混合动力汽车用电池包动态绝缘电阻检测方法研究
周兴叶 朱建新 陈祥 储爱华
摘 要： 基于混合动力汽车高压动力电池安全性的要求，设计一种快速响应动态绝缘电阻检测电路。分析绝缘检测电路的设计原理，分别测试电池包正负高压母线外接不同绝缘电阻阻值时的检测精度。测试表明，该电路测量精度高，在1 MΩ以下的绝缘电阻检测中，误差小于5%，满足实际设计要求。
关键词： 混合动力汽车； 新能源汽车； 绝缘检测； 电池管理系统
中图分类号： TN37?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0121?04
Abstract： For the safety requirement of the high?voltage power battery of hybrid power automobile， a dynamic insulation resistance detection circuit with rapid response was designed. The design theory of the insulation detection circuit is analyzed. The detection accuracy of the battery pack′s positive and negative high?voltage buses connected with different insulation resistances was tested. The test results show that the circuit has high measuring accuracy， and its error is less than 5% while detecting the insulation resistance below 1 MΩ， which satisfies the practical design requirement.
Keywords： hybrid power automobile； new energy vehicle； insulation detection； battery management system
0 引 言
电动汽车行业的飞速发展，在满足现有功能的基础上，对其安全性能要求也是越来越高。动力电池作为新能源汽车部分或全部的动力源，其电压一般比较高，并且工作时充放电电流较大，加上恶劣的使用环境，如振动、冲击、气候冷热交替等影响，高压绝缘部分可能会出现绝缘故障[1]。因此，动力电池工作中，若电池组的正极或负极与车身发生短路，会影响汽车使用安全及人身安全，在高压电池的正极或负极与车身发生短路隐患时，能够及时通过绝缘电阻检测电路检出，并及时报故障进行处理才能避免人身安全受到伤害。因此，高压电池包的安全性一直是新能源汽车行业备受关注的问题，绝缘检测在新能源汽车行业的发展意义重大[2]。目前，绝缘电阻检测电路及其控制方式一般比较复杂[3]，且动态响应差，并且极易造成电池管理系统（BMS）的损坏。针对高压电池包的危险性，以飞思卡尔单片机为控制器，设计出一种简单快速检测绝缘电阻的电路，其主要通过控制器向电路中注入电流，测量基准电阻两端电压，并通过计算得出绝缘电阻值[4?6]。实验证明，该绝缘电阻检测电路反应速度快、精度高，增加了新能源汽车使用的安全性。
1 绝缘电阻检测硬件设计
目前绝缘检测的方法主要有两种，一是采用信号注入的方法进行测量，另外一种方法是采用外接电阻切换测量[7]。本文主要采用信号注入法进行绝缘电阻测试。信号注入法主要是通过注入一定频率的直流电压信号，通过测量反馈信号以测量绝缘电阻。图1为设计的绝缘检测电路。图中，V1为基准电阻R1的前端电压，V2为基准电阻R1的后端电压，VCC为5 V电压，D1，D2为两个钳位二极管，用于钳制基准电阻R1的后端电压V2在0～5 V之间，C1为高压电容，CPU为飞思卡尔单片机，其中与该电路的接口为单片机某一控制口，Rx为所需测试的当量绝缘电阻。V1的测压电路包括电阻R5、放大器E1及电阻R6。V2测压电路由电阻R7、放大器E2、电阻R8、放大器E3、电阻R9以及电容C4组成，后端放大器主要为了防止零点漂移，V1，V2外接单片机的控制口来采集基准电阻R1两端的电压值。R4为上拉电阻，防止放电时流经三极管Q的电压过大而被击穿。
2 绝缘电阻硬件检测原理
该电路主要通过采集基准电阻R1两端电压，再经单片机处理计算得出当量绝缘电阻值Rx。当动力电池正极或电池中间部分发生绝缘故障时，电池组电流从正极或中间部分依次流经绝缘电阻、二极管D2、限流电阻以及电容再流回电池组负极，从而形成闭合回路，当电容充满电后，回路中的电流为零，此时可以忽略二极管D2的压降，则高压电容的电压等于电池组的总电压。因此，高压电容在正常情况下可以起到将电池组与车身隔离的作用，并且可以平衡当量绝缘电阻非接地端与电池组总负端之间的电压，使电容的正端与当量绝缘电阻非接地端之间的电压近似为零，从而使电池组自身的电压不能产生附加的电流，计算出来的绝缘电阻的数值更加准确。此外，当绝缘电阻快速恢复正常时，电容上的电荷可迅速地通过二极管D1向充电端的电路中释放，迅速消除故障。负极短路的绝缘检测原理与正极相同，主要检测时序如下：
（1） 单片机（图1中CPU）输出低电平时，三极管Q截止，此时通过充电端VCC向高压电容C1充电，并实时采集基准电阻R1两端的電压V11，V12。
（2） 单片机（图1中CPU）输出高电平时，三极管Q导通，此时高压电容C1向接地端放电，并实时采集基准电阻R1两端的电压V21，V22。
（3） 计算绝缘电阻Rx，由欧姆定律可知：在控制单元输出低电平时，在该电路对高压电容充电的过程中，都可以通过欧姆定律即时得出：
3 绝缘检测软件设计
软件设计是验证该绝缘检测电路的有效方法之一，系统软件采用基于单片机的C语言编程，其编程环境在Code Warrior IDE中进行。具体软件时序流程见图2。
实时中断中，对当前时间进行有效判断：
（1） CPU端输出低电平，此时三极管Q截止，5 V的VCC通过R1，R2向高压电容C充电；
（2） 采集V1，V2两点电压分别记为V11，V12；
（3） CPU端输出高电平，此时三极管Q导通，高压电容C通过R1，R2向地放电；
（4） 采集采集V1，V2两点电压，分别记为V21，V22；
（5） CPU端输出低电平，此时三极管Q截止，5 V 的VCC通过R1，R2向高压电容C充电；
（6） 维持充电状态，直到进入下个测试周期。
4 试验测试与分析
4.1 电池包模拟实验
4.1.1 实验仪器与对象
实验仪器包括，集成绝缘检测电路的BMS电路板、色环电阻、四通道采样示波器、288 V/6 A·h的镍氢动力电池包。
4.1.2 实验步骤
实验中采用镍氢动力电池包进行测试，连接好测试平台，图3为单板测试平台，图4为色环电阻。
4.2 试验结果与讨论
在电池包电压采样电路中接入了2 MΩ的电阻，因此，在测量的数据中实际绝缘电阻Rx应该是其与2 MΩ并联的值，在电源负极连接上述阻值的电阻分别进行测试，在软件时序控制中示波器抓取V1，V2两端电压，其中图5为电池包负极接绝缘阻值30 kΩ时捕捉的基准电阻R1两端V1，V2的波形；图6为电池包负极接绝缘阻值300 kΩ时捕捉的基准电阻R1两端V1，V2的波形， 记录采集后回放的数据，见表1。
同理，其中图7为电池包正极接绝缘阻值200 kΩ时抓取的基准电阻R1两端V1，V2的波形；图8为正极接绝缘阻值500 kΩ时抓取的基准电阻R1两端V1，V2的波形， 记录采集后回放的数据，见表2。
由表2中数据可知，正负极绝缘检测等效，负极绝缘检测精度较正极略高，但在允许的误差范围之内，采样精度随着测试阻值的增大而降低，且当绝缘阻值在1 MΩ以下时其采样精度大于95%。一般情况下，当电池包上强电后（电池包高压闭合），检测到绝缘阻值到达某一值时可触发绝缘故障报警，从而可以从源头发现电池包故障，保证车辆行驶安全与人身安全。
5 結 论
绝缘检测是电动汽车发展过程中的一项关键技术，分析设计的快速响应动态绝缘电阻检测电路，通过高压电容将高压与低压进行隔离，降低高压对绝缘检测精度的影响，结合软件时序控制，在动力电池包上分别进行了正负极短接色环电阻测试，通过对高压电容的充放电，可以快速准确地测量出绝缘电阻，发现故障并及时触发报警，解决了现有绝缘电阻检测响应速度及检测精度等问题，保证汽车行驶安全与人身安全。测试表明，该测量电路具有稳定性好、电路简单、测试方法简便、抗干扰能力强、精度高、反馈速度快等优点，在新能源汽车的发展中具有重要前景。
注：本文通讯作者为朱建新。
参考文献
[1] 郭宏榆，姜久春，温家鹏，等.新型电动汽车绝缘检测方法研究[J].电子测量与仪器学报，2011，25（3）：253?257.
[2] 李景新，樊彦强，姜久春，等.电动汽车绝缘电阻在线监测方法[J].汽车工程，2006，28（10）：884?887.
[3] 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（5）：409?414.
[4] 吴成加.电动汽车绝缘电阻在线监测方法的研究[J].客车技术与研究，2015（1）：26?28.
[5] 姜雨，沙立民，任谊.基于低频信号法的电动汽车绝缘监测方法研究[J].国外电子测量技术，2014（11）：25?28.
[6] 王嘉悦，张维戈，温家鹏，等.电动汽车有源式绝缘监测方法研究[J].电测与仪表，2011，48（5）：6?9.
[7] 刘广敏，乔昕，张晓鹏.电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法研究[J].汽车技术，2013（11）：51?54.
摘 要： 基于混合动力汽车高压动力电池安全性的要求，设计一种快速响应动态绝缘电阻检测电路。分析绝缘检测电路的设计原理，分别测试电池包正负高压母线外接不同绝缘电阻阻值时的检测精度。测试表明，该电路测量精度高，在1 MΩ以下的绝缘电阻检测中，误差小于5%，满足实际设计要求。
关键词： 混合动力汽车； 新能源汽车； 绝缘检测； 电池管理系统
中图分类号： TN37?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0121?04
Abstract： For the safety requirement of the high?voltage power battery of hybrid power automobile， a dynamic insulation resistance detection circuit with rapid response was designed. The design theory of the insulation detection circuit is analyzed. The detection accuracy of the battery pack′s positive and negative high?voltage buses connected with different insulation resistances was tested. The test results show that the circuit has high measuring accuracy， and its error is less than 5% while detecting the insulation resistance below 1 MΩ， which satisfies the practical design requirement.
Keywords： hybrid power automobile； new energy vehicle； insulation detection； battery management system
0 引 言
电动汽车行业的飞速发展，在满足现有功能的基础上，对其安全性能要求也是越来越高。动力电池作为新能源汽车部分或全部的动力源，其电压一般比较高，并且工作时充放电电流较大，加上恶劣的使用环境，如振动、冲击、气候冷热交替等影响，高压绝缘部分可能会出现绝缘故障[1]。因此，动力电池工作中，若电池组的正极或负极与车身发生短路，会影响汽车使用安全及人身安全，在高压电池的正极或负极与车身发生短路隐患时，能够及时通过绝缘电阻检测电路检出，并及时报故障进行处理才能避免人身安全受到伤害。因此，高压电池包的安全性一直是新能源汽车行业备受关注的问题，绝缘检测在新能源汽车行业的发展意义重大[2]。目前，绝缘电阻检测电路及其控制方式一般比较复杂[3]，且动态响应差，并且极易造成电池管理系统（BMS）的损坏。针对高压电池包的危险性，以飞思卡尔单片机为控制器，设计出一种简单快速检测绝缘电阻的电路，其主要通过控制器向电路中注入电流，测量基准电阻两端电压，并通过计算得出绝缘电阻值[4?6]。实验证明，该绝缘电阻检测电路反应速度快、精度高，增加了新能源汽车使用的安全性。
1 绝缘电阻检测硬件设计
目前绝缘检测的方法主要有两种，一是采用信号注入的方法进行测量，另外一种方法是采用外接电阻切换测量[7]。本文主要采用信号注入法进行绝缘电阻测试。信号注入法主要是通过注入一定频率的直流电压信号，通过测量反馈信号以测量绝缘电阻。图1为设计的绝缘检测电路。图中，V1为基准电阻R1的前端电压，V2为基准电阻R1的后端电压，VCC为5 V电压，D1，D2为两个钳位二极管，用于钳制基准电阻R1的后端电压V2在0～5 V之间，C1为高压电容，CPU为飞思卡尔单片机，其中与该电路的接口为单片机某一控制口，Rx为所需测试的当量绝缘电阻。V1的测压电路包括电阻R5、放大器E1及电阻R6。V2测压电路由电阻R7、放大器E2、电阻R8、放大器E3、电阻R9以及电容C4组成，后端放大器主要为了防止零点漂移，V1，V2外接单片机的控制口来采集基准电阻R1两端的电压值。R4为上拉电阻，防止放电时流经三极管Q的电压过大而被击穿。
2 绝缘电阻硬件检测原理
该电路主要通过采集基准电阻R1两端电压，再经单片机处理计算得出当量绝缘电阻值Rx。当动力电池正极或电池中间部分发生绝缘故障时，电池组电流从正极或中间部分依次流经绝缘电阻、二极管D2、限流电阻以及电容再流回电池组负极，从而形成闭合回路，当电容充满电后，回路中的电流为零，此时可以忽略二极管D2的压降，则高压电容的电压等于电池组的总电压。因此，高压电容在正常情况下可以起到将电池组与车身隔离的作用，并且可以平衡当量绝缘电阻非接地端与电池组总负端之间的电压，使电容的正端与当量绝缘电阻非接地端之间的电压近似为零，从而使电池组自身的电压不能产生附加的电流，计算出来的绝缘电阻的数值更加准确。此外，当绝缘电阻快速恢复正常时，电容上的电荷可迅速地通过二极管D1向充电端的电路中释放，迅速消除故障。负极短路的绝缘检测原理与正极相同，主要检测时序如下：
（1） 单片机（图1中CPU）输出低电平时，三极管Q截止，此时通过充电端VCC向高压电容C1充电，并实时采集基准电阻R1两端的電压V11，V12。
（2） 单片机（图1中CPU）输出高电平时，三极管Q导通，此时高压电容C1向接地端放电，并实时采集基准电阻R1两端的电压V21，V22。
（3） 计算绝缘电阻Rx，由欧姆定律可知：在控制单元输出低电平时，在该电路对高压电容充电的过程中，都可以通过欧姆定律即时得出：
3 绝缘检测软件设计
软件设计是验证该绝缘检测电路的有效方法之一，系统软件采用基于单片机的C语言编程，其编程环境在Code Warrior IDE中进行。具体软件时序流程见图2。
实时中断中，对当前时间进行有效判断：
（1） CPU端输出低电平，此时三极管Q截止，5 V的VCC通过R1，R2向高压电容C充电；
（2） 采集V1，V2两点电压分别记为V11，V12；
（3） CPU端输出高电平，此时三极管Q导通，高压电容C通过R1，R2向地放电；
（4） 采集采集V1，V2两点电压，分别记为V21，V22；
（5） CPU端输出低电平，此时三极管Q截止，5 V 的VCC通过R1，R2向高压电容C充电；
（6） 维持充电状态，直到进入下个测试周期。
4 试验测试与分析
4.1 电池包模拟实验
4.1.1 实验仪器与对象
实验仪器包括，集成绝缘检测电路的BMS电路板、色环电阻、四通道采样示波器、288 V/6 A·h的镍氢动力电池包。
4.1.2 实验步骤
实验中采用镍氢动力电池包进行测试，连接好测试平台，图3为单板测试平台，图4为色环电阻。
4.2 试验结果与讨论
在电池包电压采样电路中接入了2 MΩ的电阻，因此，在测量的数据中实际绝缘电阻Rx应该是其与2 MΩ并联的值，在电源负极连接上述阻值的电阻分别进行测试，在软件时序控制中示波器抓取V1，V2两端电压，其中图5为电池包负极接绝缘阻值30 kΩ时捕捉的基准电阻R1两端V1，V2的波形；图6为电池包负极接绝缘阻值300 kΩ时捕捉的基准电阻R1两端V1，V2的波形， 记录采集后回放的数据，见表1。
同理，其中图7为电池包正极接绝缘阻值200 kΩ时抓取的基准电阻R1两端V1，V2的波形；图8为正极接绝缘阻值500 kΩ时抓取的基准电阻R1两端V1，V2的波形， 记录采集后回放的数据，见表2。
由表2中数据可知，正负极绝缘检测等效，负极绝缘检测精度较正极略高，但在允许的误差范围之内，采样精度随着测试阻值的增大而降低，且当绝缘阻值在1 MΩ以下时其采样精度大于95%。一般情况下，当电池包上强电后（电池包高压闭合），检测到绝缘阻值到达某一值时可触发绝缘故障报警，从而可以从源头发现电池包故障，保证车辆行驶安全与人身安全。
5 結 论
绝缘检测是电动汽车发展过程中的一项关键技术，分析设计的快速响应动态绝缘电阻检测电路，通过高压电容将高压与低压进行隔离，降低高压对绝缘检测精度的影响，结合软件时序控制，在动力电池包上分别进行了正负极短接色环电阻测试，通过对高压电容的充放电，可以快速准确地测量出绝缘电阻，发现故障并及时触发报警，解决了现有绝缘电阻检测响应速度及检测精度等问题，保证汽车行驶安全与人身安全。测试表明，该测量电路具有稳定性好、电路简单、测试方法简便、抗干扰能力强、精度高、反馈速度快等优点，在新能源汽车的发展中具有重要前景。
注：本文通讯作者为朱建新。
参考文献
[1] 郭宏榆，姜久春，温家鹏，等.新型电动汽车绝缘检测方法研究[J].电子测量与仪器学报，2011，25（3）：253?257.
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[3] 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（5）：409?414.
[4] 吴成加.电动汽车绝缘电阻在线监测方法的研究[J].客车技术与研究，2015（1）：26?28.
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[7] 刘广敏，乔昕，张晓鹏.电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法研究[J].汽车技术，2013（11）：51?54.
