電動(dòng)汽車智能在線絕緣檢測(cè)裝置研究

1、低壓電器 ( 20095)·智能電器及計(jì)算機(jī)應(yīng)用 ·通用低壓電器篇電動(dòng)汽車智能在線絕緣檢測(cè)裝置研究3吳振軍1 , 2 , 王麗芳1(1. 中國科學(xué)院電工研究所 , 北京100190;2. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 , 河南鄭州 450002 )摘 要 : 設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車用新型絕緣檢測(cè)裝置。該裝置主要由采樣電路、信號(hào)傳輸和處理部分構(gòu)成 ,不需電壓 /電流傳感器 ,僅需一個(gè)高壓控制開關(guān) ,有效降低成本 ,便于工程化實(shí)現(xiàn)。給出了電路原理、硬件電路、軟件實(shí)現(xiàn)及絕緣電阻計(jì)算公式。測(cè)吳振軍 ( 1971) ,試結(jié)果表明 ,該裝置能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行各種絕緣檢測(cè) ,并能準(zhǔn)確報(bào)警 ,且誤差較小。男

2、 ,講師 ,博士研究關(guān)鍵詞 : 檢測(cè); 絕緣; 傳感器; 實(shí)時(shí)生 ,研究方向?yàn)殡娭袌D分類號(hào) : TP 216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : B文章編號(hào): 1001 5531( 2009) 05 0020 03動(dòng)汽車電磁兼容。Research onIn sula tion Resistance On L ineIn spection forHybr id Electr ic Veh icleWU Z hen jun1, 2 , WAN G L ifang1( 1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences,B eijing

3、 100190, China;2. Zhengzhou University of L ight Industry,Zhengzhou 450002, China)Abstract: A new insulation resistance detection device in hybrid electric vehicle was designed. It was com222samp ling circuit, signal transm ission and operation part,no need of transformers, just a high voltage conpo

4、sed of222trol switch. It can effectively reduce the cost and is easy to app ly into p ractical engineering. The p rincip le, hardwarecircuit,software realization and calculation formula of insulation resistance were given. The test results show this device canreal time and p recisely p roceed with d

5、ifferent insulationresistance detecting and can alarm correctly w itherror.222little Key words: detection;in sula tion; sen sor; rea l tim e0引 言為克服汽車產(chǎn)業(yè)帶來的能源與環(huán)保問題 ,近幾年電動(dòng)汽車得到了快速發(fā)展。但電動(dòng)汽車是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電裝置 ,動(dòng)力電池、直流傳輸母線、逆變器、電動(dòng)機(jī)、直流變換等都會(huì)涉及絕緣問題 ,且電動(dòng)汽車工作環(huán)境復(fù)雜 ,震動(dòng)、溫度和濕度急劇變化 ,酸堿氣體的腐蝕 , 都會(huì)引起絕緣的損傷和破壞 ,使絕緣性能下降。電源正、負(fù)極引線通過絕

6、緣層和底盤構(gòu)成漏電流回路 ,使底盤電位上升 ,不僅會(huì)危及乘客的人身安全 ,還將影響低壓電器和車輛控制器的正常工作 122 。當(dāng)高電壓電路和底盤之間發(fā)生多點(diǎn)絕緣性能嚴(yán)重下降時(shí) ,還會(huì)導(dǎo)致漏電回路的熱積累效應(yīng) ,造成車輛的電氣火災(zāi)。因此 ,準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)高壓電氣系統(tǒng)對(duì)車輛底盤絕緣性能 ,對(duì)保證乘客安全、電氣設(shè)備正常工作和車輛安全運(yùn)行具有重要意義。對(duì)電動(dòng)汽車絕緣電阻的檢測(cè)已有了一些研究 124 ,這些研究的方法大同小異 ,主要是在直流母線正負(fù)極和電底盤之間接入電阻 ,通過電子開關(guān)或高壓繼電器接通電阻和電底盤 ,然后測(cè)量這些電阻上的電壓或電流 ,再計(jì)算得到絕緣電阻的大小。這些方法都需要電子開關(guān)或高壓

7、繼電器以及電流或電壓傳感器。文獻(xiàn) 5 提出了一種絕緣檢測(cè)方法 ,但只能檢測(cè)單端絕緣破壞情況 (即絕緣不平衡現(xiàn)象 ) ,當(dāng)正負(fù)兩端絕緣同時(shí)改變時(shí) ,卻王麗芳 ( 1971) ,女 ,研究員 ,博士生導(dǎo)師 ,研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車總線技術(shù)、電池管理等。3 基金項(xiàng)目:國家 863計(jì)劃支持項(xiàng)目資助 ( 2006AA11A153) 20 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.低壓電器 ( 20095)·智能電器及計(jì)算機(jī)應(yīng)用 ·通用低壓電器篇不能發(fā)現(xiàn)并

8、報(bào)警。本文結(jié)合以上文獻(xiàn)的優(yōu)點(diǎn) ,采用一種新的檢測(cè)方法 ,無需額外的傳感器就能檢測(cè)絕緣電阻的大小 ,有效降低成本。并且僅需改變電路中測(cè)量電阻的大小就可在全電壓范圍內(nèi)檢測(cè)絕緣電阻(DC 90500 V ) 。1絕緣電阻檢測(cè)原理絕緣狀況的好壞由直流母線正負(fù)極對(duì)地電阻決定。電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定絕緣電阻必須大于 100 /V 才符合安全需要。檢測(cè)電路原理如圖 1 所示 , R5 、R6 為已知電阻的標(biāo)準(zhǔn)電阻 , 阻值較大且相同 , 否則易降低絕緣。運(yùn)放 A 和電阻 R1 R4 構(gòu)成的比例電路用來測(cè)量母線電壓及正極對(duì)地電壓, 比例電路作用是把高壓轉(zhuǎn)變成可供單片機(jī)使用的低壓, U0 正比于母線電壓 , U1 正

9、比于正極對(duì)地電壓。圖 1 絕緣檢測(cè)電路工作原理圖當(dāng)開關(guān)管 S斷開時(shí), 可測(cè)出此時(shí)的 U1 和 U0 ,由電路可知, R+ / ( R+ + R- ) = U1 /U0 , U1 正比于U+ , U0 正比于 ( U- + U+ ) 。由電路原理可知, R+ / ( R+ + R- ) = U1 /U0 。根據(jù) U1 /U0 值可知正負(fù)極絕緣電阻哪一個(gè)更小, 若 U1 /U0 12 , 說明正極比負(fù)極絕緣要好, 反之則差。通過 CPU 接通 S, 在正母線與地之間接入測(cè)量偏置電阻 R, 測(cè)量此時(shí)U1 和 U0 值, 得到 U 1和 U 0,計(jì)算公式為2系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)以上原理 ,開發(fā)了電氣絕緣檢測(cè)系

10、統(tǒng) ,電路原理如圖 2所示。整個(gè)電路主要由比例電路和數(shù)據(jù)采集處理單元組成。在比例電路中 , S采用光電隔離開關(guān)管 ,耐壓等級(jí)為 500 V;運(yùn)放和電阻都采用精密元件 ,以降低誤差。數(shù)據(jù)采集處理單元采用 Motorola HCS12單片機(jī)控制 (和整車電池管理系統(tǒng)集成在一起 ) ,其主要功能是: 利用單片機(jī)的高速輸出單元輸出脈沖信號(hào) ,驅(qū)動(dòng)光電開關(guān)管以便接入電阻 R ; 在開關(guān)管導(dǎo)通和斷開期間 ,分別采集 U0 和 U1 值 ,經(jīng)線性隔離放大電路輸入到 CPU , 計(jì)算并顯示正負(fù)極絕緣電阻中較小者 ; 預(yù)設(shè)電源正、負(fù)極引線對(duì)底盤絕緣電阻的安全閾值 ,當(dāng)測(cè)量值低于安全閾值時(shí) ,單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

11、圖 2 系統(tǒng)的硬件框圖圖 3 為主控 CPU 的流程圖。在程序設(shè)計(jì)中考慮到電動(dòng)汽車的復(fù)雜工作環(huán)境 ,加入了一些抗干擾措施 ,如看門狗 6 、多次采樣取平均等。(U0- U1 ) R 6= U1RR 5R + R 5( 1)(U 0- U 1)R 5= U 1 RR 6 R + R 6式中, R 5、R 6為電阻 R5 、R6 與絕緣電阻的并聯(lián)值。通過兩次測(cè)量結(jié)果, 由式 ( 1 ) 計(jì)算得到正負(fù)極對(duì)地絕緣電阻大小。圖 3 軟件流程圖 21 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All right

12、s reserved.低壓電器 ( 20095)·智能電器及計(jì)算機(jī)應(yīng)用 ·通用低壓電器篇具體設(shè)計(jì)電路如圖 4 所示 ,比例電路把高壓100 k。采樣后的電壓被送入 CPU 進(jìn)行計(jì)算 ,故直流轉(zhuǎn)變成可被 CPU 處理的小信號(hào) ,因此 R1 和采用線性隔離放大電路隔離高壓與低壓系統(tǒng) ,確R3 遠(yuǎn)大于 R2 和 R4 , R1 和 R3 為 4M , R2 和 R4 為保低壓不受高壓系統(tǒng)的影響。線性隔離放大電路采用 HNCR200,其外圍元件的選擇確保其工作在線性放大范圍內(nèi)。電路中的各個(gè)電容主要用來濾波 ,以消除高頻噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。3測(cè)試結(jié)果與誤差分析首先在實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同的絕緣狀

13、況進(jìn)行了檢測(cè) ,通過接入不同的正負(fù)極電阻 ,可模擬不同絕緣狀況對(duì)不同的母線電壓進(jìn)行測(cè)試。表 1 為 148 V圖 4 絕緣檢測(cè)電路直流母線電壓的測(cè)試結(jié)果。表 1實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果 ( U dc = 148 V)并入電阻 /100 k50 k20 k1 M1 M1 M300 k50 k母線正極對(duì)地測(cè)量值 / k95. 0647. 6519. 18670. 45579. 79354. 99260. 9448. 11誤差 / %4. 944. 704. 1033. 9642. 0264. 5113. 903. 78并入電阻 /1 M1 M1 M100 k50 k20 k100 k50 k母線負(fù)極對(duì)地測(cè)量

14、值 / k790. 18772. 99719. 0699. 4850. 4019. 5699. 4150. 27誤差 / %21. 9222. 7028. 100. 620. 802. 200. 590. 54表中計(jì)算值是在正負(fù)極同時(shí)接入如表所示的電阻時(shí)得到的。由表 1 可見 , 若正極接入 1 M電阻 ,負(fù)極接入較小電阻時(shí) ,正極絕緣電阻誤差非常大 ,而負(fù)極絕緣誤差較小; 同理 ,負(fù)極接入大電阻時(shí) ,正極誤差較小 ,而負(fù)極絕緣電阻測(cè)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際值。表中最后兩項(xiàng)對(duì)應(yīng)絕緣同時(shí)下降時(shí)情形 ,具有相同的結(jié)果。而絕緣好壞主要是由正負(fù)極對(duì)地絕緣的較小值決定 ,基本上絕緣較差端的電阻誤差 < 5

15、 % , 故測(cè)試結(jié)果基本滿足實(shí)際需要。在正負(fù)端同時(shí)接入不同的電阻模擬絕緣狀況時(shí) ,電阻大的一端的測(cè)量誤差很大。出現(xiàn)這樣的誤差主要是比例電路中電阻對(duì)地構(gòu)成回路 ,電阻上有電流流過 ,分流了絕緣電阻上的電流 ,使檢測(cè)出的電壓信號(hào)不再完全滿足電阻計(jì)算時(shí)的要求。因此 ,為了提高檢測(cè)精度 ,可適當(dāng)提高這些電阻的值以降低電流。同時(shí)線性隔離放大電路及取樣電阻本身的精度也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成一定的影響。在實(shí)際軟件實(shí)現(xiàn)過程中 ,通過補(bǔ)償措施可降低誤差值。4結(jié) 語設(shè)計(jì)了一種新型的電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)電路 , 22 無需電壓或電流傳感器 ,只需一只高壓開關(guān) ,就能有效降低成本 ,便于工程化實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明 ,該電路

16、能較準(zhǔn)確地檢測(cè)各種絕緣狀況 ,滿足電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】 1 黃勇 ,陳全世 ,陳伏虎. 電動(dòng)汽車電氣絕緣檢測(cè)方法的研究 J . 儀器儀表與檢測(cè) , 2005 ( 4) : 93295. 2 姜久春 ,吳智強(qiáng) ,邱瑞昌 ,等. 電動(dòng)汽車絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 J . 制造業(yè)自動(dòng)化 , 2005, 27( 5) : 74277. 3 潘磊 , 姜久春 , 李景新 , 等. 電動(dòng)汽車智能無源接地檢測(cè)裝置的研制 J . 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 ,2003, 25( 4) : 47 48.2 4L I J ingxin, WU Zhiqiang, FAN Yanqiang, et a l. Re2222search on insulation resistance on line monitoring for electric vehicle ICEM S 2005 C / / Proceedings of theEighth International Conference on ElectricalM achinesand System s,