電動(dòng)汽車絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)方法#

1、電動(dòng)汽車絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)方法一、前言電動(dòng)汽車是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其中的許多部件包括動(dòng)力電池、 電機(jī)、充電機(jī)、能量回收裝置、輔助電池充電裝置等都會(huì)涉及高壓電器絕緣問(wèn)題。這 些部件的工作條件比較惡劣，振動(dòng)、酸堿氣體的腐蝕、溫度及濕度的變化，都有可 能造成動(dòng)力電纜及其他絕緣材料迅速老化甚至絕緣破損，使設(shè)備絕緣強(qiáng)度大大降低，危及人身安全。目前發(fā)電廠、變電站等場(chǎng)所直流高壓系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)有多種方式，但都存在一些缺點(diǎn)，如繼電器檢測(cè)方式靈敏度低，平衡電橋法在正負(fù)極絕緣同時(shí)降低時(shí) 不能準(zhǔn)確及時(shí)報(bào)警，注入交流信號(hào)法不僅會(huì)使直流系統(tǒng)紋波增大，影響供電質(zhì)量， 而且系統(tǒng)的分布電容會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，分辨率低

2、。與電力系統(tǒng)直流絕緣監(jiān)測(cè)不 同的是，電動(dòng)汽車直流系統(tǒng)電壓等級(jí)涵蓋 90500V的寬范圍，而且運(yùn)行過(guò)程中電壓 頻繁變化。文中提出的利用端電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣狀況的方法可以較好地解決上述問(wèn) 題，具有較高的精度，完全適合在電動(dòng)汽車上應(yīng)用。二、絕緣電阻測(cè)量原理電動(dòng)汽車的絕緣狀況以直流正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻來(lái)衡量。電動(dòng)汽車的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1規(guī)定：絕緣電阻值除以電動(dòng)汽車直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓U,結(jié)果應(yīng)大于100Q/V,才符合安全要求。標(biāo)準(zhǔn)中推薦的牽引蓄電池絕緣電阻測(cè)量方法適用于靜態(tài)測(cè) 試，而不滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。文中通過(guò)測(cè)量電動(dòng)汽車直流母線與電底盤之間的電壓，計(jì)算得到系統(tǒng)的絕緣電阻值。假設(shè)電動(dòng)汽車的直流系統(tǒng)電壓（即電池總

3、電壓）為 U,待測(cè)的正、負(fù)母線 與電底盤之間的絕緣電阻分別為 RR RN正、負(fù)母線與電底盤之間的電壓分別為 UR UN則待測(cè)直流系統(tǒng)白等效模型如圖 1中的虛線框內(nèi)所示。田1電動(dòng)汽料也建電I：閔“；陸理圖1為電動(dòng)汽車絕緣電阻測(cè)量原理，圖中 RC1 RC2為測(cè)量用的已知阻值的 標(biāo)準(zhǔn)電阻。工作原理如下：當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2全部斷開(kāi)時(shí)，測(cè)量正、負(fù)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(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)，則在正母線與電底盤之間加入標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻RC1,由式忒(2用治求解可以得到f、測(cè)量正、負(fù)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(kāi)和S1斷開(kāi)、S2閉合；(2) S1閉合、S2斷開(kāi)和S1斷開(kāi)、S2閉合。三、測(cè)量結(jié)果誤差分析由上述計(jì)算公式可知，絕緣電阻 RP RN的具體數(shù)值由4個(gè)測(cè)量電壓值和已 知標(biāo)準(zhǔn)電阻計(jì)算得到，最終結(jié)果的精度與電壓測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)電阻的精度直接相關(guān)。另 外，開(kāi)關(guān)動(dòng)作前后，電池電壓隨汽車加、減速的變化對(duì)結(jié)果的影響也應(yīng)分析。（一）測(cè)量參數(shù)對(duì)精度的影響 假設(shè)電池總電壓U保持不變，UP0 UN0 UPP UNPW測(cè)量相對(duì)誤差分別為TP0、T NR TPP、T NP標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1的相對(duì)誤差為丫 RQ待測(cè)的RP RN的實(shí)際 值為RP0 RN0且在測(cè)量過(guò)程中保持不

5、變，根據(jù)誤差理論的誤差絕對(duì)值合成法3可以得到 RP RN的相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)電阻阻值和被測(cè)電阻之間的比例有直接的關(guān) 系。當(dāng)RCInRP時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量誤差最小。此時(shí)假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差可以忽略不計(jì)， 電壓測(cè)量誤差丫 p0=T N0=t pp=T NP=y V,如果要求計(jì)算結(jié)果的總誤差 丫 W5%則電 壓測(cè)量的誤差必須滿足 tVW 1125%然而，電動(dòng)汽車在實(shí)際長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)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(dòng)車的絕緣狀況），阻值可以在靜態(tài)測(cè)量時(shí)的

6、100500Q/V之間選擇，因此實(shí)際誤差要更大。例如，對(duì)于標(biāo)稱300V的電動(dòng)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(shí)也滿足測(cè)量結(jié)果誤差 小于5%則必須使電壓測(cè)量誤差小于 0.625%。（二）電池電壓瞬變的影響電動(dòng)汽車的絕緣電阻一般來(lái)講是緩變參數(shù)，而測(cè)量過(guò)程很快，因此可以認(rèn)為測(cè)量過(guò)程中實(shí)際待測(cè)絕緣電阻阻值保持不變。假設(shè)利用式（3）、式（4）對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，在 S1、S2全部斷開(kāi)時(shí)電池電 壓為U, U=UP0+UN0而S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)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(jié)果， 必須保證U NP/U PP=UNP/UP成立。對(duì)于實(shí)際絕緣電阻不變的情況下，參照?qǐng)D 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(gè)電阻RP與RC1的并聯(lián)值，以下相同），該值在短暫的測(cè)量過(guò)程中可以作為恒值處理，但 必須保證測(cè)量過(guò)程中對(duì)電壓 UP0 UN怵樣的同時(shí)性和對(duì) UPP UN陳樣的同時(shí)性， 否則破壞了上述計(jì)算方法的正確條件。四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于上述方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，主要完成如下幾方面功能：正負(fù)母線對(duì)電底盤的 電壓測(cè)量、標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻的投切控制、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、聲光報(bào)警電路、液晶顯示及 通信。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(dòng)配置標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻的選擇應(yīng)遵循以下原則：（1）基本不影響被測(cè)系統(tǒng)原有的絕緣 性能；（2）要兼顧系統(tǒng)的測(cè)量精度要求；（3）根據(jù)系統(tǒng)電壓等級(jí)自動(dòng)配置不同等 級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)阻值；（4）高精度，低溫漂系數(shù)。系統(tǒng)的實(shí)際偏置電阻配置如表 1所示。表1直流時(shí)線電壓與偏置電阻對(duì)照襲電氏V50 150150 - 250250 - 35C550 -450450明值HL00200400此率W246S10（二）電壓測(cè)量電路由上述分析可知，在標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻確定的情況下，電壓檢測(cè)的精度直接決定 了最終結(jié)果的精度。一般來(lái)講，電動(dòng)汽車的標(biāo)稱電壓在90500V之間，運(yùn)行過(guò)程中 電池電壓存在一定

9、的波動(dòng)范圍，并且待測(cè)絕緣電阻也有一定的變化范圍，因此，通 用型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓測(cè)量電路必須保證在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等精度的測(cè)量，而且正、負(fù) 母線對(duì)地電壓的測(cè)量必須同時(shí)完成。文中采用低溫漂精密電阻分壓電路，結(jié)合雙積 分型高分辨率的A/D實(shí)現(xiàn)了等精度測(cè)量，主控單元與測(cè)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(cè)量方案相比，克服了后者的溫漂、零點(diǎn)漂移等 問(wèn)題，同時(shí)避免了其需要的10mA左右的工作電流影響被測(cè)系統(tǒng)的絕緣性能的缺點(diǎn)。正、負(fù)母線對(duì)地電壓的測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一致，其采集過(guò)程由CPU控制同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，滿足測(cè)量參數(shù)的同時(shí)性。（三）系統(tǒng)核心一一CPUCPU選用Motorola推出的

10、HCS12系列16位MCU29S12DJ644內(nèi)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(jià)比高、系 統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，同時(shí)芯片支持背景調(diào)試模式和大容量存貯器擴(kuò)展。FLASHS貯器具有快速編程能力，靈活的保護(hù)與安全機(jī)制，而且擦除和寫入無(wú)需外部加高電壓。五、試驗(yàn)結(jié)果該系統(tǒng)分別在汕頭國(guó)家電動(dòng)汽車試驗(yàn)示范區(qū)和浙江萬(wàn)向集團(tuán)電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā) 中心的電動(dòng)中巴車和電動(dòng)轎車上進(jìn)行了裝車運(yùn)行試驗(yàn)。在汕頭的一輛中巴車上安裝系統(tǒng)時(shí)，接線人員不小心用手碰到了正母線，馬 上有被電的感覺(jué)。中巴

11、車額定電壓 110V,因此報(bào)警值設(shè)定為11kQ。系統(tǒng)接線完成 后進(jìn)入正常工作，馬上就發(fā)出聲光報(bào)警。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，正、負(fù)母線對(duì)車體的絕緣電阻分別僅為112kQ和2kQ,明顯低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全閾值，因此汕頭方面馬上對(duì)車進(jìn)行了改造。這說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以 及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并通知使用者，提高電動(dòng)車使用的安全性。（一）試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)中利用CANS口將測(cè)量參數(shù)與計(jì)算結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控筆記本電腦以記錄 數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：首先，利用該系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)車輛自身固有的正負(fù)絕緣電阻 RP0 RN0然后，為了測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，在電動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，人為地向 正負(fù)母線分別并入一系列的標(biāo)準(zhǔn)電阻，改變電動(dòng)車的絕緣電阻值，以測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)

12、 不同的絕緣電阻值的測(cè)量情況。（二）部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，利用系統(tǒng)測(cè)量電動(dòng)車的 RP0 RN0結(jié)果2個(gè)阻值都顯示為 6.5MQ。因?yàn)橄到y(tǒng)的測(cè)量阻值上限為 6.5MQ,當(dāng)電阻的測(cè)量結(jié)果超出上限時(shí)系統(tǒng)也 會(huì)顯示為上限值，因此說(shuō)明試驗(yàn)用電動(dòng)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(yīng)結(jié)果，如表 2所示。& J實(shí)際裳車運(yùn)行試航窩就結(jié)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(yīng)結(jié)果，如表 3所示去3實(shí)際袋車運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)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?；? 9門T-心琉黯0210. 260 10 210.26國(guó)拉1 Oto0025012：5025負(fù)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(yàn)電阻；RNI為負(fù)母線 與車體之間并入的試驗(yàn)電阻；RPMfe正母線絕緣電阻的測(cè)量值；RNMfc負(fù)母線絕緣電 阻的測(cè)量值；TP為正母線電阻測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值的誤差； yN為負(fù)母線電阻測(cè)量結(jié) 果與實(shí)際值的誤差；RPE正母線絕緣電阻白理論計(jì)算結(jié)果；RN負(fù)母線絕緣電阻 的理論計(jì)算結(jié)果；T PME正母線電阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差； 丫 NMC?負(fù)母線 電阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差。其中 丫 PMC=(RPC-RPM /RPM丫 NMC =RNC-RNM/RNM因?yàn)檎嚱^緣良好，試驗(yàn)過(guò)程中正、負(fù)絕緣電阻的實(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)分析根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差計(jì)算可知：(1)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差 丫 PMC 丫 NMCt015%Z內(nèi)。誤差主 要是由計(jì)算過(guò)程的近似以及對(duì)測(cè)量參