車載高壓在線絕緣檢測的研究與應(yīng)用

1、蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目 錄中文摘要1English abstract21、緒論31.1、新能源汽車研究的意義31.2、新能源電動(dòng)汽車進(jìn)行絕緣檢測的必要性42、電動(dòng)汽車絕緣檢測常見絕緣檢測方法及原理62.1、常見的檢測方法62.1.1、電橋法62.1.2、電阻插入法72.1.3、高頻信號(hào)注入法92.1.4、低頻信號(hào)注入92.2電動(dòng)汽車絕緣檢測原理103、車載高壓系統(tǒng)絕緣檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)133.1硬件電路設(shè)計(jì)133.1.1、信號(hào)注入電路143.1.2、信號(hào)處理電路153.2、軟件設(shè)計(jì)183.2.1、核心處理器183.2.2、開發(fā)環(huán)境183.2.3、軟件流程184、系統(tǒng)的調(diào)試與分析20總結(jié)24

2、參考文獻(xiàn)25致謝26中文摘要國際能源供應(yīng)的持續(xù)緊張，致使資源緊缺成為各個(gè)國家都必須關(guān)注的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。隨著環(huán)境的逐漸惡化，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)呼聲也日益增高。在這兩個(gè)方面的共同要求下，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的新能源電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生了。而新能源電動(dòng)汽車主要以車載電源為動(dòng)力源，整車系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的電氣系統(tǒng)，動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)的直流傳輸母線由于汽車系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性都會(huì)涉及到絕緣檢測方面問題。如果出現(xiàn)絕緣故障不僅僅會(huì)影響車輛系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重的甚至?xí)＜八境巳藛T的安全，甚至還會(huì)由于回路熱效應(yīng)的積累，造成整車系統(tǒng)發(fā)生電氣火災(zāi)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要任務(wù)目標(biāo)為，設(shè)計(jì)一套比較完整的針對(duì)于新能源電動(dòng)汽車的絕

3、緣檢測系統(tǒng)。通過研究和對(duì)比幾種常用在汽車系統(tǒng)中的絕緣檢測方式的優(yōu)劣，最終確定了采用低頻電壓注入法來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的核心控制器為XC886單片機(jī)，這是一個(gè)比較常見的用于汽車控制系統(tǒng)的芯片，高度集成且滿足設(shè)計(jì)要求。整個(gè)系統(tǒng)最終制成PCB板，經(jīng)上電檢測可以正常工作，可以在一定范圍內(nèi)簡單的測量絕緣電阻，雖然有誤差但是在可以接受的范圍內(nèi)，并且基本可以通過測量的絕緣阻值來判定整個(gè)系統(tǒng)的絕緣情況，減少意外傷害的發(fā)生。從總體來看，該系統(tǒng)是有著十分重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義的。關(guān)鍵詞：新能源電動(dòng)汽車；絕緣電阻；在線絕緣檢測；低頻信號(hào)注入法English abstract The continuous short

4、age of international energy supply has caused the shortage of resources to become a practical problem that all countries must pay attention to. With the gradual deterioration of the environment, people's voice for environmental protection is also increasing. Under the common requirements of thes

5、e two aspects, new energy electric vehicles which can replace the traditional automobile industry came into being. The new energy electric vehicle is mainly powered by vehicle-mounted power supply, and the whole vehicle system is a very complex electrical system. the DC transmission bus of power bat

6、teries, motors and other systems will all involve insulation detection problems due to the complexity of the working environment of the vehicle system. If there is insulation fault, it will not only affect the normal operation of vehicle system, but also seriously endanger the safety of drivers and

7、passengers, and even lead to electrical fire of vehicle system due to the accumulation of loop thermal effect. The main task of this graduation design is to design a relatively complete insulation detection system for new energy electric vehicles. By studying and comparing the advantages and disadva

8、ntages of several insulation detection methods commonly used in automobile systems, it is finally determined that the low frequency voltage injection method is adopted to realize the whole system. The core controller of this system is xc 886 single chip microcomputer, which is a common chip used in

9、automobile control system, highly integrated and meets the design requirements. The whole system is finally made into PCB board, which can work normally through power-on detection, and can simply measure the insulation resistance within a certain range. although there are errors, it is within an acc

10、eptable range, and the insulation situation of the whole system can be basically determined by the measured insulation resistance, thus reducing the occurrence of accidental injuries. Generally speaking, this system is of great practical significance. Key words: new energy electric vehicle; Insulati

11、on resistance; Online insulation inspection; Low frequency signal injection method1、緒論1.1、新能源汽車研究的意義傳統(tǒng)汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展已經(jīng)擁有了將近百年的歷史，便利了人們生活的同時(shí)也推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，總的來說在人類文明發(fā)展的歷史上占有及其重要且不可替代的地位。但是近年來人們卻發(fā)現(xiàn)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展遇到了瓶頸，同時(shí)也帶來了很多問題。首先表現(xiàn)在環(huán)境問題上，特別在大氣污染方面，根據(jù)某些調(diào)查，目前汽車尾氣的排放已經(jīng)成為了造成大氣污染的首要因素。由于石油的燃燒產(chǎn)生的汽車尾氣是很常見的污染物，特別是在一些發(fā)展比較迅速的城

12、市中，污染尤為嚴(yán)重。這些污染物可以通過人類的呼吸系統(tǒng)直接侵入身體，造成直接的傷害。更嚴(yán)重的后果是威脅到人們賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)的平衡問題。除此之外，傳統(tǒng)汽車的能源消耗的原料主要是依賴于石油的，由于其短時(shí)間內(nèi)不能再生的特性，原油的短缺早已成為世界各國都以關(guān)注的問題，如果石油持續(xù)短缺，將會(huì)造車傳統(tǒng)的汽車工業(yè)遭受重大的挑戰(zhàn)。加之隨著生活水平的提高人們對(duì)于現(xiàn)代汽車的要求也越來越多。綜上所述，傳統(tǒng)汽車工業(yè)必須做出適當(dāng)?shù)母淖儊磉m應(yīng)目前的情況，而新能源汽車就能很好的緩解眼前的問題。所以從目前的發(fā)展情況來看，其實(shí)新能源電動(dòng)汽車是有著十分廣闊的發(fā)展前景的。電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ床辉偈莻鹘y(tǒng)的化石燃料而是車載蓄電池，雖

13、然汽車高壓蓄電池的種類多種多樣各有不同的特點(diǎn)，但是基本上都具有可以重復(fù)利用、環(huán)保等優(yōu)良特點(diǎn)。并且如今投入生產(chǎn)使用的動(dòng)力蓄電池都是可以在一定的行程范圍內(nèi)可以為汽車行駛所需要使用的大功率電動(dòng)機(jī)提供持續(xù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的。這樣看起來新能源電動(dòng)汽車明顯具有動(dòng)力源多樣化、能量轉(zhuǎn)換率高、清潔無污染等優(yōu)良性質(zhì)，順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的要求，能夠有效抑制我國眾多城市的大氣污染的情況，因此對(duì)于新能源電動(dòng)汽車的研究刻不容緩。而我國也根據(jù)了當(dāng)前的實(shí)際情況制定了關(guān)于新能源電動(dòng)汽車的研發(fā)發(fā)展策略，將其列入了相應(yīng)的國家計(jì)劃，可喜的是現(xiàn)在與之相關(guān)的科研技術(shù)也已經(jīng)取得了令人滿意的成果。1.2、新能源電動(dòng)汽車進(jìn)行絕緣檢測的必要性首先從理論上介

14、紹新能源電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車指的是那些由車載儲(chǔ)能元件驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)為汽車提供能源驅(qū)動(dòng)車輛行駛的汽車。新能源電動(dòng)汽車主要分三大類其中包括：純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。純電動(dòng)汽車是一種只采用蓄電池提供動(dòng)力的電動(dòng)汽車，結(jié)構(gòu)簡單，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)燃油車輛的動(dòng)力總成對(duì)車輛進(jìn)行能量供應(yīng)，同時(shí)利用電機(jī)取代傳統(tǒng)燃油車的傳動(dòng)控制，或者直接利用傳統(tǒng)車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)1。混合動(dòng)力汽車是一種采用充放電性能好的超級(jí)電容，配以大功率的輔助動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)汽車。燃料電池汽車則是在純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)上又增加了燃料電池，一起驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車輛行駛的電動(dòng)汽車?？梢娙N形式的新能源電動(dòng)汽車雖然具有環(huán)保、低能

15、耗、低噪聲等種種優(yōu)勢，從維護(hù)國家能源供應(yīng)、治理大氣環(huán)境污染、提高傳統(tǒng)汽車工業(yè)競爭力三方面綜合考慮，發(fā)展新能源汽車也都是不二的選擇。但是無論哪一種新能源電動(dòng)汽車的整車系統(tǒng)都是一個(gè)十分復(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2。絕緣性能下降的過程如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)就可能導(dǎo)致設(shè)備漏電，這不僅會(huì)影響整車系統(tǒng)的正常工作，埋下安全隱患；嚴(yán)重漏電會(huì)造成司乘人員觸電受傷；甚至由于漏電流熱量的積累導(dǎo)致電氣火災(zāi)，種種后果都會(huì)造成慘重的損失。很明顯作為人們可以信賴的交通工

16、具其安全性能是人們首要關(guān)心的問題，傳統(tǒng)汽車采用的是化石燃料作為動(dòng)力源相對(duì)而言也就不存在高壓漏電的問題，而如今被日益應(yīng)用廣泛的新能源電動(dòng)汽車的核心供能系統(tǒng)卻不是這樣，因此這是一個(gè)相對(duì)于其他問題比較突出且新出現(xiàn)的問題。我們需要著重考慮其合適的絕緣檢測方式方法的合理應(yīng)用。新能源汽車的的電氣系統(tǒng)按照電壓分類，通?？梢苑譃榈蛪合到y(tǒng)和高壓系統(tǒng)。其中低壓系統(tǒng)主要為包括中央控制器、一般電子設(shè)備、燈光等系統(tǒng)提供電能，低壓系統(tǒng)一般采用動(dòng)力蓄電池通過降壓變換得到的直流電源，此部分的技術(shù)和傳統(tǒng)汽車行業(yè)相比差異不大，因此已經(jīng)十分成熟可靠。而新能源電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電池、電源變換器以及電動(dòng)機(jī)控制器和電動(dòng)機(jī)等電

17、氣設(shè)備組成，為汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能。動(dòng)力電池工作時(shí)一般采用較高的電壓，能達(dá)到300V左右，在這樣的高壓系統(tǒng)中對(duì)高壓電氣系統(tǒng)與車輛底盤之間的絕緣性能就有很高的要求，并且是有國家標(biāo)準(zhǔn)的。由于汽車系統(tǒng)的工作環(huán)境十分不穩(wěn)定，例如潮濕、暴曬、高溫等都會(huì)造成高壓電纜線絕緣介質(zhì)老化從而導(dǎo)致高電壓系統(tǒng)與車輛底盤之間的絕緣性能下降絕緣電阻減小，高壓電源的正負(fù)極將和車輛底盤之間構(gòu)成漏電流回路，這樣會(huì)使車輛底盤的電位大幅度上升。如果出現(xiàn)這樣的情況后果十分嚴(yán)重，不僅會(huì)影響汽車的正常工作，造成汽車事故，甚至之間威脅到司乘人員的人身安全。而且當(dāng)高壓電路與車輛底盤之間發(fā)生多點(diǎn)絕緣性能嚴(yán)重下降時(shí)，甚至?xí)捎陔娏骰芈窡嵝?yīng)

18、的累積，造成車輛的電氣火災(zāi)。由此觀之對(duì)于汽車系統(tǒng)的絕緣性能的檢測成為了一個(gè)十分值得關(guān)注的問題。新能源電動(dòng)汽車的在線絕緣檢測就是在這種時(shí)代需求中產(chǎn)生的，絕緣檢測部分作為電動(dòng)汽車的重要零部件，實(shí)時(shí)在線監(jiān)視檢測整個(gè)高壓直統(tǒng)的絕緣狀況，能夠有效降低危險(xiǎn)，保證司乘人員的人身安全。2、電動(dòng)汽車絕緣檢測常見絕緣檢測方法及原理2.1、常見的檢測方法參照各種文獻(xiàn)，研究記錄了各種常見的在系統(tǒng)的絕緣檢測中常用的方法，這些方法各有自己的優(yōu)劣，因此可以適用于不同的系統(tǒng)，滿足不同的要求。常見的靜態(tài)檢測方法有漏電流直測法、電流傳感法、電橋法、電阻插入法、輔助電源法、高頻信號(hào)注入法、低頻信號(hào)注入法的等。雖然這些方法都適用于不

19、同的系統(tǒng)，但是根據(jù)國標(biāo)對(duì)于電動(dòng)汽車的絕緣性能評(píng)估評(píng)判要求，關(guān)鍵指標(biāo)為絕緣強(qiáng)度（/V），GB/T18384.32015電動(dòng)汽車安全要求第 3部分：人員觸電防護(hù)中 6.7規(guī)定在最大工作電壓下，直流電路絕緣強(qiáng)度100/V；交流電路應(yīng)至少500/V 9。對(duì)照國標(biāo)，一般對(duì)于電動(dòng)汽車絕緣性能的檢測選用的是測量絕緣阻值，這里簡單介紹幾種測量絕緣電阻的方式。2.1.1、電橋法一般我們認(rèn)為待測設(shè)備的直流電路系統(tǒng)的正負(fù)母線都有對(duì)地絕緣電阻，當(dāng)絕緣情況良好的時(shí)候這兩個(gè)絕緣電阻的阻值可以認(rèn)為是很大的，我們可以分別測量兩個(gè)絕緣電阻的情況來判斷汽車的絕緣性能。由正極母線與汽車底盤之間的絕緣電阻、兩個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻和一個(gè)可

20、調(diào)電阻可以組成一個(gè)電橋，可以利用這個(gè)電橋來測量絕緣阻值，做出判斷。圖2.1 測量絕緣電阻的電橋線路圖Rp待測的絕緣電阻R1、R2標(biāo)準(zhǔn)電阻R3可調(diào)電阻，可以調(diào)節(jié)保證電橋平衡當(dāng)電橋平衡時(shí)有： （2-1）通過平衡檢測器的反饋，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，保證電橋是平衡的，從而利用公式計(jì)算待測的絕緣電阻阻值，通過對(duì)阻值的判斷來確定是否發(fā)生絕緣故障。此方法的優(yōu)點(diǎn)是我們得到的測量結(jié)果準(zhǔn)確度是比較高的。缺點(diǎn)則是這種方法對(duì)于所構(gòu)建的電路在精確度上有著十分嚴(yán)格的要求，而且在正極和負(fù)極母線的絕緣性能同時(shí)降低相同水平的情況下，使用這種發(fā)法就不能準(zhǔn)確及時(shí)的報(bào)警了。2.1.2、電阻插入法 電阻插入法的基本原理是在直流正負(fù)母線和車體搭

21、鐵之間接入一系列電阻，然后通過電子開關(guān)或者繼電器切換接入阻值的大小，測量在不同接入電阻情況下正負(fù)母線在被測電阻上的分壓，最后通過解方程式計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻7。 下圖2.1.1-2是電阻插入法檢測的原理示意圖其中：Ub電動(dòng)汽車高壓電池組總電壓Rn電池負(fù)極與汽車底盤之間的絕緣電阻Rp電池正極與汽車底盤之間的絕緣電阻R1、R2、R3電池負(fù)極與汽車底盤之間的插入電阻R4、R5、R6電池正極與汽車底盤之間的插入電阻U1負(fù)極母線在電阻Rn上的壓降U2正極母線在電阻Rp上的壓降S 電子開關(guān)。圖2.2電阻插入法原理示意圖這里電子開關(guān)S與電阻R6并聯(lián)，因此通過控制電子開關(guān)S的通斷可以改變U1和U2電壓

22、，這樣聯(lián)立兩個(gè)方程可以計(jì)算出正負(fù)絕緣阻值Rn和Rp。當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，可以得到如下方程（2-2）：其中U11和U21分別為開關(guān)斷開狀態(tài)下檢測到的Rn和Rp兩端的電壓。 （2-2）當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，可以得到如下方程（2-3）：其中U12和U22分別為開關(guān)閉合狀態(tài)下檢測到的Rn和Rp兩端的電壓。 （2-3）電阻插入法是一種很常見的應(yīng)用在新能源電動(dòng)汽車上的絕緣檢測方法，此方法可以直接計(jì)算出高壓系統(tǒng)的正負(fù)對(duì)地絕緣電阻阻值，并且電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但是此方法的缺點(diǎn)也是很明顯的，由于在檢測電路的存在，所以相當(dāng)于在高壓系統(tǒng)的正負(fù)母線與汽車底盤之間接入了電阻。由于電阻的存在會(huì)降低電動(dòng)汽車的絕緣電阻阻值，也就是說由

23、于檢測電路的存在造成了絕緣性能的降低。另外，這種方法由于沒有外加電源，因此只有在整個(gè)高壓系統(tǒng)正常工作時(shí)才能起到作用，當(dāng)高壓系統(tǒng)中沒有電流流過時(shí)，整個(gè)檢測電路也是不工作的。2.1.3、高頻信號(hào)注入法高頻信號(hào)注入法指的是向高壓電路系統(tǒng)中注入一定幅度的交流高頻電壓信號(hào)。此方法是通過對(duì)通過了高壓系統(tǒng)的高頻信號(hào)進(jìn)行檢測和處理，從而判斷高壓電路的絕緣狀況。高頻信號(hào)注入法是一種比較有效的絕緣狀況檢測的方式。但這種發(fā)法的缺點(diǎn)是為了進(jìn)行絕緣檢測，要附加高頻信號(hào)發(fā)生電路和漏電檢測的相關(guān)回路，而這不僅僅是增大了電路的難度，可能會(huì)使待檢測的高壓直流系統(tǒng)的的電壓紋波增大，影響整個(gè)待檢測高壓系統(tǒng)的供電質(zhì)量，而且系統(tǒng)會(huì)有分

24、布電容，分布電容會(huì)影響高頻電路，從而直接影響測量結(jié)果，導(dǎo)致實(shí)際測量到的結(jié)果和真實(shí)情況的誤差很大。2.1.4、低頻信號(hào)注入如果向待測的高壓直流系統(tǒng)外注入一定幅度的低頻信號(hào)，再通過采樣取出需要的電壓值，結(jié)合已知的條件，計(jì)算出電動(dòng)汽車的絕緣電阻值，這種方法稱為低頻信號(hào)注入法。相比于已有的絕緣電阻檢測方案，低頻脈沖注入法具有較高檢測精度，同時(shí)可避免絕緣電阻檢測電路本身降低了電動(dòng)汽車絕緣電阻的問題4。同時(shí)，這是一種外加電源的對(duì)絕緣電阻檢測的方案，因此對(duì)待檢測的高壓電路系統(tǒng)是否正常工作沒有要求，也即當(dāng)高壓系統(tǒng)不工作時(shí)該檢測方案仍可以檢測出是否發(fā)生絕緣故障。因此本方案是一種較為理想的絕緣電阻檢測方案。雖然，

25、有很多方法都可以通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到檢測絕緣狀況的目的，但是并不是所有方法都適用于新能源電動(dòng)汽車的絕緣檢測。目前，市面上對(duì)于新能源電動(dòng)汽車絕緣電阻的檢測方法主要有2 種 ，一是采用信號(hào)注入的方法進(jìn)行測量 ， 另外一種方法是采用外接電阻切換測量6。由于電阻插入法因?yàn)橛须娮铏z測電路本身的存在，所以一般情況下會(huì)降低電動(dòng)汽車絕緣電阻的阻值，因此會(huì)采用低頻信號(hào)注入法來實(shí)現(xiàn)絕緣狀況的檢測。2.2電動(dòng)汽車絕緣檢測原理我們都應(yīng)該知道，新能源電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)在正常的情況下應(yīng)該是一個(gè)完全封閉的系統(tǒng)，也就是對(duì)電動(dòng)汽車的底盤是完全絕緣的，這樣才能保證人員的安全和系統(tǒng)的正常工作。但是由于高壓電纜老化、車體環(huán)境復(fù)雜等會(huì)造

26、成絕緣性能降低的情況，造成對(duì)漏電的現(xiàn)象，這對(duì)司乘人員的生命安全是會(huì)造成威脅的。因此為確保車輛的正常運(yùn)行，新能源電動(dòng)汽車的整車系統(tǒng)上應(yīng)當(dāng)具有擁有漏電檢測功能的安全裝置。在電氣系統(tǒng)中，把不同電位的導(dǎo)體隔離開，需要依靠的就是絕緣體。絕緣體的基本功能，就是阻止電流流通，使得電能按設(shè)計(jì)的途徑傳輸，保證設(shè)備正常工作2。而其實(shí)這里的絕緣體并不是完全不導(dǎo)電，只是通過的電流很小。絕緣電阻則是用來表示上面所說的絕緣體阻止電流流通的能力的。如果絕緣電阻很小，泄露的電流會(huì)過大，可能會(huì)造成浪費(fèi)甚至造成安全事故。因此絕緣電阻是表示絕緣特性的一個(gè)重要參數(shù)，測試它則可以檢測一個(gè)系統(tǒng)的絕緣性能。在很多常用的電氣設(shè)備和與其相關(guān)的

27、系統(tǒng)中，電氣的絕緣性能的優(yōu)劣是一個(gè)十分重要的指示標(biāo)準(zhǔn)，絕緣性能關(guān)系到電氣設(shè)備正常工作和相關(guān)的安全問題等。對(duì)于汽車系統(tǒng)而言，雖然目前絕緣檢測的方式并沒有統(tǒng)一，也就是有著不同的絕緣檢測方式，但是其實(shí)絕緣檢測的基本原理都是相同的，這里簡單介紹通過檢測絕緣電阻來測量絕緣性能的基本原理。首先，需要對(duì)整個(gè)汽車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有一定的了解，電動(dòng)汽車的的電器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖2.3所示。根據(jù)回路中相應(yīng)的電壓的高低情況，這里可以將整個(gè)電動(dòng)汽車的電氣系統(tǒng)分為低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。低壓系統(tǒng)的電源是直流電源，是動(dòng)力蓄電池通過變換得到的，其主要的功能是為電動(dòng)汽車的中央控制器系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、顯示儀表、燈光和

28、雨刷等輔助系統(tǒng)提供電能，保證車輛的正常運(yùn)行。高壓系統(tǒng)的電源就是動(dòng)力蓄電池，其主要功能是為了給電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以及為其他大功率部件如：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)以及車載空調(diào)及其控制系統(tǒng)提供電能，實(shí)現(xiàn)車輛的正常工作。上述所說的每個(gè)電氣設(shè)備系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，擁有著自己的相應(yīng)獨(dú)立的電流回路，并且回路和汽車底盤之間一般不存在直接的連接點(diǎn)的，因此正常情況下高壓系統(tǒng)與汽車底盤之間是完全絕緣的。圖2.3 電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)框圖根據(jù)我國制定的關(guān)于新能源電動(dòng)汽車的絕緣檢測的國家標(biāo)準(zhǔn)中有著類似這樣的規(guī)定，新能源電動(dòng)汽車的絕緣的基本狀況是由絕緣電阻來衡量的。對(duì)應(yīng)這樣的規(guī)定，

29、對(duì)于絕緣性能的檢測我們是可以通過測量絕緣電阻的阻值來實(shí)現(xiàn)。絕緣電阻的定義是這樣的，如果動(dòng)力蓄電池與汽車底盤之間的某一點(diǎn)發(fā)生了短路現(xiàn)象，則泄漏電流所對(duì)應(yīng)的電阻阻值就是我們所說的絕緣電阻。由于我們知道我們所要測量的電動(dòng)汽車的絕緣電阻的部分的供電電源都是動(dòng)力蓄電池，因此只測量電動(dòng)汽車直流高壓母線的絕緣電阻就相當(dāng)于完成了所有工作。而實(shí)際上直流母線的正極和負(fù)極都是有各自不同的對(duì)地絕緣電阻的，但是這里我們可以將它們簡單的等效為兩個(gè)電阻，電路模型如下圖2.4所示，圖2.4 高壓系統(tǒng)與地車底盤之間的簡化電阻模型Vb動(dòng)力蓄電池電壓地電動(dòng)汽車底盤Vn地對(duì)負(fù)電壓Vp地對(duì)正電壓而這里我們要測量的絕緣電阻應(yīng)該是正負(fù)母線

30、對(duì)應(yīng)的絕緣電阻中較小的一個(gè)，我們應(yīng)該這樣理解，高壓回路與汽車底盤發(fā)生短接時(shí)，產(chǎn)生的電流就是由絕緣電阻決定是，而這個(gè)電阻阻值越小，電流就越大，產(chǎn)生的后果越嚴(yán)重。因此只要計(jì)算出較小的一個(gè)絕緣電阻阻值就可以判斷出絕緣狀況。理想絕緣狀況：如果高壓回路的任何一點(diǎn)與汽車底盤之間的都是完全絕緣的，即沒有任何電流，我們則認(rèn)為此時(shí)的絕緣電阻是理想狀態(tài)下的（無限大）。絕緣短路狀況：如果高壓回路中有一點(diǎn)與汽車底盤直接短接，有很大的電流流過外部電路，此時(shí)絕緣電阻為零。一般情況認(rèn)為都是在理想絕緣與絕緣短路之間，因此需要我們對(duì)絕緣阻值進(jìn)行計(jì)算，然后和國標(biāo)對(duì)比，從而確定汽車的整車系統(tǒng)是否安全。3、車載高壓系統(tǒng)絕緣檢測系統(tǒng)設(shè)

31、計(jì)參考了當(dāng)前主流的絕緣檢測方法，這里采用低頻信號(hào)注入法測量絕緣電阻阻值，此方法的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的，最主要的是此種方法在測量的時(shí)候是不受直流電源的影響，無論整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行還是停止工作都能進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。3.1硬件電路設(shè)計(jì)如圖3.1是初步構(gòu)建的一個(gè)完整的檢測絕緣電阻的硬件電路框圖。圖3.1電動(dòng)汽車絕緣性能檢測裝置總體設(shè)計(jì)原理框圖將激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)，經(jīng)過處理放大注入到高壓電路系統(tǒng)中。然后再將注入的信號(hào)取出，將取出的信號(hào)進(jìn)行濾波處理、相應(yīng)的變換和AD轉(zhuǎn)換讀入到核心處理器中，結(jié)合檢測到的高壓信號(hào)及已知的參考電阻，就可以計(jì)算出所要求的絕緣電阻的阻值，通過該阻值則可以判斷整車的絕緣性能，從而進(jìn)行絕緣

32、檢測。核心處理器采用的是XC886，xc886是一種高性能的8位微控制器。整個(gè)電路系統(tǒng)的電路框圖如上圖，這里主要簡單介紹幾個(gè)電路的功能。3.1.1、信號(hào)注入電路本論文采用的方案是低頻信號(hào)注入法測量絕緣電阻，所以首先很重要的一個(gè)步驟是需要將激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低頻的方波信號(hào)注入到高壓電路系統(tǒng)中。其注入電路的電路框圖如下圖3.2，需要特別說明的是，實(shí)際的抽象框圖應(yīng)該是如圖3.3，這里省略電源的目的是簡化原理圖，因?yàn)閷?duì)于低頻信號(hào)構(gòu)成的回路，直流電源相當(dāng)于短路，因此可以將電路圖進(jìn)行簡化而并不會(huì)對(duì)整體的效果有影響。 圖3.2 整車絕緣電阻檢測抽象原理框圖 圖3.3整車絕緣電阻檢測原理框圖Vout是將信號(hào)

33、取出的接點(diǎn)，這里的Vout的值并不是被直接被測量出來的，為提高計(jì)算絕緣阻值時(shí)的精確度先將信號(hào)進(jìn)行處理變換，再提取出來，然后通過計(jì)算還原Vout。將計(jì)算出來的Vout和已知的輔助電阻值相結(jié)合，可以計(jì)算出正負(fù)極絕緣電阻的并聯(lián)值。我們知道，絕緣電阻是由兩個(gè)絕緣阻值中較小的一個(gè)決定的。這里計(jì)算出的并聯(lián)阻值會(huì)比實(shí)際的絕緣阻值小，但是兩個(gè)電阻并聯(lián)后的阻值一定會(huì)比兩個(gè)電阻中較小的阻值更小，的基本可以代替絕緣阻值，幫助我們檢測絕緣情況。計(jì)算公式如下式（3-1）： （3-1）3.1.2、信號(hào)處理電路注入低頻信號(hào)后，采集輸出的信號(hào)前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，從而達(dá)到提高精度作用。將需要的方波信號(hào)和我們可以控制幅

34、度的方波信號(hào)疊加，并沒有直接將取出的信號(hào)直接采樣輸入到處理器中，是由于此時(shí)的信號(hào)可以被采樣的輸入電壓范圍較小只有0-5V，而這5V的電壓差對(duì)應(yīng)要計(jì)算的電阻值范圍極大，這樣得到的電壓值稍有偏差會(huì)對(duì)絕緣電阻的阻值計(jì)算造成極大的偏差，這里采用信號(hào)處理，可以減小誤差，提高精確度。具體見下圖3.4圖3.4 信號(hào)分析V1、V2分別為注入高壓電路后的方波信號(hào)和需要疊加的輔助信號(hào)，測量V3和V4根據(jù)式（3-2） (3-2) 和式（3-3） (3-3)可以計(jì)算出V1+和V1-的具體的值，從而推算出絕緣電阻阻值。電路如下圖3.5：圖3.5 信號(hào)處理電路圖模塊一的作用是濾波，將Vout進(jìn)行濾波，作用是消除干擾，得到

35、更準(zhǔn)確的想要得到的信號(hào)。模塊二是調(diào)節(jié)方波電壓幅值的電路，調(diào)節(jié)Vin2的信號(hào)的電壓值。 圖3.6 調(diào)節(jié)電路公式如下：我們知道 （3-4） （3-5） （3-6）聯(lián)立式，可以得到下面的計(jì)算公式（3-7）： （3-7）調(diào)節(jié)參數(shù)是可以改變輸出電壓值的。模塊三是一個(gè)加法器，將兩個(gè)信號(hào)疊加起來。整體電路的計(jì)算公式如下：已知： （3-8） （3-9） （3-10）則可以推算出最終公式（3-11）：（3-11）將注入后經(jīng)過變換的信號(hào)Vout采集出來測量，而Vin2是可以控制的，連系已知的電阻進(jìn)行計(jì)算，可以直接計(jì)算出Vin1。通過Vin1的值可以直接計(jì)算出絕緣電阻值。3.2、軟件設(shè)計(jì)3.2.1、核心處理器畢業(yè)設(shè)

36、計(jì)的核心處理器選用的是XC886，XC886是一個(gè)高性能高度集成的8位微控制器。芯片可由3.3V或5.0V的單電源供電，可以通過外部主機(jī)對(duì)芯片進(jìn)行方便的編程或是擦除。片內(nèi)裝載了CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)Controller Area Network）模塊，CAN總線協(xié)議目前已經(jīng)成為了汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，可以為系統(tǒng)提供聯(lián)網(wǎng)功能。片內(nèi)還有智能PWM單元和高精度的8通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。滿足了所要搭建系統(tǒng)的各種條件。3.2.2、開發(fā)環(huán)境這里的開發(fā)平臺(tái)是Keil ，是一款可以燒錄到單片機(jī)內(nèi)的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，并且Keil 生成目標(biāo)代碼的效率很高。C語言，由于書寫方式自由簡潔，所以簡單易學(xué)，易

37、使用；由于通過編譯得到可執(zhí)行代碼的，而不同機(jī)器上的語言編譯程序的代碼是公共的，所以可移植性好。總的來說，對(duì)于嵌入式軟件研發(fā)C語言優(yōu)點(diǎn)很多，是主流發(fā)展方向。3.2.3、軟件流程根據(jù)選用的絕緣檢測的方法，繪制如下圖的軟件流程圖。首先，檢測向系統(tǒng)注入的±40V低頻方波信號(hào)是否正常，如果不正常立即報(bào)警，如果正常則做出判斷±40V低頻方波信號(hào)是正常注入的。第二步，通過AD轉(zhuǎn)換取出V3，根據(jù)已知的V2+可以計(jì)算出V1+。同樣的方式通過對(duì)于V4的測量，可以計(jì)算出V1-，這樣可以計(jì)算出絕緣電阻，和已知的國標(biāo)對(duì)比則可以做出判斷，判斷出是否發(fā)生絕緣故障。圖3.7 軟件流程圖4、系統(tǒng)的調(diào)試與分析

38、通過制作pcb板來搭建硬件電路，模擬對(duì)于電動(dòng)汽車絕緣性能的檢測，圖4-1和圖4-2為該絕緣檢測系統(tǒng)的實(shí)物圖。圖4-1 實(shí)物圖圖4-2實(shí)物圖其中圖4-1展示的是注入模塊，作用是將低頻信號(hào)注入到待檢測的高壓系統(tǒng)中，圖4-2是核心處理器和信號(hào)處理系統(tǒng)，正常檢測時(shí)將兩個(gè)系統(tǒng)相連接。需要向整個(gè)檢測系統(tǒng)中注入高壓直流電壓信號(hào)、輔助電源、地；同時(shí)需要將注入模塊取出的絕緣電阻計(jì)算需要的電壓信號(hào)傳輸?shù)胶诵奶幚砟K中。連接好整個(gè)系統(tǒng)便可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的測試中。本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸贿M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。調(diào)節(jié)絕緣電阻值，分三次測量絕緣電阻，系統(tǒng)測量得到的絕緣電阻如下表記錄，由于這里測量的絕緣電阻其實(shí)是正負(fù)直流母線對(duì)地絕緣電阻

39、的并聯(lián)值會(huì)有稍許偏差，但是并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的判斷，具體數(shù)據(jù)如下：表4-1 測量結(jié)果絕緣電阻測量值1測量值2測量值3平均值誤差1040.8444141.93333333319.33%3064625961.66666667105.56%62971009898.3333333358.60%90128123123124.666666738.52%200240243236239.666666719.83%520574573577574.666666710.51%10521136112311051121.3333336.59%203620972129215521274.47%313632773259328032724.34%41804285433443124310.3333333.12%50705353536153535355.6666675.63%615063456544641364344.62%1025010820107861076610790.666675.27%根據(jù)上表我們可以通過繪制折線圖，比較直觀的觀察測量3組值的平均值與實(shí)際阻值的差別，圖如下：實(shí)際阻值圖4.3對(duì)