动力电池绝缘电阻检测系统设计

李恒　涂浡　马季军

摘  要：文章提出一种动力电池绝缘电阻检测系统，采用外接电阻切换测量法设计绝缘电阻检测系统，搭建试验平台对电池组绝缘电阻进行测试，结果表明系统可以正确测量1kΩ到300kΩ之间的绝缘电阻，检测误差均在7%以下，精度满足实际工程需要，用电设备绝缘失效时及时提供预警，提高用电设备安全性能。

关键词：动力电池;绝缘电阻;正负母线

中图分类号：TM933        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）21-0083-03

Abstract： In this paper， a power battery insulation resistance detection system is proposed， which adopts the external resistance switching measurement method to design the insulation resistance detection system and build an experimental test platform， in order to test the insulation resistance of the battery pack. The results show that the system can correctly measure the insulation resistance between 1kΩ and 300kΩ， the detection error is less than 7%， the accuracy meets the actual engineering needs and improves the safety performance of power equipment.

Keywords： power battery; insulation resistance; positive and negative buses

引言

相对于化石能源来讲，动力电池具有节能、环保、高效等优点，其广泛应用于电动汽车、储能电站、航天器等领域。电动汽车电池组电压高达300-600V，近年来低轨大型航天器母线电压也逐渐升高至100V左右[1]，电压远超人体安全电压。设备恶劣工作环境、内部绝缘故障等因素均会导致绝缘老化甚至击穿[2-4]，动力电池绝缘电阻检测是亟待解决的问题。本文采用外接电阻切换测量法设计了一套动力电池绝缘检测系统。

1 绝缘检测原理分析

动力电池绝缘电阻即正、负母线对地最大漏电流对应的阻抗。外接电阻切换测量原理如图1所示，RP、RN分别表示电池正极、负极与接地点之间漏电流或短路电流的等效电阻。R1、R2分别为可以并联在正、负母线对地标准电阻，K1、K2、K3、K4为四个继电器。

2 系统设计

2.1 系统总体设计

绝缘电阻检测系统可分为以下几个部分：电源模块、MC9S08DZ60单片机最小系统、光耦继电器控制模块、电压采样电路以及液晶显示驱动电路，系统总体框图如图2所示。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 单片机系统

系统采用飞思卡尔公司的MC9S08DZ60单片机作为CPU，提供I/O端口控制继电器状态，具有AD芯片，将模拟电压信号转化为数字信号，同时本款单片机具有计算功能，将读取的数据计算得到绝缘电阻。

2.2.2 电源系统

检测系统电源为12V，电源模块LM7805将12V变换为5V，为单片机、液晶驱动电路供电。电源模块A1212S-1WR2将+12V电压转换为±12V，为霍尔电压传感器CHV-25P、运算放大器供电。单片机AD模块读取电压信号转化为数字信号，选用LM1117模块将+12V转换为+5V作为AD模块的基准源。

2.2.3 电压采集电路

霍尔电压传感器CHV-25P将高电压转化为单片机AD端口可以读取的0-5V电压，采用运放LM358对电压进行跟随与隔离。

2.2.4 光耦继电器控制电路

系统中标准电阻与正、负母线对地电阻并联，采用光耦继电器AQZ102作为控制开关，可以由MC9S08DZ60单片机I/O端口驱动。

2.2.5 液晶显示驱动电路

将单片机计算得到的绝缘电阻值显示在液晶屏幕上，选用LCD12864作为液晶显示模块。

2.3 系统软件设计

系统程序的编写在Codewarrior环境下进行，系统程序框图如图3所示。

3 试验验证

3.1 试验平台搭建

如图4所示，采用精密电阻模拟汽车正负、母线对地电阻，采用300k、100k、50k、34k、20k、12k、5.1k、1k等8種电阻做成电阻排，跳线帽作为开关切换模拟电阻。试验检测平台如图5所示。

3.2 试验结果

用跳线帽选择电阻排中电阻模拟绝缘电阻，接通检测系统电源，记录液晶屏显示的绝缘电阻值，正极模拟对地电阻一定时，改变负极模拟对地电阻，对动力电池的绝缘电阻进行测量。正极对地电阻为1kΩ时，改变负极接地电阻，绝缘电阻检测结果如表1所示。

正极对地电阻为5.1kΩ时，改变负极接地电阻，绝缘电阻检测结果如表2所示。

正极对地电阻为12kΩ时，改变负极接地电阻，绝缘电阻检测结果如表3所示。

正极对地电阻为20kΩ时，改变负极接地电阻，绝缘电阻检测结果如表4所示。

正极对地电阻为50kΩ时，改变负极接地电阻，绝缘电阻检测结果如表5所示。

4 结论

根据以上试验结果，可以看出绝缘电阻检测系统性能良好。经过试验测试，可验证本系统可以正确测量1kΩ到300kΩ之间的绝缘电阻，绝缘电阻检测误差均在7%以下，系统准确度高。当动力电池正、负母线对地电阻相差较大时准确度相对较高，符合实际用电设备漏电情况，即出现故障大多是正母线或者负母线中的一极发生漏电，而两极同时漏电概率较小。本系统精度可以满足实际工程需要，保证用电设备用电安全性，同时可以验证外接电阻切换测量绝缘电阻原理的正确性。

参考文献：

[1]陈启忠.低轨道高压电源系统关键技术研究[D].国防科学技术大学，2012.

[2]王锦忠.电动汽车绝缘性能检测装置的研制[D].北京交通大学，2007.

[3]Zhou C， Hu S， Sha W， et al. Active detection system of insulation resistance in electric vehicle[J]. Journal of Electronic Measurement & Instrument. 2013，27（5）：409-414.

[4]张强.电动汽车绝缘监测设备研究与开发[D].中国科学技术大学，2019.