CN108398645A - 一种电动汽车绝缘阻抗检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车绝缘阻抗检测方法，直接计算电动汽车动力电池正负极对车体的绝缘电阻值。原检测电路在动力电池组正负母线和车体之间连接了电阻,检测装置的接入降低了车体的绝缘性能,还会增加电池的自放电率；本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法采用高压隔离开关来控制动力电池正负总线端，在不进行绝缘检测时也不会引入检测电阻，对车体产生不良影响。本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法操作简单且能够准确有效的检测出绝缘电阻。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻抗检测方法，尤其涉及一种电动汽车绝缘阻抗检测方法。
背景技术
电动汽车是一个复杂的机电一体化产品，其中许多部件包括动力电池、电机、充电机、能量回收装置、辅助电池充电装置等都会涉及高压电器绝缘问题。电动汽车的工作条件比较恶劣，震动，酸碱气体的腐蚀、温度及湿度的变化，都可能造成动力电缆及其他绝缘材料迅速老化甚至绝缘破损，使设备绝缘强度大大降低，危机人身安全。直流系统的绝缘性能直接影响直流回路的可靠性,如果直流系统中发生两点接地则可能会引起严重的后果。目前主要的绝缘电阻测量的方法主要有：兆欧表测量法，交流信号注入法，辅助电平等方法。其中，兆欧表测量法需要产生一个高电压的激励，在蓄电池工作时会带来额外的安全隐患。而对于交流信号注入法，因为电动汽车中动力电池的负载复杂，工况复杂，导致电池两端的噪声、尖刺繁多，会极大的干扰注入信号的采集，最终使绝缘电阻的测量波动很大，且测量值误差很大。此外，采用辅助电平法测量绝缘电阻时，因为绝缘电阻值一般情况下都较大，所以电流值都非常小，导致难以测量。另外一个更严重的问题是辅助电平的内阻都为毫欧级，使得系统中直流高压蓄电池的负极相当于和车身地进行了直接连接，极大了增大了正极的危险性。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的电动汽车绝缘阻抗检测方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种操作简单且准确有效的电动汽车绝缘阻抗检测方法。
本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，包括以下步骤：
S1：将电动汽车动力电池的正极依次通过开关KG0、电阻R1、电阻R2与车身地连接，将电动汽车动力电池的负极依次通过开关KG4、电阻R4、电阻R3与车身地连接；
S2：在电阻R1、电阻R2所在线路的两端并联电阻R5和开关KG2，所述电阻R5和开关KG2串联连接，在电阻R3、电阻R4所在线路的两端并联电阻R6和KG3，所述电阻R6和开关KG3串联连接；
S3：在电阻R1和电阻R2串联的线路上设置电压采样点Sample_P，在电阻R3和电阻R4串联的线路上设置电压采样点Sample_N；
S4：接通开关KG0、开关KG4，断开开关KG2、开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数为分别为an1和ap1；
S5：分别控制开关KG0、开关KG4、开关KG2和开关KG的3接通或断开，同时测量Sample_P和Sample_N两点电压值，列出Rp、Rn有关的多个方程，联立解出Rp、Rn，其中Rp为电池组正极到地的绝缘阻值，Rn为电池组负极到地的绝缘阻值。
进一步的，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，联立解出Rp、Rn的方法包括以下步骤：
S51：接通开关KG0、开关KG4、开关KG2，断开开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数分别为an2，和ap2；
S52：接通开关KG0、开关KG4，断开开关KG2，接通开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数分别为an3和ap3；
S53：由步骤S4、S5、S51、S52所得的数据，得到以下两个公式：
公式1：
Rx1＝α*(an2*ap1-an1*ap2)/β*an1*ap2-an2*ap1)；
Ry1＝α*(an2*ap1-an1*ap2)/(an1*ap2+θ*ap1*ap2-an2*ap1)；
公式2：
Rx2＝α*(an1*ap3-ap1*an3)/(θ*an1*an3-an1*ap3+ap1*ap3)；
Ry2＝α*(an1*ap3-ap1*an3)/βap1*an3-an1*ap3)；
α＝R1+R2；
β＝(R1+R2)/R5；
θ＝(R1+R2)/R5+1；
其中，α、β、θ为是由外部电压和电阻的具体数值计算得来的常系数，Rx1、Rx2表示电动汽车动力电池的正极相对车身地的两个电阻值，Ry1和Ry2表示电动汽车动力电池的负极相对车身地的两个电阻值。
进一步的，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，联立解出Rp、Rn的方法还包括以下步骤：
S54：如果Rx1>Ry1，取公式2的计算结果，即电动汽车动力电池的正极相对车身地的电阻为Rx2和电动汽车动力电池的负极相对车身地的电阻为Ry2，如果Rx1<Ry1，取公式1的计算结果，即电动汽车动力电池的正极相对车身地的电阻为Rx1和电动汽车动力电池的负极相对车身地的电阻为Ry1。
进一步的，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，其中，α、β、θ的数值分别为1553.5，3.589和2.589。
进一步的，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，在步骤S4、S5、S51、S52中，上位机通过GPIO输出高低电平来控制开关KG0、开关KG4，开关KG2、开关KG3的通断。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，采用高压隔离开关来控制动力电池正负总线端，在不进行绝缘检测时也不会引入检测电阻，对车体产生不良影响，其能准确有效的检测出绝缘电阻，满足系统设计要求。本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，其电路结构简单，能够分别定量检测动力电池正、负极对于车辆底盘的绝缘性能；检测电路采用单片机控制，易于编程，外围接口电路简单，工作可靠；测量结果能够满足电动汽车电气绝缘性能检测的要求。
综上所述，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法操作简单且能够准确有效的检测出绝缘电阻。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法的直流系统的等效模型；
图2是电动汽车绝缘阻抗检测方法的部分操作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明一较佳实施例的电动汽车绝缘阻抗检测方法，包括以下步骤：
S1：将电动汽车动力电池的正极依次通过开关KG0、电阻R1、电阻R2与车身地连接，将电动汽车动力电池的负极依次通过开关KG4、电阻R4、电阻R3与车身地连接；
S2：在电阻R1、电阻R2所在线路的两端并联电阻R5和开关KG2，电阻R5和开关KG2串联连接，在电阻R3、电阻R4所在线路的两端并联电阻R6和KG3，电阻R6和开关KG3串联连接；
S3：在电阻R1和电阻R2串联的线路上设置电压采样点Sample_P，在电阻R3和电阻R4串联的线路上设置电压采样点Sample_N；
S4：接通开关KG0、开关KG4，断开开关KG2、开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数为分别为an1和ap1；
S5：分别控制开关KG0、开关KG4、开关KG2和开关KG的3接通或断开，同时测量Sample_P和Sample_N两点电压值，列出Rp、Rn有关的多个方程，联立解出Rp、Rn，其中Rp为电池组正极到地的绝缘阻值，Rn为电池组负极到地的绝缘阻值。
作为优选，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，联立解出Rp、Rn的方法包括以下步骤：
S51：接通开关KG0、开关KG4、开关KG2，断开开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数分别为an2，和ap2；
S52：接通开关KG0、开关KG4，断开开关KG2，接通开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数分别为an3和ap3；
S53：由步骤S4、S5、S51、S52所得的数据，得到以下两个公式：
公式1：
Rx1＝α*(an2*ap1-an1*ap2)/β*an1*ap2-an2*ap1)；
Ry1＝α*(an2*ap1-an1*ap2)/(an1*ap2+θ*ap1*ap2-an2*ap1)；
公式2：
Rx2＝α*(an1*ap3-ap1*an3)/(θ*an1*an3-an1*ap3+ap1*ap3)；
Ry2＝α*(an1*ap3-ap1*an3)/βap1*an3-an1*ap3)；
其中，α、β、θ为是由外部电压和电阻的具体数值计算得来的常系数，Rx1、Rx2表示电动汽车动力电池的正极相对车身地的两个电阻值，Ry1和Ry2表示电动汽车动力电池的负极相对车身地的两个电阻值。
作为优选，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，联立解出Rp、Rn的方法还包括以下步骤：
S54：如果Rx1>Ry1，取公式2的计算结果，即电动汽车动力电池的正极相对车身地的电阻为Rx2和电动汽车动力电池的负极相对车身地的电阻为Ry2，如果Rx1<Ry1，取公式1的计算结果，即电动汽车动力电池的正极相对车身地的电阻为Rx1和电动汽车动力电池的负极相对车身地的电阻为Ry1。
作为优选，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，其中，α、β、θ的数值分别为1553.5，3.589和2.589。
作为优选，本发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法，在步骤S4、S5、S51、S52中，上位机通过GPIO输出高低电平来控制开关KG0、开关KG4，开关KG2、开关KG3的通断。
本实施例的电动汽车绝缘阻抗检测方法的测量原理：
绝缘检测通过测量电动汽车直流母线与车身地之间的电压，计算得到系统的绝缘电阻值。假设电动汽车的直流系统电压(即电池总电压)为U，待测的正、负母线与车身地之间的绝缘电阻分别为RP、RN，正，负母线与车身地之间的电压分别为UP、UN，则待测直流系统的等效模型如附图1，图1中Rp为电池组正极到地的绝缘阻值，Rn为电池组负极到地的绝缘阻值，Sample_P、Sample_N为电压采样点。
为测量Rp、Rn，分别控制KG0、KG4、KG2和KG3接通或断开，同时测量Sample_P和Sample_N两点电压值，可列出和Rp、Rn有关的多个方程，联立解出Rp、Rn。
程序中通过GPIO输出高低电平来控制这四个开关，对Sample_P点采样，ADC读数为an1～an3，对Sample_N点采样，ADC读数为ap1～ap3，通断模式如下:
Mode1:KG0接通,KG4接通,KG2断开,KG3断开,采样点ADC读数为an1,ap1；
Mode2:KG0接通,KG4接通,KG2接通,KG3断开,采样点ADC读数为an2,ap2；
Mode3:KG0接通,KG4接通,KG2断开,KG3接通,采样点ADC读数为an3,ap3；
Mode off:KG0断开,KG4断开,KG2断开,KG3断开。
其中，测量绝缘电阻过程中，总电压测量所使用的KG5需要断开。
三个模式具体的操作流程如附图2所示，在程序中完成转换之后，还需切换到Modeoff。
由Mode1和Mode2、Mode1和Mode3所得数据组合，得到两个方程组，分别计算化简得到下面的公式:
公式1:
Rx1＝1553.5*(an2*ap1-an1*ap2)/(3.589*an1*ap2-an2*ap1)；
Ry1＝1553.5*(an2*ap1-an1*ap2)/(an1*ap2+2.589ap1*ap2-an2*ap1)；
公式2:
Rx2＝1553.5(an1*ap3-ap1*an3)/(2.589*an1*an3-an1*ap3+ap1*ap3)；
Ry2＝1553.5(an1*ap3-ap1*an3)/(3.589ap1*an3-an1*ap3)；
其中，系数的确定是由外部电压和电阻分压推算来的。Rx1、Rx2表示Rp,Ry1和Ry2表示Rn，单位是KΩ，在程序中也是相同对应关系。
两组结果取舍规则：
Rx1>Ry1时(此时Rx2也应该大于Ry2)，取公式2的计算结果(即Rx2和Ry2)，反之取公式1的计算结果(即Rx1和Ry1)。
测量结果和误差：
实际测量数据(不同板之间测量结果会略有差异):
随机抽取一块PCBA板，电池电压为180V时测量结果如下表。
Rx上并联电阻之后的测量结果：
| 理论值(KΩ) | 计算值(KΩ) | 误差(％) |
| 50 | 49.6 | 0.8 |
| 100 | 99.7 | 0.3 |
| 200 | 199 | 0.5 |
| 300 | 298 | 0.7 |
| 400 | 399 | 0.25 |
| 500 | 499 | 0.2 |
| 1000 | 1003 | 0.3 |
| 2000 | 2012 | 0.6 |
Ry上并联电阻之后的结果：
| 理论值(KΩ) | 计算值(KΩ) | 误差(％) |
| 50 | 50 | 0 |
| 100 | 100 | 0 |
| 200 | 200 | 0 |
| 300 | 300 | 0 |
| 400 | 400 | 0 |
| 500 | 501 | 0.2 |
| 1000 | 997 | 0.3 |
| 2000 | 2016 | 0.8 |
绝缘检测结果分析：
电动汽车绝缘阻抗检测方法直接计算母线对车体的绝缘电阻值。检测电路在动力电池组正负母线和车体之间连接了电阻,检测装置的接入降低了车体的绝缘性能,还会增加电池的自放电率；在电动汽车绝缘阻抗检测方法中，我们采用高压隔离开关来控制电池正负总线端，在不进行绝缘检测时也不会引入检测电阻，对车体产生不良影响。
测试结果分析：
在上述计算公式可知，绝缘电阻RP、RN的具体数值由两个测量电压值和标准电阻计算得到，最终结果的精度与电压测量和标准电阻的精度直接关系。另外开关动作前后，电池电压随汽车加、减速的变化对结果的影响也应考虑其中。
为了测量正负母线对车体的绝缘电阻,必须在正负母线和车体之间人为加入电阻回路进行测量,但这一做法无疑会降低电池组和车体之间的绝缘等级。为了保证测量电路的接入不影响电池组的绝缘性能,电压注入式绝缘检测电路与电池组正负母线之间加入了电子开关,只有在检测瞬间,开关KG0、KG4闭合,测量结束后继电器长期处于断开状态,保证测量回路与正负母线隔离。
设计测试结果表明，上述电气绝缘检测系统分别实现了电源正极对底盘绝缘电阻和电源负极对底盘绝缘电阻的检测，检测范围广，检测精度达到±5％以内，能够满足电动汽车电气绝缘性能检测要求。
寄生电容的影响：
寄生电容电流对控制和信号回路的影响觉有很强的隐蔽性及偶然性，往往没有引起充分的重视。一旦出现又不易诊断。所以在控制及信号回路的设计和应用过程中，应考虑这种影响的可能性，尤其是对潮湿环境中和长线路及多回路并接的控制及信号回路更加不可轻视；另外从电池的分布方式上，可需要考虑电池与电池包外壳的寄生电容。这些问题的解决时从根本上消除寄生电容对整个系统的影响。
绝缘阻抗故障的诊断：
根据现场故障表现来看，故障的种类和故障部件表现多样，可根据以下步骤进行初步排查。
(1)如车辆的仪表能正常显示，并正确反映是否有故障，那么说明BMS绝缘监测系统本身应该是正常工作的。
(2)如车辆的仪表显示绝缘无连接(也有对应的故障代码)，此时应该检查低压控制线路是否正确或可靠连接。
(3)排除了低压连接线路问题，则需要排除CAN总线的通信故障，检查终端电阻阻值是否正常，若正常应该是60Ω，如果测出是40Ω，则可能信号被削弱，会导致CAN通信不正常。
(4)当车辆的组合仪表明确显示有故障，此时表明车辆的绝缘故障发生在高压回路上，高电压部件出现了绝缘电阻过低的情况，需要对高电压部件进行相关检查。由于该绝缘检测系统无法对绝缘故障点进行定位，这时需要进行逐步的人工排查。
在BMS项目中，采用发明的电动汽车绝缘阻抗检测方法能准确有效的检测出绝缘电阻，满足系统设计要求。该检测方式电路结构简单，能够分别定量检测电源正、负极对于车辆底盘的绝缘性能；检测电路采用单片机控制，易于编程，外围接口电路简单，工作可靠；测量结果能够满足电动汽车电气绝缘性能检测的要求。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种电动汽车绝缘阻抗检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将电动汽车动力电池的正极依次通过开关KG0、电阻R1、电阻R2与车身地连接，将电动汽车动力电池的负极依次通过开关KG4、电阻R4、电阻R3与车身地连接；
S2：在电阻R1、电阻R2所在线路的两端并联电阻R5和开关KG2，所述电阻R5和开关KG2串联连接，在电阻R3、电阻R4所在线路的两端并联电阻R6和KG3，所述电阻R6和开关KG3串联连接；
S3：在电阻R1和电阻R2串联的线路上设置电压采样点Sample_P，在电阻R3和电阻R4串联的线路上设置电压采样点Sample_N；
S4：接通开关KG0、开关KG4，断开开关KG2、开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数为分别为an1和ap1；
S5：分别控制开关KG0、开关KG4、开关KG2和开关KG的3接通或断开，同时测量Sample_P和Sample_N两点电压值，列出Rp、Rn有关的多个方程，联立解出Rp、Rn，其中Rp为电池组正极到地的绝缘阻值，Rn为电池组负极到地的绝缘阻值。
2.根据权利要求1所述的电动汽车绝缘阻抗检测方法，其特征在于：联立解出Rp、Rn的方法包括以下步骤：
S51：接通开关KG0、开关KG4、开关KG2，断开开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数分别为an2，和ap2；
S52：接通开关KG0、开关KG4，断开开关KG2，接通开关KG3，对电压采样点Sample_N和电压采样点Sample_P进行采样，其读数分别为an3和ap3；
S53：由步骤S4、S5、S51、S52所得的数据，得到以下两个公式：
公式1：
Rx1＝α*(an2*ap1-an1*ap2)/β*an1*ap2-an2*ap1)；
Ry1＝α*(an2*ap1-an1*ap2)/(an1*ap2+θ*ap1*ap2-an2*ap1)；
公式2：
Rx2＝α*(an1*ap3-ap1*an3)/(θ*an1*an3-an1*ap3+ap1*ap3)；
Ry2＝α*(an1*ap3-ap1*an3)/βap1*an3-an1*ap3)；
α＝R1+R2；
β＝(R1+R2)/R5；
θ＝(R1+R2)/R5+1；
其中，α、β、θ为是由外部电压和电阻的具体数值计算得来的常系数，Rx1、Rx2表示电动汽车动力电池的正极相对车身地的两个电阻值，Ry1和Ry2表示电动汽车动力电池的负极相对车身地的两个电阻值。
3.根据权利要求2所述的电动汽车绝缘阻抗检测方法，其特征在于：联立解出Rp、Rn的方法还包括以下步骤：
S54：如果Rx1>Ry1，取公式2的计算结果，即电动汽车动力电池的正极相对车身地的电阻为Rx2和电动汽车动力电池的负极相对车身地的电阻为Ry2，如果Rx1<Ry1，取公式1的计算结果，即电动汽车动力电池的正极相对车身地的电阻为Rx1和电动汽车动力电池的负极相对车身地的电阻为Ry1。
4.根据权利要求2所述的电动汽车绝缘阻抗检测方法，其特征在于：其中，α、β、θ的数值分别为1553.5，3.589和2.589。
5.根据权利要求1所述的电动汽车绝缘阻抗检测方法，其特征在于：在步骤S4、S5、S51、S52中，上位机通过GPIO输出高低电平来控制开关KG0、开关KG4，开关KG2、开关KG3的通断。
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