低压电器 ( 2009№5)·智能电器及计算机应用 ·通用低压电器篇电动汽车智能在线绝缘检测装置研究3吴振军1 , 2 , 王丽芳1(1. 中国科学院电工研究所 , 北京100190;2. 郑州轻工业学院 , 河南郑州 450002 )摘 要 : 设计了一种电动汽车用新型绝缘检测装置。
该装置主要由采样电路、信号传输和处理部分构成 ,不需电压 /电流传感器 ,仅需一个高压控制开关 ,有效降低成本 ,便于工程化实现。
给出了电路原理、硬件电路、软件实现及绝缘电阻计算公式。
测 吴振军 ( 1971—) ,试结果表明 ,该装置能实时、准确地进行各种绝缘检测 ,并能准确报警 ,且误差较小。
男 ,讲师 ,博士研究关键词 : 检测; 绝缘; 传感器; 实时生 ,研究方向为电中图分类号 : TP 216 文献标识码 : B 文章编号: 1001 5531( 2009) 05 0020 03动汽车电磁兼容。
Research on In sula tion Resistance On L ine In spection forHybr id Electr ic Veh icleWU Z hen jun 1, 2, WAN G L ifang1( 1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, B eijing 100190, China;2. Zhengzhou University of L ight Industry, Zhengzhou 450002, China)Abstract: A new insulation resistance detection device in hybrid electric vehicle was designed. It was com222samp ling circuit, signal transm ission and operation part,no need of transformers, just a high voltage conposed of2 2 2trol switch. It can effectively reduce the cost and is easy to app ly into p ractical engineering. The p rincip le, hardwarecircuit, software realization and calculation formula of insulation resistance were given. The test results show this device can real time and p recisely p roceed with different insulation resistance detecting and can alarm correctly w itherror.222littleKey words: detection; in sula tion; sen sor; rea l tim e0 引 言为克服汽车产业带来的能源与环保问题 ,近几年电动汽车得到了快速发展。
但电动汽车是一 个复杂的机电装置 ,动力电池、直流传输母线、逆变器、电动机、直流变换等都会涉及绝缘问题 ,且电动汽车工作环境复杂 ,震动、温度和湿度急剧变化 ,酸碱气体的腐蚀 , 都会引起绝缘的损伤和破坏 ,使绝缘性能下降。
电源正、负极引线通过绝缘层和底盘构成漏电流回路 ,使底盘电位上升 ,不仅会危及乘客的人身安全 ,还将影响低压电器和车辆控制器的正常工作[ 122 ]。
当高电压电路和底盘之间发生多点绝缘性能严重下降时 ,还会导致漏电回路的热积累效应 ,造成车辆的电气火灾。
因此 ,准确、实时地检测高压电气系统对车辆底盘绝缘性能 ,对保证乘客安全、电气设备正常工作和车辆安全运行具有重要意义。
对电动汽车绝缘电阻的检测已有了一些研究 [ 124 ],这些研究的方法大同小异 ,主要是在直流母线正负极和电底盘之间接入电阻 ,通过电子开关或高压继电器接通电阻和电底盘 ,然后测量这些电阻上的电压或电流 ,再计算得到绝缘电阻的大小。
这些方法都需要电子开关或高压继电器以及电流或电压传感器。
文献 [ 5 ]提出了一种绝缘检测方法 ,但只能检测单端绝缘破坏情况 (即绝缘不平衡现象 ) ,当正负两端绝缘同时改变时 ,却王丽芳 ( 1971—) ,女 ,研究员 ,博士生导师 ,研究方向为电动汽车总线技术、电池管理等。
3 基金项目:国家 863计划支持项目资助 ( 2006AA11A153)— 20 —© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.低压电器 ( 2009№5)·智能电器及计算机应用 ·通用低压电器篇不能发现并报警。
本文结合以上文献的优点 ,采用一种新的检 测方法 ,无需额外的传感器就能检测绝缘电阻的大小 ,有效降低成本。
并且仅需改变电路中测量电阻的大小就可在全电压范围内检测绝缘电阻(DC 90～500 V ) 。
1 绝缘电阻检测原理绝缘状况的好坏由直流母线正负极对地电阻决定。
电动汽车标准规定绝缘电阻必须大于 100Ω /V 才符合安全需要。
检测电路原理如图 1 所示 , R 5 、R 6 为已知电阻的标准电阻 , 阻值较大且相同 , 否则易降低绝缘。
运放 A 和电阻 R 1 ～R 4 构成的比例电路用来测量母线电压及正极对地电压, 比例电路作用是把高压转变成可供单片机使用的低压,U 0 正比于母线电压 , U 1 正比于正极对地电压。
图 1 绝缘检测电路工作原理图当开关管 S 断开时, 可测出此时的 U 1 和 U 0 ,由电路可知, R + / ( R + + R - ) = U 1 /U 0 , U 1 正比于U + , U 0 正比于 ( U - + U + ) 。
由电路原理可知, R + / ( R + + R - ) = U 1 /U 0 。
根据 U 1 /U 0 值可知正负极绝缘电阻哪一个更小, 若 U 1 /U 0 ≥12 , 说明正极比负极绝缘要好, 反之则差。
通过 CPU 接通 S , 在正母线与地之间接入测量偏置电阻 R, 测量此时U 1 和 U 0 值, 得到 U 1′和 U 0′,计算公式为2 系统设计根据以上原理 ,开发了电气绝缘检测系统 ,电路原理如图 2所示。
整个电路主要由比例电路和数据采集处理单元组成。
在比例电路中 , S 采用光电隔离开关管 ,耐压等级为 500 V;运放和电阻都采用精密元件 ,以降低误差。
数据采集处理单元采用 Motorola HCS12单片机控制 (和整车电池管理系统集成在一起 ) ,其主要功能是: ①利用单片机的高速输出单元输出脉冲信号 ,驱动光电开关管以便接入电阻 R ; ②在开关管导通和断开期间 ,分别采集 U 0 和 U 1 值 ,经线性隔离放大电路输入到 CPU , 计算并显示正负极绝缘电阻中较小者 ; ③预设电源正、负极引线对底盘绝缘电阻的安全阈值 ,当测量值低于安全阈值时 ,单片机发出报警信号。
图 2 系统的硬件框图图 3 为主控 CPU 的流程图。
在程序设计中考虑到电动汽车的复杂工作环境 ,加入了一些抗干扰措施 ,如看门狗 [ 6 ] 、多次采样取平均等。
(U 0 - U 1 ) R 6′= U 1RR 5′R + R 5′( 1)(U 0′- U 1′)R 5′= U 1′ RR 6′R + R 6′式中, R 5′、R 6′为电阻 R 5 、R 6 与绝缘电阻的并联值。
通过两次测量结果, 由式 ( 1 ) 计算得到正负极对地绝缘电阻大小。
图 3 软件流程图— 21 —© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.低压电器 ( 2009№5) ·智能电器及计算机应用 ·通用低压电器篇具体设计电路如图 4 所示 ,比例电路把高压 100 k Ω。
采样后的电压被送入 CPU 进行计算 ,故直流转变成可被 CPU 处理的小信号 ,因此 R 1 和 采用线性隔离放大电路隔离高压与低压系统 ,确 R 3 远大于 R 2 和 R 4 , R 1 和 R 3 为 4M Ω , R 2 和 R 4 为保低压不受高压系统的影响。
线性隔离放大电路 采用 HNCR200,其外围元件的选择确保其工作在 线性放大范围内。
电路中的各个电容主要用来滤波 ,以消除高频噪声对系统的影响。
3 测试结果与误差分析首先在实验室对不同的绝缘状况进行了检 测 ,通过接入不同的正负极电阻 ,可模拟不同绝缘状况对不同的母线电压进行测试。
表 1 为 148 V 图 4 绝缘检测电路直流母线电压的测试结果。
表 1 实验室测试结果 ( U dc = 148 V)并入电阻 /Ω 100 k 50 k 20 k 1 M 1 M 1 M 300 k 50 k 母线正极对地测量值 / k Ω 95. 06 47. 65 19. 18 670. 45 579. 79 354. 99 260. 94 48. 11 误差 / % 4. 94 4. 70 4. 10 33. 96 42. 02 64. 51 13. 90 3. 78并入电阻 /Ω 1 M 1 M 1 M 100 k 50 k 20 k 100 k 50 k 母线负极对地测量值 / k Ω 790. 18 772. 99 719. 06 99. 48 50. 40 19. 56 99. 41 50. 27误差 / %21. 9222. 7028. 100. 620. 802. 200. 590. 54表中计算值是在正负极同时接入如表所示的电阻时得到的。
由表 1 可见 , 若正极接入 1 M Ω电阻 ,负极接入较小电阻时 ,正极绝缘电阻误差非常大 ,而负极绝缘误差较小; 同理 ,负极接入大电阻时 ,正极误差较小 ,而负极绝缘电阻测量值远远偏离实际值。
表中最后两项对应绝缘同时下降时情形 ,具有相同的结果。
而绝缘好坏主要是由正负极对地绝缘的较小值决定 ,基本上绝缘较差端的电阻误差 < 5 % , 故测试结果基本满足实际需要。
在正负端同时接入不同的电阻模拟绝缘状况时 ,电阻大的一端的测量误差很大。