電動汽車絕緣電阻在線監(jiān)測方法#

1、電動汽車絕緣電阻在線監(jiān)測方法一、前言電動汽車是一個復雜的機電一體化產品，其中的許多部件包括動力電池、 電機、充電機、能量回收裝置、輔助電池充電裝置等都會涉及高壓電器絕緣問題。這 些部件的工作條件比較惡劣，振動、酸堿氣體的腐蝕、溫度及濕度的變化，都有可 能造成動力電纜及其他絕緣材料迅速老化甚至絕緣破損，使設備絕緣強度大大降低，危及人身安全。目前發(fā)電廠、變電站等場所直流高壓系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測技術有多種方式，但都存在一些缺點，如繼電器檢測方式靈敏度低，平衡電橋法在正負極絕緣同時降低時 不能準確及時報警，注入交流信號法不僅會使直流系統(tǒng)紋波增大，影響供電質量， 而且系統(tǒng)的分布電容會直接影響測量結果，分辨率低

2、。與電力系統(tǒng)直流絕緣監(jiān)測不 同的是，電動汽車直流系統(tǒng)電壓等級涵蓋 90500V的寬范圍，而且運行過程中電壓 頻繁變化。文中提出的利用端電壓監(jiān)測系統(tǒng)絕緣狀況的方法可以較好地解決上述問 題，具有較高的精度，完全適合在電動汽車上應用。二、絕緣電阻測量原理電動汽車的絕緣狀況以直流正負母線對地的絕緣電阻來衡量。電動汽車的國際標準1規(guī)定：絕緣電阻值除以電動汽車直流系統(tǒng)標稱電壓U,結果應大于100Q/V,才符合安全要求。標準中推薦的牽引蓄電池絕緣電阻測量方法適用于靜態(tài)測 試，而不滿足實時監(jiān)測的要求。文中通過測量電動汽車直流母線與電底盤之間的電壓，計算得到系統(tǒng)的絕緣電阻值。假設電動汽車的直流系統(tǒng)電壓（即電池總

3、電壓）為 U,待測的正、負母線 與電底盤之間的絕緣電阻分別為 RR RN正、負母線與電底盤之間的電壓分別為 UR UN則待測直流系統(tǒng)白等效模型如圖 1中的虛線框內所示。田1電動汽料也建電I：閔“；陸理圖1為電動汽車絕緣電阻測量原理，圖中 RC1 RC2為測量用的已知阻值的 標準電阻。工作原理如下：當開關S1、S2全部斷開時，測量正、負母線與電底盤之 間的電壓分別為UP0 UNQ由電總&定律2可以得到UP0/RP=UN0/RN (1)當開關S1閉合、S2斷開時，則在正母線與電底盤之間加入標準偏置電阻RC1,由式忒(2用治求解可以得到f、測量正、負母線與電底盤之間的電壓分別為UPP UNP同樣可以

4、得到同樣，絕緣電阻在以下2種情況也可以得到：S1、S2全部斷開和S1斷開、S2閉合；(2) S1閉合、S2斷開和S1斷開、S2閉合。三、測量結果誤差分析由上述計算公式可知，絕緣電阻 RP RN的具體數(shù)值由4個測量電壓值和已 知標準電阻計算得到，最終結果的精度與電壓測量和標準電阻的精度直接相關。另 外，開關動作前后，電池電壓隨汽車加、減速的變化對結果的影響也應分析。（一）測量參數(shù)對精度的影響 假設電池總電壓U保持不變，UP0 UN0 UPP UNPW測量相對誤差分別為TP0、T NR TPP、T NP標準電阻RC1的相對誤差為丫 RQ待測的RP RN的實際 值為RP0 RN0且在測量過程中保持不

5、變，根據(jù)誤差理論的誤差絕對值合成法3可以得到 RP RN的相對誤差tRP、tRN分另I為：2? 一二三* _ Ya邑尸；*匚二,- Tpf)Uhf匚%L”中工海工用分析可知，系統(tǒng)的總誤差與標準電阻阻值和被測電阻之間的比例有直接的關 系。當RCInRP時，系統(tǒng)的測量誤差最小。此時假設標準電阻的誤差可以忽略不計， 電壓測量誤差丫 p0=T N0=t pp=T NP=y V,如果要求計算結果的總誤差 丫 W5%則電 壓測量的誤差必須滿足 tVW 1125%然而，電動汽車在實際長期運行過程中系統(tǒng)的絕緣電阻是變化的，而且 RC1 阻值不可能很?。ǚ駝t直接降低了電動車的絕緣狀況），阻值可以在靜態(tài)測量時的

6、100500Q/V之間選擇，因此實際誤差要更大。例如，對于標稱300V的電動汽車直流系統(tǒng)，選擇RC1=30kQ ,若要求絕緣電阻在最小值 30k Q時也滿足測量結果誤差 小于5%則必須使電壓測量誤差小于 0.625%。（二）電池電壓瞬變的影響電動汽車的絕緣電阻一般來講是緩變參數(shù)，而測量過程很快，因此可以認為測量過程中實際待測絕緣電阻阻值保持不變。假設利用式（3）、式（4）對應的檢測方法，在 S1、S2全部斷開時電池電 壓為U, U=UP0+UN0而S1閉合、S2斷開時電池電壓為 U , U =U PP+U NR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

7、得到正確的結果， 必須保證U NP/U PP=UNP/UP成立。對于實際絕緣電阻不變的情況下，參照圖 1 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個電阻RP與RC1的并聯(lián)值，以下相同），該值在短暫的測量過程中可以作為恒值處理，但 必須保證測量過程中對電壓 UP0 UN怵樣的同時性和對 UPP UN陳樣的同時性， 否則破壞了上述計算方法的正確條件。四、系統(tǒng)設計基于上述方法設計的系統(tǒng)，主要完成如下幾方面功能：正負母線對電底盤的 電壓測量、標準偏置電阻的投切控制、報警參數(shù)設置、聲光報警電路、液晶顯示及 通信。整個系統(tǒng)的硬件結構如圖 2所示。冉2電6汽）免曙山”

8、在rk就，!系幢中德相困（一）偏置電阻的自動配置標準偏置電阻的選擇應遵循以下原則：（1）基本不影響被測系統(tǒng)原有的絕緣 性能；（2）要兼顧系統(tǒng)的測量精度要求；（3）根據(jù)系統(tǒng)電壓等級自動配置不同等 級的標準阻值；（4）高精度，低溫漂系數(shù)。系統(tǒng)的實際偏置電阻配置如表 1所示。表1直流時線電壓與偏置電阻對照襲電氏V50 150150 - 250250 - 35C550 -450450明值HL00200400此率W246S10（二）電壓測量電路由上述分析可知，在標準偏置電阻確定的情況下，電壓檢測的精度直接決定 了最終結果的精度。一般來講，電動汽車的標稱電壓在90500V之間，運行過程中 電池電壓存在一定

9、的波動范圍，并且待測絕緣電阻也有一定的變化范圍，因此，通 用型監(jiān)測系統(tǒng)的電壓測量電路必須保證在全范圍內實現(xiàn)等精度的測量，而且正、負 母線對地電壓的測量必須同時完成。文中采用低溫漂精密電阻分壓電路，結合雙積 分型高分辨率的A/D實現(xiàn)了等精度測量，主控單元與測量電路采用光電耦合器隔離。 該種方法與采用LEM電壓傳感器的測量方案相比，克服了后者的溫漂、零點漂移等 問題，同時避免了其需要的10mA左右的工作電流影響被測系統(tǒng)的絕緣性能的缺點。正、負母線對地電壓的測量電路的結構和參數(shù)完全一致，其采集過程由CPU控制同時啟動轉換，滿足測量參數(shù)的同時性。（三）系統(tǒng)核心一一CPUCPU選用Motorola推出的

10、HCS12系列16位MCU29S12DJ644內部除中央 處理單元CPU1方卜，不僅集成了 FLASH EEPROM： RAMff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、性價比高、系 統(tǒng)設計簡單，同時芯片支持背景調試模式和大容量存貯器擴展。FLASHS貯器具有快速編程能力，靈活的保護與安全機制，而且擦除和寫入無需外部加高電壓。五、試驗結果該系統(tǒng)分別在汕頭國家電動汽車試驗示范區(qū)和浙江萬向集團電動汽車開發(fā) 中心的電動中巴車和電動轎車上進行了裝車運行試驗。在汕頭的一輛中巴車上安裝系統(tǒng)時，接線人員不小心用手碰到了正母線，馬 上有被電的感覺。中巴

11、車額定電壓 110V,因此報警值設定為11kQ。系統(tǒng)接線完成 后進入正常工作，馬上就發(fā)出聲光報警。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，正、負母線對車體的絕緣電阻分別僅為112kQ和2kQ,明顯低于標準規(guī)定的安全閾值，因此汕頭方面馬上對車進行了改造。這說明監(jiān)測系統(tǒng)可以 及時發(fā)現(xiàn)故障并通知使用者，提高電動車使用的安全性。（一）試驗過程試驗中利用CANS口將測量參數(shù)與計算結果發(fā)送給監(jiān)控筆記本電腦以記錄 數(shù)據(jù)。具體試驗過程如下：首先，利用該系統(tǒng)測量試驗車輛自身固有的正負絕緣電阻 RP0 RN0然后，為了測試監(jiān)測系統(tǒng)的功能，在電動車實際運行過程中，人為地向 正負母線分別并入一系列的標準電阻，改變電動車的絕緣電阻值，以測試系統(tǒng)針對

12、 不同的絕緣電阻值的測量情況。（二）部分試驗數(shù)據(jù)試驗準備階段，利用系統(tǒng)測量電動車的 RP0 RN0結果2個阻值都顯示為 6.5MQ。因為系統(tǒng)的測量阻值上限為 6.5MQ,當電阻的測量結果超出上限時系統(tǒng)也 會顯示為上限值，因此說明試驗用電動車的初始絕緣狀況良好。保持RNI=2000kQ不變，令 RPI=1000kQ ,記錄RPM RNM然后改變 RPI的 阻值大小，記錄相應結果，如表 2所示。& J實際裳車運行試航窩就結果1 ： ：工isE上*皿TN-9他4MT9a-l-t1-3r -1-1-L-2*1，tt出woJq。,j. 30。a，w也*】九二：OM；oee:讖曲Xw兇II1H52 or畔

13、-39* 1-7-2-54.A幾巾l 91g1門l典：刖,電網(wǎng)1onft-20白3a】 0保持RPI=2000kQ不變，令 RNI=1000kQ ,記錄RPM RNM然后改變 RNI的阻值大小，記錄相應結果，如表 3所示去3實際袋車運行試驗測試結果二)止品3NOW2 0002 0002 0002 0002 000:笫41 P40I 9419351同6I 907用1“小3 3-3 0- 5 0* 3 3 4-2-4. 55線1 942I 944I 941 9411。或1 9門T-心琉黯0210. 260 10 210.26國拉1 Oto0025012：5025負孔釣盅4:沾1004a 224.3

14、T, J-1.6-0.6-0. B0.1.6-2.S線即丁啦9734PS24?IW第，324.40-4io.:o0 400。，200.41表中參數(shù)意義如下:RPI為正母線與車體之間并入的試驗電阻；RNI為負母線 與車體之間并入的試驗電阻；RPMfe正母線絕緣電阻的測量值；RNMfc負母線絕緣電 阻的測量值；TP為正母線電阻測量結果與實際值的誤差； yN為負母線電阻測量結 果與實際值的誤差；RPE正母線絕緣電阻白理論計算結果；RN負母線絕緣電阻 的理論計算結果；T PME正母線電阻測量結果與理論計算的誤差； 丫 NMC?負母線 電阻測量結果與理論計算的誤差。其中 丫 PMC=(RPC-RPM /RPM丫 NMC =RNC-RNM/RNM因為整車絕緣良好，試驗過程中正、負絕緣電阻的實際值RPA RN的別可以表示為RPA= (RP0/RPI ) RPIRNA= (RN0/RNI) RNI因而丫 P= (RPM-RPA/RPZ ( RPM-RP /RPI丫 N= (RNM-RNA/RNA ( RNM-RN)I /RNI 5.3試驗數(shù)據(jù)分析根據(jù)上述測量數(shù)據(jù)及誤差計算可知：(1)系統(tǒng)測量結果與理論計算的誤差 丫 PMC 丫 NMCt015%Z內。誤差主 要是由計算過程的近似以及對測量參