM-RP)/RPA( RPM-RP) /RPIY N= ( RNM-RNA/RNA( rnm-rnj /rni5.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差計(jì)算可知 :(1) 系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差 Y PMC Y NM(在± 015%內(nèi)。誤差主要 是由計(jì)算過(guò)程的近似以及對(duì)測(cè)量參數(shù)