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電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻如何在線檢測(cè)?
發(fā)布時(shí)間:2018-01-04 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車(chē)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。與電力系統(tǒng)直流絕緣監(jiān)測(cè)不同的是,電動(dòng)汽車(chē)直流系統(tǒng)電壓等級(jí)涵蓋90~500V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(chē)上應(yīng)用。
二、絕緣電阻測(cè)量
原理電動(dòng)汽車(chē)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(chē)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定:絕緣電阻值除以電動(dòng)汽車(chē)直流系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓U,結(jié)果應(yīng)大于100Ω/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(chē)直流母線與電底盤(pán)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(chē)的直流系統(tǒng)電壓(即電池總電壓)為U,待測(cè)的正、負(fù)母線與電底盤(pán)之間的絕緣電阻分別為RP、RN,正、負(fù)母線與電底盤(pán)之間的電壓分別為UP、UN,則待測(cè)直流系統(tǒng)的等效模型如圖1中的虛線框內(nèi)所示。
圖1為電動(dòng)汽車(chē)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(pán)之間的電壓分別為UP0、UN0,由電路定律[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(pán)之間加入標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻RC1,測(cè)量正、負(fù)母線與電底盤(pán)之間的電壓分別為UPP、UNP,同樣可以得到
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(chē)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、UNP的測(cè)量相對(duì)誤差分別為γp0、γN0、γpp、γNP,標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1的相對(duì)誤差為γRC,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γRP、γRN分別為:
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)RC1nRP0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γp0=γN0=γpp=γNP=γV,如果要求計(jì)算結(jié)果的總誤差γ≤5%,則電壓測(cè)量的誤差必須滿足γV≤1125%。
然而,電動(dòng)汽車(chē)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(chē)的絕緣狀況),阻值可以在靜態(tài)測(cè)量時(shí)的100~500Ω/V之間選擇,因此實(shí)際誤差要更大。例如,對(duì)于標(biāo)稱(chēng)300V的電動(dòng)汽車(chē)直流系統(tǒng),選擇RC1=30kΩ,若要求絕緣電阻在最小值30kΩ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(chē)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′NP。
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,要得到正確的結(jié)果,必須保證U′NP/U′PP=UNP/UPP成立。對(duì)于實(shí)際絕緣電阻不變的情況下,參照?qǐng)D1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、UN0采樣的同時(shí)性和對(duì)UPP、UNP采樣的同時(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(pán)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。
(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。
(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(chē)的標(biāo)稱(chēng)電壓在90~500V之間,運(yùn)行過(guò)程中電池電壓存在一定的波動(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——CPU
CPU選用Motorola推出的HCS12系列16位MCU29S12DJ64[4],內(nèi)部除中央處理單元CPU12外,不僅集成了FLASH、EEPROM及RAM存貯器,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?xún)r(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。FLASH存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(xiě)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(chē)試驗(yàn)示范區(qū)和浙江萬(wàn)向集團(tuán)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)中心的電動(dòng)中巴車(chē)和電動(dòng)轎車(chē)上進(jìn)行了裝車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)。
在汕頭的一輛中巴車(chē)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)。中巴車(chē)額定電壓110V,因此報(bào)警值設(shè)定為11kΩ。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(chē)體的絕緣電阻分別僅為112kΩ和2kΩ,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(chē)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(chē)使用的安全性。
(一)試驗(yàn)過(guò)程
試驗(yàn)中利用CAN接口將測(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(chē)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(chē)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(chē)的絕緣電阻值,以測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)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(chē)的RP0、RN0,結(jié)果2個(gè)阻值都顯示為6.5MΩ。由于系統(tǒng)的測(cè)量阻值上限為6.5MΩ,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(chē)的初始絕緣狀況良好。
保持RNI=2000kΩ不變,令RPI=1000kΩ,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。
保持RPI=2000kΩ不變,令RNI=1000kΩ,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。
表中參數(shù)意義如下:RPI為正母線與車(chē)體之間并入的試驗(yàn)電阻;RNI為負(fù)母線與車(chē)體之間并入的試驗(yàn)電阻;RPM為正母線絕緣電阻的測(cè)量值;RNM為負(fù)母線絕緣電阻的測(cè)量值;γP為正母線電阻測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值的誤差;γN為負(fù)母線電阻測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值的誤差;RPC為正母線絕緣電阻的理論計(jì)算結(jié)果;RNC為負(fù)母線絕緣電阻的理論計(jì)算結(jié)果;γPMC為正母線電阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差;γNMC為負(fù)母線電阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差。
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γPMC、γNMC在±015%以?xún)?nèi)。誤差主要是由計(jì)算過(guò)程的近似以及對(duì)測(cè)量參數(shù)的舍入處理造成的,兩者結(jié)果基本一致。
(2)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差γP、γN,在整個(gè)測(cè)量范圍都可以保證在±5%以?xún)?nèi),具有較高精度。
因此,在電動(dòng)車(chē)的加速、減速、平穩(wěn)運(yùn)行以及停車(chē)等不同工況下,對(duì)于不同的實(shí)際絕緣電阻狀況,系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠工作,并且能夠保證±5%的測(cè)量精度,滿足設(shè)計(jì)要求。
六、結(jié)論
絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)方法可以完成實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)的絕緣電阻,現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)到目前為止一直正常運(yùn)行,無(wú)論是系統(tǒng)的檢測(cè)精度還是抗干擾能力都取得了較為滿意的結(jié)果。
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