电动汽车动力电池绝缘检测系统的设计与实现

张　进，张向文

(桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004)

电动汽车动力电池绝缘检测系统的设计与实现

张进，张向文

(桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004)

设计了一种新型的纯电动汽车动力电池绝缘检测系统，介绍了该检测系统检测原理及硬件电路与软件设计流程。该系统以STM32单片机为主控芯片，采用干簧管继电器、采样电阻、差分电压采集电路对动力电池的绝缘电阻进行实时的检测。利用该系统对4节12 V磷酸铁锂电池的各种绝缘状况进行测试，测试结果表明，绝缘电阻测量误差可以控制在5%以内，因此，设计的绝缘检测系统可以满足纯电动汽车动力电池的绝缘检测要求。

检测系统；动力电池；绝缘电阻；纯电动汽车

为了解决环境污染和石油危机等全球性难题，纯电动汽车得到了快速的发展。纯电动汽车一般采用锂电池作为动力电池，其电池组的电压通常都在200 V以上[1]，这样的电压已远远超出了人体所能承受的安全范围。纯电动汽车在日常使用过程中，潮湿、振动、暴晒等恶劣的环境很容易引起电池高压线束的老化和破皮，从而降低整车的绝缘安全性。当电池的正、负母线与车体发生漏电时，将直接危害到驾驶员和乘客的人身安全，因此，准确地对纯电动汽车动力电池的绝缘状况进行检测，当绝缘性能下降时，及时报警，对提高电动汽车的安全性具有至关重要的作用。

动力电池正、负母线对地绝缘电阻的大小是衡量纯电动汽车绝缘状况的重要标志[2]，对动力电池的绝缘状况进行检测实际是对电池正、负母线对地绝缘电阻的大小进行测量。国内外绝缘电阻的检测方法有很多，主要使用的方法包括电桥检测法、低频信号注入法和有源式绝缘检测法。电桥检测方法[3]的检测精度不高，且只能检测电池两端绝缘电阻值下降不相等的情况，当电池正、负母线对地的绝缘电阻值下降相等时，电桥依然平衡，因此，这种电桥检测方法失效。随后出现的低频信号注入法[4]，通过低频交流小信号注入电池两端，能够对正、负母线的绝缘电阻值下降相等的情况进行检测，但是交流信号的注入不仅增大了直流供电系统的纹波系数，影响供电质量，而且交流信号受到电路分布电容的影响，最终的检测精度不高。有源式绝缘检测方法[5-6]，通过PWM信号控制隔离变压器，分别给电池正、负母线与车体之间注入高压直流信号，进行绝缘电阻的测量。这种方法利用直流高压进行绝缘电阻的检测，能够提高检测的精度，但是瞬间的高电压对电路的冲击很大，电路结构复杂且PWM波的稳定性也存在质疑。

为了解决目前纯电动汽车绝缘检测方法所存在的问题，本文研究了一种新型的基于电桥的绝缘检测方法。首先给出这种电桥检测的原理，然后进行绝缘检测系统的硬件设计和软件设计，最后，通过实际的动力电池，对这种绝缘检测系统进行实验测试，验证设计系统的有效性。

1　绝缘检测原理

检测原理框图如图1所示，Rp和Rn分别为要检测电池正、负母线的对地绝缘电阻值，R为阻值已知的采样电阻。由图1知A点的电压正比于正母线对地的电阻值，B点的电压正比于负母线对地的电阻值，通过控制开关K0和K1的通断可以改变A、B点的电压。由于A点的电压很高，单片机不能直接进行AD采样，所以需要降压，而B点的电压为负，不仅需要降压，还需要转换电压的极性后，单片机才能进行AD采样，最后根据单片采样的电压值可以计算Rp或Rn的大小。

图1　绝缘电阻检测原理框图

在汽车的使用过程中，动力电池的正、负母线都有对地绝缘电阻值，但在进行绝缘检测时，不需要对两个值都进行测量，只需测量它们中较小的一个即可，把它们中较小的值作为纯电动汽车动力电池的绝缘电阻值。

下面将结合原理框图，对本设计工作原理进行清楚、完整地描述。

(1)首先K0、K1断开，此时测得动力电池正母线对地绝缘电阻所分得的电压为U0，动力电池负母线对地绝缘电阻所分得的电压为U1。由电路原理有：

式(1)可以作为判断Rp、Rn大小的依据，当Rp＞Rn时，式(1)结果大于1，只需测量Rn的大小，当Rp≤Rn时，结果小于等于1，只需测量Rp的大小。因此，这种方法可以对正负母线绝缘电阻下降相等的情况进行检测。

(2)当Rp≤Rn通过开关K1和K0的通断控制，进行Rp的测量。开关K1闭合，开关K0断开，此时检测电阻R和电池负母线的对地绝缘电阻并联,其目的是让电池正、负母线的对地电阻值尽可能地缩小差距，避免U0和U1的电压值出现很大的偏差，以提高电压的采样精度，从而提高绝缘电阻的测量精度。例如当正、负母线的绝缘电阻出现一端下降而另一端为无穷大的情况时，若R不是与绝缘电阻无穷大的一端并联，那么CPU在绝缘电阻下降的一端采到的电压几乎为0，最终不能准确计算出下降后的绝缘电阻值为多大，在此情况下检测电路失效。

(3)再次采集A、B两点的电压值分别为和。由电路原理有：

结合式(1)、(2)得出动力电池正母线的对地绝缘电阻计算公式为：

(4)当Rp＞Rn时，通过开关K1和K0的通断控制，进行Rn的测量。上述步骤(2)变为开关K0闭合，开关K1断开，此时电阻R和动力电池正母线对地绝缘电阻并联，通过同样的方法可计算出动力电池负母线的对地绝缘电阻。

2　硬件系统设计

纯电动汽车动力电池绝缘检测系统主要包括STM32主控单元、电桥单元、电压转换单元以及声光报警单元，检测系统的电路原理框图如图2所示。

图2　动力电池绝缘检测系统结构框图

主控单元采用ST公司推出的具有ARM核的STM32高性能单片机，其本身已经内嵌了16通道的12位高速ADC，这样可以简化系统的硬件，主控单元的主要功能是控制电压采集、继电器驱动、绝缘电阻计算程序的正常运行。

电桥单元由图1中K0、K1、R三个元件组成，在实际电路中K0、K1采用体积小、性能可靠的干簧管继电器，通过STM32单片机控制K0、K1的通断来改变正、负母线的对地电压值。

电压转换单元可以将动力电池正、负母线对地电阻承受的高电压信号转化为低压信号，该低压信号可以直接用单片机进行采集。其中电池正母线电阻对地承受的电压降压后，即可直接采集，而电池负母线电阻对地承受的电压为负，除了降压还需转换电压的极性。本系统的电压转换单元采用差分运算放大电路，其中电池负极的电压转换电路如图3所示。

图3　负极电压转换电路

运放C及其外围电阻构成差分运算放大电路，通过R9、R10、R11、R13、R14、R15来调节差分电路的降压比例，本电路中R10、R11、R14、R15的大小相等，均为2 MΩ，R9、R13的阻值都为1 MΩ。运放D为一电压跟随器，R12为输入降压电阻，阻值为100 kΩ，R16为反馈电阻，阻值为100 kΩ。电压跟随器具有输入电阻大、输出电阻小的特点，能提高单片机对电池正、负母线对地电阻所承受电压的采集精度。

若B端的电压为UB，单片机的电压采集输入端PA6的电压为U，则根据电路原理可得：

电池正极的电压转换电路只需将图3中的B端接地，GND接到图1中的A点，PA6换成单片机电压采集输入端PA5即可。

该差分运算放大电路的主要优点是输入电阻大、电流小，能提高电压的采样精度，从而提高绝缘电阻检测精度。实际电路中的运放采用TL084芯片，其本身具有四路运算放大器，一片TL084即可完成电池正、负母线对地电压的转换工作。

3　软件系统设计

本系统的软件设计主要是基于STM32单片机的C语言编程，编程是在ARM公司的MDK集成开发环境下进行的。整个软件系统采用模块化设计，以实现绝缘检测周期的确定、电压采集、继电器驱动、绝缘电阻计算等功能。

为了延长干簧管继电器的开关寿命，且让检测系统的功耗尽可能低，增加纯电动汽车的续航里程，实际的绝缘电阻检测过程需要和电池管理系统相配合。根据电池管理系统采集的电流信号进行检测周期的调整。另外，检测周期还需要根据检测到的绝缘电阻的变化情况进行调整。具体如下：

(1)当电池电流大于零，汽车启动开始行驶，需要加快绝缘检测的速度，此时，如果连续两次检测到的绝缘电阻值达到绝缘标准时，检测周期为30 s一次，连续两次检测到绝缘电阻低于绝缘标准时，报警并且把检测周期设为每1 s检测一次。

(2)当电池电流小于等于零时，汽车没有启动，处于停止或充电状态，不需要快速检测绝缘状况，此时，当连续两次检测到的绝缘电阻值达到绝缘标准时，检测周期为30 min一次，连续两次检测到的绝缘电阻低于绝缘标准时，报警并且把检测周期设为每分钟检测一次。程序第一次执行时设置的检测周期为1 s。

根据国家标准GB/T 18384.1-2001，要求纯电动汽车的动力电池绝缘电阻值至少为100 Ω/V，最好在500 Ω/V以上[7]。本设计将以此为标准来衡量动力电池的绝缘状况。

软件系统的程序流程图如图4所示。

图4　绝缘检测系统程序流程图

4　系统测试

为了验证设计的绝缘检测系统的有效性，搭建了实际的测试系统，包括4节动力电池，STM32控制模块、电压转换模块和电桥报警显示模型，如图5所示。

图5　实际硬件测试系统

实验采用4节12 V磷酸铁锂电池组来模拟汽车的动力电池，10～150 kΩ范围内的直插电阻模拟动力电池正、负母线的绝缘电阻。

实验分两种情况进行，分别为：(1)正、负母线绝缘电阻都下降；(2)正、负母线只有一端绝缘电阻下降，另一端为无穷大。表1为检测绝缘电阻的阻值和实际阻值的对比结果。

实验结果表明，设计的纯电动汽车绝缘电阻检测系统能够对电池正、负母线出现的多种绝缘状况进行检测，根据表1的数据得出此检测系统的绝缘电阻测量误差控制在5%以内，能够满足纯电动汽车的绝缘检测要求。

表1　实验测试结果

5　结论

针对目前纯电动汽车动力电池绝缘检测系统检测精度低、电路复杂的问题，设计了一种新型的绝缘检测系统。该系统利用两个开关和一个采样电阻进行绝缘电阻的检测，检测电路简单。利用实际的动力电池进行绝缘检测系统的测试，测试结果表明，该检测系统可以对动力电池的各种绝缘状况进行检测，检测精度小于5%。

[1]潘磊,姜久春,李景新,等.电动汽车智能无源接地检测装置的研究[J].电气传动自动化,2003,25(4):47-49.

[2]毕路,魏学哲,孙泽昌.基于FPGA的电动汽车漏电保护装置的设计[J].电源技术,2007,31(8):651-654.

[3]卓斌,樊晓松,陆珂伟.电动汽车高压直流电绝缘检测电路:中国, CN1634724[P].2005-07-06.

[4]王瑞祥,刘峰,熊小伏,等.变电站直流电源绝缘在线检测新方法[J].电力自动化设备,2009,29(12):65-66.

[5]王佳悦,张维戈,温家鹏,等.电动汽车有源式绝缘检测方法研究[J].电测与仪表,2011(5):6-9.

[6]周晨,胡社教,沙伟,等.电动汽车绝缘电阻有源检测系统[J].电子测量与仪器学报,2013,27(57):409-414.

[7]中华人民共和国国家质量监督检测检疫总局.GB/T18384.1-2001电动汽车安全要求第一部分：车载储能装置[S].北京:中国标准出版社,2001.

Design and realization of an insulation detection system for pure electric vehicle power battery

ZHANG Jin,ZHANG Xiang-wen
(School of Electrical Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

A new insulation detection system for the electric vehicle power battery was designed,and the detection system principle and the hardware and software design process were introduced in this paper.The STM32 microcontroller was used as the main chip,and reed relays,sampling resistor,differential voltage acquisition circuit was used to detect the insulation resistance of the power battery.The system was tested with 12 V LiFePO4batteries for a variety of insulation condition.The test results show that the insulation resistance measurement error is within 5%,therefore,and the designed insulation detection system can meet the insulation detection requirements for the pure electric vehicle power battery.

detection system;power battery;insulation resistance;pure electric vehicles

TM 912

A

1002-087 X(2016)10-1946-04

2016-03-11

广西科学研究与技术开发课题(桂科重1348003-4);广西自动检测技术与仪器重点实验室基金(YQ14111)

张进(1888—)，男，湖南省人，硕士，主要研究方向为纯电动汽车动力电池管理。