（机械电子工程专业论文）电动汽车绝缘性能检测装置的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 随着能源危机的日趋严峻和环保呼声的日益高涨，世界各国开始重视具有节 能环保特点的电动汽车的研发，我国也根据实际情况制定了电动汽车发展战略， 并将其列入了国家8 6 3 计划，相关关键技术的研究也已全面展开，电动汽车电气 绝缘安全性能的研究便是这其中的一项。本文以北京1 2 1 路示范运营电动公交车 为对象，采用单片机控制技术，开发了一种能在线监测电动汽车高压系统对车体 绝缘性能的“电动汽车绝缘性能检测装置”。该装置安装在电动汽车上，可在线监 测高压电气系统正负母线对车体的绝缘状况，一旦出现绝缘故障及时声光报警， 确保整车和人身的电气安全。 本论文首先对电动汽车高压电气系统进行了分析，建立了电路模型，提出了 一种通过测量电动汽车直流系统正负母线对车体的电压来实现绝缘电阻检测的新 方法，并在此基础上完成了系统总体方案的设计。系统选用f f c e s c a l e 公司1 6 位 单片机m c 9 s 1 2 d j 6 4 作为主控制器，相继完成了系统硬件电路设计、电子元器件 选型和p c b 绘制，并在c o d e w a r r i e r 开发环境下用c 语言编写了软件程序。 本论文研制的“电动汽车绝缘性能检测装置”完成了实验室的调试实验，并 在北京1 2 l 路示范运营电动公交车上进行了安装实验，各项实验数据均达到了课 题合同的要求，运行状况平稳可靠。 论文最后提出了该装置需要改进的一些地方，并给出了进一步研究的思路。 关键词：电动汽车直流系统绝缘电阻在线检测装置 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r c t a b s t r a c t w i t ht l l ei n 蝴i n 西yw o r a l e r g yc f i s i s 她dh i g h 盯d 锄a n df b re n v i r o n m e i l t p r o t c c 6 0 l l ，d 晡cv 枷c l 髂f c a t l l r i n gi i la l e r 雩黟s a v i n g 锄d 锄v i r o 姗e n tp r o 删d 1 - a 、 m u c ha 埔t i o na l lo v 盯m ew o d d o u rc o u n 仃ya l s om a d ed e c t r i c v e h i c l ed 吼，e l o p i i l 饥t s 仃a t e 盯a c c o r d i n gt oi t sa c n l a ls i t u a t i ，锄dw 嬲i n d u d e di nn 鲥0 1 1 a l8 6 3p r o 舯m ；r &do fr e l e 、，a n tk e yt c c t l i l o l o g yh 鹪b 黜c a r r i c do u tc o m p r c h 删v e l y ，船镯r c ho n e l o 硎c a la n di n s l l l a t i o n 鼢五匆i s 彻eo f t l l i s h lt l l i st 1 1 铭i s ，as e to f d e c 啊cv c l l i d e i m u l 撕o nd c t e c t i i l go q u i p t n a l tw a sd e 、r d o p o df o ro n l i n em o 】f l i t o r i n g l l i g h - v o l t a g e i i l s i l l a t i o np e r f b n n a n c eo fd e 删cv e t l i d 伪t h ce q u i p l n e n tc 锄m o i l i t o ri n s u l 鲥 训i t i o no fw h o l el l i g h v o l t a g es ) r s t e i i l ，甜l d 百v ea na l 枷i i 岱u l a t i o n 筋l u r 鹤锄d o m 盯d a i l g e r o t 培s i t i l a 廿o n ，l h u s 吼嘎玎es a f e t yo f v c h i c l ea n dp c o p l e a n a l y s i so nh i 曲一v o l t a g ce l e c 缸c a ls y s t e mo fd 洲cv e h i d c sw 髂c o n d u c t e d f i r s n yi nt h i st l l e s i s ，锄de s t a b l i s h c dac i r i tm o d e l ，m p r o p o s e dan e wm e t h o dt o 硎i z ei n s u l a t i o nr 鹤i s t a n d e t e c t i o nv i ai n s u l a t i o nv o l t a g ed e t e c t i n 吕a n df i n i s h e d g e n e f a ls c h e m ed e s i 盟b 勰c d t 1 1 i s f r e e s c a l e1 6b i tm i 咖c h i pm c 9 s 1 2 d j 6 4w 勰 a d o p t e d 嬲m a i nc o n 昀1 1 t l l 曲f i i l i s h c dh a r d w a 化d e s i 弘，d e v i c c 锄dc o m p o n 朗t c h 0 0 虹n g 舭dd r a w i i l go fp c b ，f t w a p m 毋硼n m i r 喀w 嬲c o n d u c t e di ncl a n g u a g c 埘1 d 盯o d d e w a r r i c rd e v e l o p m e n t 髓i v i 如咀m e n ts l i b s o q u e n y c d i m i l i s s i o n i i l go fe l e 嘶cv e h i c l ei i l s u l a 蛭o nd e t e c t i n go q u i p m e n tw 蠲f i l l i s h c di n l a b o m t o 觚di n s 诅l l e d 伽b 蜘i l l gd c c 仃i cb n o 1 2 l ，r e l e v te x p e r j _ 1 i l e n td a t aa l l m 鳅w i t l lf e q u i r e m e l l ts t i p i d a t e di nc o n t r a i c t i m p r o v 黜e i i t sn e c d c dt ob ed o i 聆w 勰a l p r o p o s e di nt l l i sm e s i s m e a n w l l i l c ， d e w d o p m 饥tt l l o u g h tw 勰a l 百v 锄 k e y w o r d s ：e l e c 哦cv e l l i d e ，d cs y s t 锄，h 塔u l a t i 伽r e s i s t 姐c e ，o i l l i n em o n i t o r i r 峙 e q u i p i n e | l t 致谢 本论文的工作是在我的导师金宗哲教授和姜久春教授的悉心指导下完成的， 两位教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心 感谢两年半来金宗哲教授和姜久春教授对我的关心和指导。 在两年半的研究生学习和生活期间，还得到了张维戈老师、李景新老师和黄 勤河老师的热情关心、帮助和指导，特别是李景新老师，在做毕业论文的整个过 程中都给予了我耐心地指导，在此表示衷心的感谢。 此外，在学习和实验中牛利勇博士、黄丽蓉博士、文锋博士、樊彦强硕士和 张锐硕士等同学也给予我许多无私的帮助；在现场实验中，北京西黄庄电动车站 的工作人员给我提供了很好的实验条件，在此一并表示感谢。 同时也感谢我亲爱的父母和家人对我生活上无微不至的关怀和学业上无怨无 悔的支持，没有他们所付出的心血，就没有我今天的成绩。 最后，衷心感谢所有关心我的老师、同学和朋友。 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 课题背景及意义 l 绪论 汽车工业蓬勃发展的百年历史记载了人类文明飞跃发展的光辉历程，然而， 汽车保有量的不断增长在促进世界经济飞速发展和给人们提供便利的同时又将环 境和能源问题推到了日益严峻的处境，“能源、环境和安全成为2 l 世纪世界汽车 工业发展的3 大主题”网。 环境问题的表现形式为空气污染。据环境部门统计，目前，大气污染的4 2 来源于交通运输，随着人们生活水平的提高，汽车保有量会迅速增加，这一比例 也会相应提高，预计2 0 1 0 年汽车尾气排放将占空气污染源的6 4 。这严重影响到 人类赖以生存的地面生态系统。另外，目前的汽车消耗的能源几乎完全依赖于石 油的制成品。能源问题逐渐成为大家的共识。有限的石油资源逐步成为汽车工业 可持续发展的瓶颈垆j 。 在人类生活质量日臻提高的今天，拯救人类赖以生存的自然环境的迫切要求 对汽车工业的发展提出了极为严峻的挑战。由于环境问题日益严重，各国政府不 得不加大对清洁能源的研究开发，因此具有节能环保特点的电动汽车的研发也就 提上了日程。 在我国，电动汽车更有独特的市场，发展清洁汽车，尽快遏制我国众多大、 中城市大气污染日趋恶化的势头已刻不容缓。2 0 0 8 年北京夏季奥运会以及2 0 1 0 年 上海世博会的成功申办，给我国城市大气环境质量提出了更高的要求现代电动 汽车是以自载电池为能源，依靠大功率电动机提供动力的新型交通工具，具有清 洁无污染、动力源多样化、能量转换效率高、工作可靠、高性能、结构简单、使 用和维修方便等优点，被称为“2 l 世纪的绿色环保汽车”。电动车作为解决环境 污染的重要可行途径，必将得到快速发展。我国也根据实际情况制定了电动汽车 发展战略，并将其列入了国家8 6 3 计划，目前相关的关键技术取得了一定的成果， 作为交通工具的电动汽车的电气绝缘安全性能也是其中之一。常规的汽车采用燃 油或者天然气作为动力源，很少存在高压绝缘问题，而电动汽车是一个复杂的机 电一体化产品，电气系统是电动汽车的重要组成部分。根据不同用途，电气系统 通常分为低电压系统和高电压系统。前者为车辆的中央控制器、电子设备、灯光 和雨刷等提供电能，一般采用直流1 2 v 或2 4 v 电源，车用低电压系统的设计与施 工采用相关的规范和标准，技术成熟，可靠性高。后者为车辆的驱动电机等大功 北京交通大学硕士学位论文绪论 率部件提供电能，高电压系统主要由动力电池、电源变换器、电动机控制器和电 动机等电气设备组成。动力电池的工作电压一般在直流3 0 0 v 以上，采用较高的电 压规范，减少了电气设备的工作电流、降低了电气设备和整车的重量。但是，较 高的工作电压对高压电气系统与车辆底盘之间的绝缘性能提出了更高的要求。高 压电缆线绝缘介质老化或受潮湿环境影响等因素都会导致高电压系统与车辆底盘 之间的绝缘性能下降，电源正负极引线将通过绝缘层和车辆底盘构成漏电流回路， 使车辆底盘电位上升，不仅会危及乘客的人身安全，而且将影响低压电气和电机 控制器的正常工作当高电压电路与车辆底盘之间发生多点绝缘性能严重下降时， 还会导致漏电流回路的热累积效应，可能造成车辆的电气火灾。 作为北京科委体现“科技奥运”项目之一的“北京西黄庄电动车站”已安全 运营了两年，北京交通大学承担了该项目充电站建设、电动公交车安全检测系统 和运营期间的系统维护工作。通过运营，肯定了做出的成绩，也发现了存在的问 题。电动车绝缘检测装置就是在这种大背景下产生的，这套检测装置可作为电动 汽车的重要零部件，实时在线监测整个高压直流系统的绝缘状况，能够对绝缘故 障及危险状况及时报警，保证整车和人身的安全 1 2 国内外发展现状 1 2 1 电动汽车在国内外的发展历史及现状 电动汽车是指用电力驱动的汽车p l 。驱动电动汽车的电力常见的有各种蓄电池 ( 又称二次电池) 、燃料电池、太阳能电池等最常见的分类方法是把电动汽车分 为蓄电池汽车( b a t t e r yp o w 蹦缸e l c c 砸cv c 蚰d e ) 、燃料电池汽车f c e v ( f u dc c l l e l c c 缸c 艏d e ) 、混合动力汽车( h y b mv e h i c l e ) 三类。电动汽车具有良好的环境 保护效果、噪声低、热效率高、排放的废热少、可回收利用能量多和改善汽车能 源结构等优点，但它也具有续行里程短、承载量少、制造成本高和必须重新建设 基础设施等不足之处【4 】。 电动汽车的历史可以追溯到1 9 世纪。第一辆电动汽车于1 8 8 1 年由法国工程 师g l l s t a v e1 r o u v e 发明，该车为铅酸蓄电池动力的三轮车。1 8 9 0 年在美国依柯华 州诞生了第一辆蓄电池汽车，时速达到2 3 h l l l ，并且在美国得到了快速发展。到 2 0 世纪初，美国以蓄电池为动力的电动汽车占汽车保有量的3 8 ，其比例仅次于 占汽车保有量4 0 的蒸汽机车。到了1 9 1 5 年，美国电动汽车年产量达5 0 0 0 辆后 来由于启动电机的发明促进了汽油机汽车的发展和美国周济公路的发展，使电动 汽车不能适应长距离行驶的缺点更为突出，电动汽车开始走向衰落。在1 9 3 5 1 9 6 0 2 北京交通大学硕十学位论文 绪论 年的2 5 年里，电动汽车几乎处于停产状态，并逐步退出应用。2 0 世纪6 0 年代， 随着汽车保有量的增加，汽车尾气污染的严重，在美国、日本等国又重新开始电 动汽车的开发。1 9 9 0 年加州政府通过的法规规定了“零排放车辆”( z e v ) 的销 售比例，随后其它州仿效立法，这些措施推动了美国电动汽车的迅速发展。1 9 9 1 年美国三大汽车公司签定协议，合作研究电动汽用先进电池，成立先进电池联合 体( u s a b c ) ；l o 月布什总统批准2 2 6 亿美元拨款资助此项研究，同时日本政府 也加大了对电动汽车研发的投入，丰田汽车公司也投入了相当的财力用入电动汽 车的研发。从此掀起了一个以高科技为基础，并得到各国政府的大力支持的、世 界性的电动汽车剡z j 我国电动车的发展与国外基本处于同一起跑线上，技术水平与产业化差距较 小。国家从“八五”开始就启动了电动汽车的研发，特别是“十五”期间，国家 从维护中国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力及实现中国工业的跨 越式发展的战略高度考虑，设立了“电动汽车重大科技专项”，确立了“三纵三 横”的研发布局，“三纵”指的是燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车等3 种车型；“三横”指的是多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动 力蓄电池及其管理系统等3 种共性技术。通过组织企业、高等院校和科研院所等 方面的力量进行联合攻关，己初步构建了电动汽车技术创新体系。“十一五”期 间，我国还将加大力度继续攻克电动汽车关键技术，不断推进电动汽车产业化【4 】。 1 2 2 电气绝缘性能检测在国内外的研究现状【8 】【9 】【1 3 】 在电气设备和相关系统中，电气绝缘性能是一个很重要的指标，绝缘性能的 好坏不仅关系到电气设备和系统能否正常工作，更重要的是还关系到人的生命财 产安全，所以国内外很多工业领域中都有电气绝缘检测的研究和应用，相应的绝 缘检测方法和仪器仪表也层出不穷。如在电力系统中，为了保证电力系统的安全 性和可靠性，在发电厂、变电站，通常采用蓄电池储能的直流电源作为保护装置、 继电器跳闸、合闸等的工作电源。直流电源采用对地绝缘运行方式，当发生一点 接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则，当发生另一点接地时，有 可能使继电保护误动、拒动。以至损坏设备，造成大面积停电、系统瓦解的严重 后果，电力系统常用的检测方法是高频信号注入法和直流漏电直测法。还比如在 电力机车上，主电路主要由高电压( 网侧2 5 k v ) 、大功率电器部件及附属测量、 保护部件组成，用来完成电能与机械能之间的相互转换，产生牵引力和制动力。 因此一旦发生绝缘故障，后果将不堪设想。为此机车上装有检测绝缘故障的接地 继电器，在确认一点接地故障达到一定电压值后，继电器便会动作切除高压电路， 北京交通大学硕士学位论文绪论 同时司机台接地报警灯报警。随着机车微机控制技术的发展，一些新型的微机控 制接地检测装置也开始运用于机车上，像电力机车智能无源接地检测装置。 现将常用的电气绝缘检测方法归纳如下： ( 1 ) 漏电直测法 在直流系统中，这是一种最简单也是最实用的一种检测漏电的方法。我们可 以将万用表打到电流档，串在直流正极与设备壳( 或者地) 之间，这样就可以检 测到直流负极对壳体之间的漏电流，同样也可以串在负极与壳体之间检测直流正 极对壳体之间的漏电流。 ( 2 ) 电流传感法 采用霍尔式电流传感器是对高压直流系统检测的一种常见方法，将电源系统 中待侧的正极和负极一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从电源正极 流出的电流等于返回到电源负极的电流，因此，穿过电流传感器的电流为零，电 流传感器输出电压为零，当发生漏电现象时，电流传感器的输出电压不为零。根 据该电压的正负可以进一步判断该漏电流是来自于电源正极还是负极。但是应用 这种检测方法的前提是待测电源必须处于工作状态，要有工作电流的流入和流出， 它无法在电源系统空载的情况下评价电源对地的绝缘性能。 ( 3 ) 平衡电桥法 利用电桥电路的原理，我们可以认为待测设备直流系统正负母线对地具有一 个固定的绝缘电阻，绝缘良好的情况下这两个绝缘电阻可以认为是相等的，正负 端子可作为两个桥臂，地可以作为一个桥臂，另外可以在正负母线之间串联两个 等值大电阻，两电阻之间是一个桥臂，这样就构成了一个平衡电桥电路，在地与 串联的两电阻之间串上电流表，在绝缘良好的情况下，流过两桥臂之间的电流为 零，一旦一端绝缘下降，电桥便失去平衡，电流表便有电流流过。这种方法的缺 点很明显，就是对构建的电路的精确度要求很高，同时在正负极绝缘性能同时降 低时不能准确及时报警。 ( 4 ) 辅助电源法 在我国一些电力机车的漏电检测中，利用1 1 0 v 蓄电池，将蓄电池正极与待测 高压直流电源的负极相连，蓄电池负极与机车机壳实现一点接地，在待测系统绝 缘性能良好的情况下，蓄电池没有电流回路，漏电流为零，在电缆绝缘破损或老 化潮湿的情况下，蓄电池通过绝缘层形成闭合回路，产生漏电流，根据漏电流的 大小报警，并关断待测电源。这种方法缺点很明显，就是直接将蓄电池的一点接 地，这在电气系统中是不提倡的。 ( 5 ) 高频信号注入法 高频信号注入法是向电气回路上注入交流高频信号，通过对高频信号的检测 4 北京交通大学硕士学位论文 来判断检测回路绝缘状况。这是一种比较有效的漏电检测方法，但缺点是要附加 高频电源和漏电检测回路，不仅会使直流系统纹波增大，影响供电质量，而且系 统的分布电容会直接影响测量结果，分辨率低。 电动汽车的电气系统是一个高电压、大电流的动力电路，在正常情况下，高 压系统是一个封闭的系统，对车体完全绝缘，但不排除由高压电缆老化等问题带 来的绝缘降低对车体漏电，为确保电动汽车的整车安全和乘客的人身安全，车上 必须配备漏电检测和保护装置，以便能提前作好预警。电动汽车高压系统的绝缘 检测内容包括两部分：一是地面的静态测试，是车停下来后有目的的去进行绝缘 检测，这种检测方法难度不大，目前国内已经比较成熟的产品；二是车载多点在 线绝缘检测，包括蓄电池组、电机驱动系统、电机以及辅助电池充电器等支路。 车载检测技术，可以在汽车的运行过程中实时进行，为整车动态运行提供安全保 障。如果能对各支路的实时检测，有利于确定故障范围，便于迅速排除故障，给 整车的绝缘维护工作提供有力的支持。 1 3 本文的主要工作 本论文严格按照课题合同的要求，以北京1 2 l 路示范运营电动公交车为对象， 以研制出适用于它的电动汽车绝缘性能检测装置为最终目标，主要完成以下几个 章节的内容： 第一章首先介绍了电动汽车的相关知识及国内外发展历史和现状，然后介绍 了电气绝缘领域的相关知识，并结合电动汽车电气绝缘检测的研发现状和存在的 问题，提出了通过组建电阻适配网络、检测母线电压的方法来在线监测电动汽车 高压系统的绝缘状况 第二章方案设计。根据课题合同要求，对北京1 2 l 路纯电动公交车高压电气 系统进行了认真深入的学习分析和调研，建立了高压电气回路的绝缘电阻模型。 在理论研究的基础上，仔细分析搜集到的技术资料，采用微机控制技术，选用 f r c e s c a l em c 9 s 1 2 d j 6 4 作为主控制器，确定了电动汽车绝缘性能检测装置的整体 结构设计和控制方案。 第三章系统的硬件电路设计。本章设计了以m c 9 s 1 2 d j 6 4 为主控制器的硬件 电路，包括电气原理图的设计、电子元器件的选型和印刷电路板的制作，同时对 硬件电路设计的可靠性进行了总结归纳。 第四章系统的软件实现。本章使用c 语言编写了各部分程序，包括母线电压 测量程序、漏电流检测程序、数据处理程序、时钟程序、数据存储程序、声光报 警程序、液晶显示程序、按键检测程序、与上位机通讯程序和c a n 通讯程序。 5 北京交通大学硕士学位论文 绪论 第五章实验调试与分析。本章完成了系统的实验室调试和现场调试工作，各 项指标都满足了课题合同的要求，已通过了甲方( 北京理工大学) 的项目验收。 第六章总结全文，提出展望。 6 北京交通大学硕士学位论文系统测试原理分析与方案设计 2 系统测试原理分析与方案设计 2 1 电动汽车电气系统分析f 3 l 纯电动汽车是有动力蓄电池作为系统的动力源，其电气系统是它的重要组成 部分，电气系统结构图如图2 1 所示。根据不同的用途，可以将它的电气系统分为 低电压系统和高电压系统。前者采用直流2 4 v 电源，主要为车辆的中央控制器、 电池管理系统、灯光和雨刷等提供电能，后者主要为车辆的驱动电机等大功率部 件提供电能，其标称电压为一般为直流3 8 4 v ，高电压系统由动力蓄电池( 锂离子 或铅酸) 作为动力源，主要满足车辆驱动电机、动力转向系统、制动系统和车载 空调系统的功率要求，这些电气设备都安装在车辆底盘上，每个电气设备都有独 立的电流回路，与底盘之间没有直接的电气连接，整个高压系统是与底盘绝缘、 封闭的电气系统。其中低压电气系统的2 4 v 由辅助蓄电池供电，但当高压接通时， 高压系统会随时通过d c d c 变换器向辅助蓄电池充电。 i 堡熙墨蚕篓j 高压电气系统 图2 1 电动汽车电气系统框图 2 2 绝缘电阻定义和测量原理 2 2 1 整车绝缘电阻及要求 我国制定的关于电动汽车的国家标准与国际标准是一致的，标准中规定电动 7 北京交通大学硕士学位论文 系统测试原理分析与方案设计 汽车的绝缘状况以绝缘电阻来衡量。动力蓄电池的绝缘电阻定义为：如果动力蓄 电池与地( 车底盘) 之间的某一点短路，最大( 最坏情况下的) 泄漏电流所对应 的电阻【“j 。 因为纯电动汽车要测量的绝缘电阻各支路都是由动力蓄电池供电，因此电动 汽车直流高压母线( 包括各支路) 的绝缘电阻也完全可以引用上述定义。实际上， 我们知道直流母线正、负两极分别有自己的对地电阻，我们完全可以将它们等效 两个电阻：r p 和r n ，其电路模型如图2 2 所示，其中v b 代表动力蓄电池电压，地 即为电动汽车底盘，v p 为正对地电压，v n 为地对负电压，那么整车绝缘电阻按照 动力蓄电池绝缘电阻的定义应该取两者之中的较小者，因为如果高压回路的一端 与底盘短接时，则产生的电流取决于另一端子的对地电阻，显然这个电阻越小， 则允许流过的电流就越大，产生的危害性就越大。参考电动汽车国家标准，如果 人或其他物体构成高压电路与地之间的外部电路，最坏的情况下泄漏电流不允许 超过2 m a ，这是人体没有任何感觉得阈值( 见m c6 0 4 7 9 1 ) 。同时，标准中规定 高电压电路绝缘电阻的最小值是1 0 0 q ( 参考电压为动力蓄电池的标称电压) 【l “。 故绝缘电阻1 0 0 q 可被认为是一个故障标志，漏电流2 m a 可被认为是一个危险 标志。虽然这两个标志都说明正常情况下电动汽车的绝缘电阻是很大的，但事实 上，高压母线两端子对地线的绝缘电阻阻值是有限的，而且一般认为它们是不等 的，只是理论上存在有两种极限情况： ( 1 ) 理想绝缘 如果直流高压回路完全绝缘，任何一点对地短接都不会产生电流，可以认为 绝缘电阻是“无限的”。 ( 2 ) 绝缘短路 如果直流高压回路一端与底盘短接，就会有电流流过外部电路，电流的大小 就仅取决于外部电阻，此时绝缘电阻为零。 + 图2 2 动力蓄电池( 直流高压系统) 与地( 车底盘) 之间的简化电阻模型 8 北京交通大学硕士学位论文系统测试原理分析与方案设计 2 2 2 整车绝缘电阻测量原理 图2 3 整车绝缘电阻检测原理框图 参考电动汽车国标中测量整车绝缘电阻的方法，将其综合起来构建一个完整 的整车绝缘电阻检测模型，检测原理框图如图2 3 所示。图中虚线框内代表车体电 气系统模型，其中v b 代表动力蓄电池电压，地即为电动汽车底盘，r p 和r n 代表 正负母线对地绝缘电阻；虚线框外是构建的绝缘电阻测量电路，其中r o 为配合测 量用的已知标准电阻( 下文统一称为偏置电阻) ，它有电阻串联组成，可以选择其 阻值的大小，也可以通过开关s l ( 或s 2 ) 并到正( 或负) 对地电路上，故又称r 0 、 s l 和s 2 构成的电路为偏置电阻适配网络。系统采用电阻分压的方式测量正负对地 电压，r l 和r 2 、r 3 和r 4 构成电压测量电路，v p 为正对地电压，v n 为地对负电压。 在测量时，首先断开s l 和s 2 ，测量一次正负母线对地电压、，p 和v n ，然后根据v p 和v n 的大小来确定& 是并在正对地还是负对地电路上，操作又开关s l 和s 2 ，操 作完成后再测量一组正负对地电压值v p n 和v n n ( 或v p p 和v 胛) ，这样根据电路 原理，可以由两个方程解出两个未知数的值r p 和r n 。现在通过具体的电路模型计 算如下： ( 1 ) 根据动力蓄电池电压( 即母线电压) v b 的大小选择合适的标准偏置电阻 l b ； ( 2 ) 按照前述图2 3 所示，测量正母线对地电压v p 、地对负母线的电压v n ； ( 3 ) 如果v 立v n ，则在负母线与地之间并入偏置电阻r 0 ，如图2 4 所示，测 量正负母线对地电压删和v 州，然后跳至( 5 ) ，否则跳到第( 4 ) 步。； ( 4 ) 如果v p 电压测量范围：o l o o o v ，电阻测量范围：o 6 4 8 3 2 2 k q ；漏电流测量 北京交通大学硕士学位论文系统测试原理分析与方案设计 范围：o 1 0 a ； 可靠的电磁兼容设计，适合不同的工业运用场合。 2 5 系统总体方案设计 根据企业委托合同的要求和整车绝缘电阻的测量原理，电动汽车绝缘性能检 测装置主要完成测量、预警、显示和通讯四大部分的功能： 图2 7 电动汽车绝缘性能检测装置总体设计原理框图 ( 1 ) 测量 测量是指电动汽车特定的环境下，综合考虑测控单元的数据采集、测量范围、 测量精度以及抗干扰等因素后给出的一套适合于电动汽车正负母线对地电压、绝 缘电阻和绝缘电流的测量系统； ( 2 ) 预警 预警是指根据测得的正负母线对地电压、电阻和电流，对照电动汽车安全规 范标准，通过声光等方式做出提前预测和报警，从而确保电气系统、动力蓄电池 和乘客的安全； ( 3 ) 显示 显示为系统配置人性化的人机交换界面也是衡量微机测控系统的一个重要指 标，本装置拟配备液晶显示，既能美观醒目显示系统各参数，同时还可以与按键 配合完成系统的许多设置功能。 ( 4 ) 通讯 通讯是指在电动汽车较大干扰的情况下，可靠、高效地实现检测装置与车上 1 4 北京交通大学硕士学位论文 系统测试原理分析与方案设计 其它设备的通讯，包括检测装置与p c 机监控系统之间的通讯( r s 一2 3 2 通讯) 和 检测装置与电动汽车之间的c a n 通讯。 采用单片机测控系统，将上述几大功能综合考虑进去，形成一个完整的绝缘 检测装置的原理框图如图2 7 。系统工作电源采用车上d c 2 4 v ，通过电源交换模块 转换为系统所须工作电压；整个系统由主控制器控制，高压母线电压通过一系列 的变换检测后，转化为数字信号传给主控制器；主控制器对检测信号进行数据运 算处理，判断绝缘性能正常与否；若有绝缘故障就声光报警，同时日历时钟及时 配合存储器件进行故障数据存储；液晶适时显示系统相关数据，同时配合按键进 行相关的校准、设置和取消等操作；主控制器适时将数据传给上位机和整车c a n 网络。 2 6 系统总体结构设计 该接地检测系统需要安装在电动汽车上，电动汽车电气系统时常处在高电压、 强磁场、多灰尘和常潮湿的环境中，因此必须有一个盒体把整个绝缘检测系统组 装起来，同时，有必须进行系统的整体结构设计，以将印刷电路板、接线端子和 液晶等部件安全有效地布置、安装和固定在盒体上。以下分为盒体选择和结构设 计两个部分进行阐述。 2 6 1 盒体选择 在盒体的选择上基于以下几点考虑： ( 1 ) 该绝缘检测装置是企业委托项目，只需开发出一套样品，同时考虑到项 目经费有限的问题，所以不可能去开模具，只能根据具体的情况选购合适的盒体； ( 2 ) 盒体的材质：由于电动汽车电气系统存在大电压强磁场，干扰很大，环 境比较恶劣，所以盒体最好是选择金属的具有屏蔽干扰的作用，同时防水防尘； ( 3 ) 盒体的大小：因为1 2 l 路电动公交车在设计时没有为绝缘检测装置预留 安装位置，同时考虑到最好安装在高压母线总正负母线比较靠近的地方，所以空 间比较小，同时又要兼顾到硬件电路的大小。 基于以上几点考虑，盒体选择国内有名的长河机箱，规格为：2 5 5 2 0 0 8 5 ( 长 宽高，单位：i n m ) ，材质为铝合金，带有防水圈的全封闭盒体，具有一定的 硬度、防尘、防水和屏蔽干扰的作用。 1 5 北京交通大学硕士学位论文 系统测试原理分析与方案设计 2 6 2 结构设计 电动汽车绝缘性能检测装置的总体结构简图如图2 8 所示，在结构的布置上进 行了以下几点考虑： ( 1 ) p c b 的固定：电路按照两块p c b 设计，一块为主板，一块为液晶显示 板，考虑到盒体为翻盖的上下两部分，所以主板固定在盒体下部，液晶显示板通 过螺柱反扣在盒体上部，两板之间通过排线实现电气连接。 ( 2 ) 出线的布置：装置的外接线分为两部分，一部分用于检测的高压线：正 母线、负母线和地线，一部分用于输入输出的信号线：2 4 v 系统供电电源、串口 线和c a n 通讯线，在设计时，高压检测线和信号线分别设计在盒体一侧的两端， 高压线通过台湾k s t 的四芯插头接入，信号线通过9 芯航空插头接入。这样既保 证了到电气绝缘安全，又使装置安装时高低压走线更加方便。 ( 3 ) 面板的设计：绝缘检测装置的显示面板在兼顾的外表美观的同时，主要 是体现友好实用的人机界面功能，包括液晶窗口、发光二极管报警显示窗口和九 个相关功能键。 图2 8 系统总体结构简图 1 6 北京交通大学硕士学位论文系统硬件电路设计及实现 3 系统硬件电路设计及实现 电动汽车绝缘性能检测装置的硬件部分主要包括以下几个部分：主控制器及 其外围电路、对检测信号的采样电路、数据存储记录电路、声光报警电路、液晶 显示电路和通讯电路等。另外在本章中还探讨了印刷电路板的优化设计和系统抗 干扰设计等问题。 3 1 主控制器 系统使用的主控制器为f r e e s c a l e 公司s 1 2 系列1 6 位m c u ，其型号为 m c 9 s 1 2 d j 6 4 ，1 1 2 管脚l q f p 封装，管脚图如图3 1 所示。f r 。c s c a l e 公司是全球 蓬嚣器8 嘲瓣蘸雕 掰 l g 图3 1m c 9 s 1 2 d j 6 4 管脚图 1 7 量黧篓黔鬻麟蒸鬻鬟黛然黼蒸鬻鬟黛纛黼 北京交通大学硕士学位论文系统硬件电路设计及实现 最大的半导体供应商之一，其生产的微控制器多用于汽车控制和工业控制领域， 在抗干扰能力和可靠性上具有非常突出的优点，非常适合应用电动汽车强干扰的 电磁环境，其中s 1 2 系列的m c u 具有从3 2 k 到5 1 2 k 程序存储器等1 0 多种型号 的产品，能够满足不同用户的需求。本系统选用的m c 9 s 1 2 d j 6 4 芯片既能够满足 系统功能的要求，又具有很好的经济性m c 9 s 1 2 d j 6 4 的芯片命名规则如下：m c 表示器件状态为完全合格产品，9 表示存储器类型为f l a s h ，内核类型为s 1 2 ， d j 表示产品系列，6 4 表示存储器大小为6 4 k 。m c 9 s 1 2 d j 6 4 具有降低功率消耗、 良好兼容性、提高运算速度、强有力的索引寻址、指令的升级与替换、扩展存储 器、背景调试模式和硬件断点等特点，其内部总线为哈佛结构，内部集成了6 4 l ( b n a s h 程序存储器，并具有丰富的外围资源，如a d 转换器、串行接口、p w m 、 c a n 控制器等，最高总线频率( b l l sc l o c k ) 可达到2 5 m h z 。同时m c u 支持背景 调试，通过一个j t a g 头可以在任何时候( 包括现场) 编程或重写f l a s h 及 e e p r o m ，而且m c 9 s 1 2 d j 6 4 具有b d m ( b a c k g r o dd c b u gm o d e 的缩写) 模块， 它具备基本的调试功能，包括资源访问及运行控制，与指令挂牌及断点逻辑配合， 可以实现许多重要的开发功能，利用仿真器在背景调试模式下调试电路，能完全 了解c p u 的运行规律，能够把运行过程和状态完全地表面化，使得硬件和软件调 试都相当方便捷。 # 件珊 盘箍狂一乎手闷平阡 1 r 。节”彳了i ：l ll 赫 i 辑趟蝉 2 。j ；7 | l 砌聊即 ；引i l ； m r 珥d 髫。 ，捌毒封： ；3 | v c cl t s t 6 i t姗i 霄+ h t 斗鞋 gnd钉 m 盛慕。一 释 l l ，ll 了了了r r 未0 | l1 1 计一 ；l ：| il ：ii ll寸l ：l | 图3 2 复位电路 在主控制器最小系统的硬件电路设计时，必要的外围电路必须严格按照 f r e e s c a l e 公司提供的芯片说明进行配置，特别是芯片要配置可靠的d c 5 v 供电电 源，这是主控制器稳定可靠工作的前提条件，同时还需要外部晶振和复位电路。 系统采用2 4 m h z 的卧式有源晶振，它与无源晶振相比具有更好的可靠性，同时为 提高时钟信号的可靠度，m c u 内部总线频率为1 2 m h z ( 内部2 分频) 。为了防止程 序失控，系统设置了硬件复位电路，即“看门狗”，见图3 2 ，使用的复位芯片是 m a x i m 公司的m a x 7 0 6 。系统最长时间间隔1 6 秒左右必须对m _ u ( 7 0 6 的w d l 北京交通大学硕士学位论文 系统硬件电路设计及实现 管脚进行一次电平翻转，否则，m a x 7 0 6 的r e s e t 管脚就会输出持续低电平信号 使得c p u 复位，可以在程序跑飞后复位重新执行。 3 2 电源变换电路 电动汽车车用低压电源为d c 2 4 v ，而检测装置所需电源为d c 5 v ，因此要设 计一个d c 2 4 v 转d c 5 v 的d c d c 电源变换电路，其电路原理图如图3 3 。电路的 前端加了1 个二极管( v d 3 ) ，其作用是防止电源接反短路对车用低压电气系统的 影响；f 5 为额定电流为5 0 0 n a 自恢复保险，起保护系统后续电路过流的作用，即 电动汽车绝缘性能检测装置的最大功耗不能超过1 2 w ，否则f 5 就会熔断，系统断 电；v d l 和v d 2 用来防止浪涌电压，当车供输入电压尖峰大于4 0 v ( 与管子的选 择有关) 的时候，稳压管v d l 和v d 2 导通，使得后端电压在4 0 v 以内，对后端的 电路起到保护的作用；后端电路经过滤波后输入电源芯片s m g l o - 2 4 s 0 5 ， s m g l 0 - 2 4 s 0 5 内部有反馈，通过p i 调节器，使得输入电压或者负载变化时，输出 都能稳定在d c 5 v ；s m g l m 2 4 s 0 5 输出的d c 5 v 电源经过高低频率滤波后，得到 质量可靠的d c 5 v 电源向系统供电。 囊暮雾 1 1l i ，：jlt ：j ! ：二d0 j - 1 t 口、0 h 也t 碱。l i 一。 ，4 辨蹬一一掣删一 一譬稀肆莨琵二! ；特韩l 爿慝言出冬医夏蠹一泛遗蠹鹰：| _ = | 剿l 一曼，未长= 甜王蘸强 图3 3d c 2 4 v 变d c 5 、r 转换电路 3 3 电压、漏电流测量电路 3 3 1 测量电路总体设计 通常的电压电流测量电路应具有高输入阻抗、测量范围宽和等精度测量等特 点，由研制报告可知，本系统电压的测量范围为o l o o o v ，电压测量精度在全范 围内保持等精度o 5 v ，漏电流测量范围：o 1 0 a ；漏电流测量精度2 ，这样 应用通常的j 蜘) 变换很难同时达到所有要求，因此本系统采用电阻分压和选用集 成测量芯片c s 5 4 6 0 a 构成测量电路，电路原理框图如图3 4 所示。测量电路可以 1 9 北京交通大学硕士学位论文 系统硬件电路设计及实现 分为电压测量和漏电流测量两部分。对于电压测量电路，可以分为两路：一路用 来采集正母线与地之间的电压大小，另一路用来采集负母线与地之间的电压大小， 两路通道采用相同的测量原理。对于漏电流测量电路，考虑到电流的测量精度， 同时又要兼顾到绝缘检测装置本身不能降低车体的绝缘，亦采用电阻分压和集成 芯片c s 5 4 6 0 测量的方法，同时采用按键检测。 图3 4 电压和漏电流测量电路原理图 3 3 2c s 5 4 6 0 a 芯片测量原理 c s 5 4 6 0 a 是系统电压电流测量的核心，它是美国c r y s t a l 公司推出的带有 串行接口的单相双向功率电能计量集成电路芯片，主要应用在单相电子式电能表 和三相电子式电能表中。c s 5 4 6 0 a 是一个包含两个4 模一数转换器( a d c ) 、高速 电能计算功能和一个串行接口的具有高速电能计量功能的高度集成厶模一数转换 器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、i 州s 和v 州s 。c s 5 4 6 0 a 可以使 用分压电阻或电压互感器测量电压，使用分流器或电流互感器测量电流，有与微 控制器通讯的双向串口和与能量成正比的频率可编程脉冲输出，并具有方便的片 上a c d c 系统校准功能。“自引导”模式下，c s 5 4 6 0 a 能独自工作，在系统上电 后自动初始化，无需外加微处理器。c s 5 4 6 0 a 可以在单一5 v 电源下运行。为了适 应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器( p g a ) ，使输入电 平满量程可选择为电流通道输入范围为士2 5 0 m v l m s 或士5 0 m 、i l s ，电压通道输入范 围为士2 5 0 i n v i m s 。c s 5 4 6 0 a 每个通道都有一个高速数字滤波器，将两个厶调制 器的输出衰减l o 倍并积分，滤波器以( m c i k 伥) 1 0 2 4 的字输出频率( o w r ) 输出2 4 北京交通大学硕士学位论文 系统硬件电路设计及实现 位数据。 我们可以利用c s 5 4 6 0 a 高精度的a d 进行电压和电流的测量，它有两个检测 通道，一个是电压通道，另一个是电流通道。因为电流通道能够在全范围内保证 精度，所以两路电压和一路电流均选择电流通道测量电压。经过电阻分压后得到 的小电压，先经过r c 滤波，再进入c s 5 4 6 0 a 的电流通道，经过偏移量和增益调 整，2 4 位瞬态数据采样值存入瞬态电压和电流寄存器，用户可通过串口从中读出 采样数据。c s 5 4 6 0 a 电流通道和电压通道的最大输入电压为士2 5 响vr m s 或 士5 0 i n vr m s 。 c s 5 4 6 0 a 的控制线有：c s 、s d i 、s d o 、s c l k 、矾t 和r e s e t 。这些控制线 经过隔离后，与c p u 进行数据交换，由于不同控制线所要求的实时性不同，所以 需选用不同的光耦隔离，芯片s p i 接口的数据线( s d i 、s d o ) 和时钟线( s c u ( ) 信号 变化快，选用高速光耦6 n 1 3 7 隔离，其耦合速率可达1 0 m b p s ；而芯片的片选，复 位和中断输出信号属于电平信号，变换速率很低，用普通光耦n e c 2 5 0 1 或t l p 5 2 1 即可实现，图3 5 是利用c s 5 4 6 0 a 检测正对地电压的电路图，图3 6 是采用光耦 6 n 1 3 7 和t l p 5 2 l 构成的光耦隔离电路。 醉鞯糍# xoutn 王蔓旺 孵荆擀 c p 口c 憾s d i 2 ，is d 岱 l + r dl i r孬