申永鹏;刘安康;崔光照;葛高瑞
【摘 要】针对现有电动汽车绝缘检测系统精度低、检测时间长、可靠性差等问题,用电阻分压测量、光控继电器替代传统继电器,设计了一种基于高精度仪表放大器的不平衡电桥绝缘电阻在线检测电路,并提出了四步骤绝缘电阻在线计算方法.运用本检测系统对某轻型货车进行多组绝缘电阻测试实验,结果表明,该系统能够将绝缘电阻测量精度控制在误差5%以下,同时还具有可在线检测、可靠性高等优点.
【期刊名称】《轻工学报》
【年(卷),期】2018(033)006
【总页数】10页(P82-91)
【关键词】电动汽车;动力电池;绝缘检测;电桥电路
【作 者】申永鹏;刘安康;崔光照;葛高瑞
【作者单位】[1]郑州轻工业学院电气信息工程学院,河南郑州450002;[1]郑州轻工业学院电气信息工程学院,河南郑州450002;[1]郑州轻工业学院电气信息工程学院,河南郑州450002;[1]郑州轻工业学院电气信息工程学院,河南郑州450002;
【正文语种】中 文
【中图分类】TM855
0 引言
动力电池作为电动汽车的能量来源，其电压通常高于36 V，甚至达到几百V，远远超过了人体安全所能承受的电压，因此直流母线与整车保持良好的绝缘状态至关重要[1].然而电动汽车是一个复杂的机电一体化产品，包含电机及其控制器、车载充电机、辅助电池充电装置等高压电器，这些部件的工作条件又比较复杂，振动、酸碱气体的腐蚀、温湿度的变化，都有可能造成直流母线和其他绝缘材料老化甚至破损，使设备绝缘强度大大降低，进而危及司乘人员安全[2].因此，对动力电池的正极、负极与车体之间的绝缘电阻进行实时检测，是对电动汽车基本安全的要求之一[3-5].
现有绝缘检测技术可分为电桥法[6-8]和信号注入法两大类[9-11].
电桥法测量绝缘电阻的基本原理如下：基于电桥电路原理，通过控制动力电池正、负极两边继电器的开通与关断，得到几种不同的测试点电压组合状态，并据此来计算系统的绝缘阻值.尽管该方法具有测量简单的优点，但是存在如下不足：机械开关继电器开断灵敏度低，且存在机械磨损问题，可靠性低[12]；采用多个运算放大器，电路的一致性差，精度较低[13].张向文等[14]采用电桥法检测绝缘电阻，但是需要采集多处电压信号，增加了系统设计的复杂度.
汽车漂移原理信号注入法测量绝缘电阻基本原理如下：在直流母线与车体之间注入一定频率的电压信号，通过测量反馈的信号来计算绝缘阻值.该方法能够检测出正、负端绝缘电阻同时下降的情况，但是注入信号会造成直流系统纹波增大，影响所供电的品质，进而影响采样精度[15].何耀等[16]采用信号注入法结合内阻模型进行绝缘电阻测量，由于充分考虑了实际工况，稳定性明显提高，但是最大绝对测量误差仍高达 16.23%.
针对现有绝缘检测技术存在的精度差、算法实现复杂等问题，本文拟提出一种绝缘电阻检测的改进算法，并设计一种不平衡电桥检测电路，以期提高绝缘电阻的检测精度，并实现
同时在线测量多种情况下动力电池正、负端绝缘电阻.
1 传统电桥法绝缘电阻检测方法及其存在问题分析
传统电桥法绝缘电阻检测电路如图1所示.正端绝缘电阻R+定义为动力电池正极母线与车身地之间的电阻值，负端绝缘电阻R-定义为动力电池负极母线与车身地之间的电阻值.
图1 传统电桥电路等效电路图Fig.1 Equivalent circuit of typical bridge circuit
采用该方法时，首先断开继电器K1和K2，可得
①
②
闭合继电器K1，断开继电器K2，可得
③
④
结合式①②③④可计算出正端绝缘电阻阻值
同理，可得负端绝缘电阻阻值
该方法存在如下两个问题：
1) 需要测量正、负绝缘电阻两端的电压，系统结构复杂且存在较大误差；
2) 当正、负端绝缘电阻中有一个阻值为零时，方程无解.
2 不平衡电桥法绝缘电阻检测方法
针对传统电桥法绝缘电阻检测存在的问题，本文设计一种如图2所示的不平衡电桥法绝缘电阻检测电路，采用光控继电器和高精度仪表放大器以提高检测的精度和可靠性、降低电路的复杂度，并通过电阻分压测量电压保证计算过程中方程有解.检测电路中元器件的参数将会在3.1节中详细介绍.
不平衡电桥法绝缘电阻检测等效电路如图3所示，其中P点为测量V+和V-的参考零电位点，与车体地连接.
四步骤绝缘电阻在线计算方法具体步骤如下.
2.1 测量动力电池总电压
以动力电池负端为基准电压参考点，测量动力电池总压，此时闭合继电器K1与K2，其等效电路如图4所示.
图4中，i1和i2分别为流经上桥臂和下桥臂的电流，动力电池两端的总电压即为正端与P点之间电压和负端与P点之间电压之和.
图2 不平衡电桥绝缘电阻检测电路Fig.2 Insulation resistance detection circuit based on unbalanced bridge
图3 不平衡电桥法绝缘电阻检测电路的等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of detection circuit based on unbalanced bridgeV总=i1(R1+R2)+i2(R3+R4)=
2.2 测量上桥臂采样点电压信号
通过单片机控制使光控继电器K1闭合，K2断开，选取P为基准电压参考点，等效电路如图5
所示.
动力电池正、负两端电流i1和i2参考方向如图5所示，通过检测电路检测到电阻R2与P点之间的电压为V+，即可得出流过R1和R2的电流
图4 K1和K2同时闭合时的等效电路图Fig.4 Equivalent circuit when K1 and K2 connected
图5 K1闭合、K2断开时的等效电路图Fig.5 Equivalent circuit when K1connected and K2 disconnected
动力电池正端与参考点P之间的电压
流过正端绝缘电阻R+上的电流
动力电池正端电流
因VB++VB-=V总， i1+i2=0，故可得
⑤
2.3 测量下桥臂采样点电压信号
通过单片机使光控继电器K1断开、K2闭合，等效电路如图6所示.
由于电路发生变化，基准电压参考点P的实际电压发生改变，因此正负极相对于参考零电位点的电压、电流均发生变化，与2.2同理
可得
⑥
图6 K2闭合、K1断开时的等效电路图Fig.6 Equivalent circuit when K2connected and K1 disconnected
2.4 绝缘电阻阻值计算
通过上述步骤测得采样点电压V+与V-，根据电压的不同正负端绝缘电阻又分为如下4种情况.
情况1 V+与V-都等于零时，正端绝缘电阻值R+与负端绝缘电阻值R-都等于无穷大.
情况2 V+等于零、V-不等于零时，负端绝缘电阻值R-等于无穷大，断开继电器K1，闭合继电器K2，等效电路如图6所示.
流经正端绝缘电阻R+上的电流i1=i4，进而可得
情况3 V+不等于零、V-等于零时，正端绝缘电阻值R+等于无穷大，闭合继电器K1，断开继电器K2，等效电路如图5所示.
流经负端绝缘电阻R-上的电流i2=i4，进而可得
情况4 V+与V-都不等于零时，绝缘电阻的计算过程如下.
公式⑤⑥相减可得
3 电动汽车绝缘电阻检测系统设计
3.1 硬件设计
本文所设计的电动汽车绝缘电阻检测系统的硬件由待测直流系统、检测电路、采样电路、单片机和AD转换电路等组成，电路示意图见图7.
待测直流系统由动力电池及其两端存在的正端绝缘电阻和负端绝缘电阻组成.
检测电路和采样电路中，桥臂采样电阻采用精度1%的精密MELF电阻，R1和R4的阻值为1880 kΩ，R2和R3的阻值为4.7 kΩ；K1和K2取耐压值为1500 V的AQV258型光控MOS继电器，与传统机械继电器相比，该继电器动作电流低、泄露电流小，可以保证系统的测量精度和可靠性；钳位二极管D1和D2型号为CD4148，可避免AD采样电路的损坏；双向TVS二极管D3和D4型号为PESD5V0S1，使信号处理电路免受静电放电(ESD)和浪涌脉冲的损害；电容C1，C2，C3和C4的容量均为0.01 μF；电阻R5，R6，R7和R8的阻值均为100 Ω；选取最大失调电压值为250 μV，最大电压漂移值为3 μV/℃的INA2126型双仪表放大器用于信号放大，并实现电压极性转换，因此只需一片芯片即可完成对正、负两路信号的运放与采集.
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