电动汽车绝缘监测装置的设计方案论文.pdf

摘要 摘要 面对能源安全 环境污染和全球气候变暖的严峻形势以及人们对于环境保 护意识的不断提高 电动汽车已经日益受到世界各国的广泛关注 它具有污染 小 噪声低 能源效率高和能源来源多元化等优点 在我国电动汽车产业已经 被列为 十五 科技工作重大项目 与传统汽车相比 纯电动汽车以动力蓄电池 作为唯一的能量来源 由于电动汽车一般在上百伏的电压下工作 它较高的工 作电压对其绝缘性能提出更高的要求 因此 开发一种能够实时 准确 可靠 的检测出电动汽车高压系统绝缘性能的检测装置十分重要 它对电气设备正常 工作 车辆安全运行以及保证乘客人身安全具有重要意义 本文首先对电动汽车高压电气系统进行介绍 引出电动汽车绝缘电阻的定 义 并根据其高压安全规范划分相应的绝缘等级 分析比较几种常用的绝缘检 测方法并总结它们优缺点 接着提出平衡一不平衡电桥检测法 并用该方法计 算绝缘电阻 最后对绝缘电阻的测量误差进行分析 绝缘性能检测系统采用f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 芯片作为主控制器 来展开对系统硬件电路设计 并对系统硬件电路的可靠性进行优化设计 其次 对系统的软件开发环境c o d e w a r r i e r 做了简单介绍 在该开发环境下选用c 语言 编写程序 绘制系统主程序和各个功能的子程序的流程图并给各个功能子程序 加以阐述 最后在实验环境下对该系统进行调试 对所测得的实验数据进行误差分析 以此证明该监测装置对绝缘电阻测量的准确性和可靠性 为接下来实车测试的 研究和功能完善奠定基础 关键词 电动汽车高压安全绝缘监测实时 a b s t r a c t a b s t r a c t f a c e dw i t ht h es e v e r es i t u a t i o no fe n e r g ys e c u r i t y e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d g l o b a lw a r m i n ga sw e l la si n c r e a s i n ga w a r e n e s sf o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n m o r e a n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt oe l e c t r i cv e h i c l ea r o u n dt h ew o r l d i th a st h ea d v a n t a g e s o fl e s sp o l l u t i o n l o wn o i s e h i g he n e r g ye f f i c i e n c ya n dd i v e r s i f i c a t i o no fe n e r g y s o u r c e sa n ds oo n e l e c t r i cv e h i c l ei n d u s t r yh a sb e e nl i s t e da sk e yp r o j e c t si nt h e n a t i o n a ls c i e n c e t e c h n o l o g yp i l l a rp r o g r a md u r i n gt h ee l e v e n t hf i v e y e a rp l a n p e r i o di nc h i n a c o m p a r e d 历mt r a d i t i o n a lc a r s t h eb a t t e r yp o w e ri st h eo n l ys o u r c e o fe n e r g yf o rp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s b e c a u s ee l e c t r i cv e h i c l e sg e n e r a l l yw o r ki n h u n d r e d so fv o l t s i t sh i g h e ro p e r a t i n gv o l t a g eh a st om e e th i 曲i n s u l a t i o n i tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nn o r m a lo p e r a t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n t t h es a f eo p e r a t i o no ft h e c a ra n dt h es a f e t yo ft h ep a s s e n g e r d e v e l o p i n gt h er e a l t i m e a c c u r a t ea n dr e l i a b l e m o n i t o r i n gd e v i c ef o re l e c t r i cv e h i c l ei n s u l a t i o ns t a t e si sq u i t en e c e s s a r y i n t r o d u c t i o no n h i g h v o l t a g e e l e c t r i c a ls y s t e mo ft h ee l e c t r i cv e h i c l ei s c o n d u c t e di nt h i st h e s i sf o rt h ef i r s tt i m e l e a d st ot h e d e f i n i t i o no fi n s u l a t i o n r e s i s t a n c eo fe l e c t r i cv e h i c l e s a c c o r d i n gt o s a f e t yg u i d e l i n e so fh i g h v o l t a g e e l e c t r i c a ls y s t e mt od i v i d e st h ei n s u l a t i o nc l a s s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f s e v e r a l c o m m o n l yu s e di n s u l a t i o n m o n i t o rm e t h o d sh a v eb e e n a n a l y z e da n d c o m p a r e d t h em e t h o do ft h eb a l a n c e d u n b a l a n c e db r i d g eh a sb e e np r o p o s e d a n du s e t h i sm e t h o dt oc a l c u l a t et h ei n s u l a t i o nr e s i s t a n c ef i n a l l y t oa n a l y z et h ei n s u l a t i o n r e s i s t a n c eo ft h em e a s u r e m e n te r r o r 1 1 1 ef r e e s c a l ec o m p a n ym c 9 si2 d gi2 8c h i pi sa d a p t e d8 sm a i nc o n t r o lt oc a r r y o u th a r d w a r ed e s i g n a n dt oo p t i m i z et h ed e s i g ns y s t e mr e l i a b i l i t yo ft h eh a r d w a r e c i r c u i t a f t e r g i v i n gab r i e f i n t r o d u c t i o no nt h e s y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tc o d ew a r r i o r s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sc o n d u c t e di ncl a n g u a g eu n d e r t h i se n v i r o n m e n t d r a w i n gaf l o wc h a r to ft h es y s t e mm a i np r o g r a ma n ds u b r o u t i n e s o fe a c hf u n c t i o n a n de a c hf u n c t i o no fp r o g r a mi sd e s c r i b e d a tl a s t t h es y s t e mi sd e b u g g e di nal a bc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a ld a t a i n d i c a t et h a tt h ei n s u l a t i o nd e t e c t i o nd e v i c ef o ri n s u l a t i o nr e s i s t a n c em e a s u r e m e n ti s n a b s t r a c t a c c u r a t ea n dr e l i a b l e w h i c h l a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d ya n dt h e i m p r o v e m e n to ft h er e a lv e h i c l em e a s u r e m e n t k e yw o r d s e l e c t r i cv e h i c l eh i g hv o l t a g es a f e t yi n s u l a t i o nd e t e c t i o nr e a l t i m e i l i 绪论 l 绪论 1 1 课题背景意义 随着改革开放的不断深入 我国经济得到了迅速的发展 同样也为汽车行 业创造了巨大市场 2 0 0 9 年 我国己成为世界最大的汽车产销国 由于汽车保 有量的不断增加 我国节能减排工作面临着严峻的考验 我国能源短缺 特别是汽车的耗油量已经成为我国成品油耗油的主要领域 目前 我国已经成为石油进口大国 2 0 0 8 年 我国对外石油的依存度约为5 2 预计到2 0 3 0 年 我国对石油进口的依存度将到达7 0 左右 与此同时 温室气体排放所产生的全球气候变暖的问题已经引起世界范围 内的广泛关注 国际社会先后签署了 联合国气候变化框架公约 及其 京都 议定书 为国际社会共同应对气候变化提供了基本框架 我国二氧化碳的排放 量仅次于美国 位于全球第二位 面临巨大的减排压力 我国政府承诺 到2 0 2 0 年单位g d p 的二氧化碳排放量减少4 0 州5 的减排目标实现相当困难 这 无疑对我国汽车工业提出严峻的挑战 因此发展节能环保的新能源汽车迫在眉睫 电动汽车是目前世界上唯一能 达到零排放的机动车 l j 传统的燃料汽车被电动汽车取代 目前只是一个时间问题 在能源日益紧 缺的情况下 电动汽车无疑成为拉动汽车产业 刺激经济的重要环节 由于电动汽车具有污染小 噪声低 能源利用率高和能源来源多元化等 优点因而备受青睐 2 0 0 0 年 电动汽车产业被列为 十五 科技工作重大项目 2 0 0 8 年 北京奥运会首次应用了自主研发的电动汽车 并且起了示范性的作用 现阶段 我国已经初步建立了电动汽车的标准 法规和管理体系 为电动 汽车的产业化奠定了坚实的基础 以燃油或者天然气作为动力源的常规汽车 几乎不存在高压绝缘的问题 电动汽车的动力系统具有高电压 强电流等重要特性 为了驱动电机工作并且 提高其效率 动力系统电压往往会超过3 0 0 n 并且传输线路的阻抗很小 由于 高压系统正常工作电流可能达到几十安培 甚至几百安培 因此 在设计高压动 力系统时不但要充分满足整车动力驱动需求 而且必须确保车辆运行安全和驾 绪论 乘人员安全1 2 电动汽车在震动 冲击 动力电池腐蚀性液体等环境比较恶劣的 条件下 车体与动力电池组之间的绝缘容易出现损坏 从而导致绝缘性能下降 通过绝缘层电源的正负母线与车辆底盘形成回路 使底盘电位升高 不仅会对车 内电器的正常工作造成影响 甚至危及乘客的人身安全 因此实时监测高压电 气系统对车辆底盘绝缘性能 电气设备正常工作和车辆安全运行以及保证乘客 安全具有重要意义1 3 j 因此 在这样的背景下 对在线绝缘监测的装置的研究越来越受到广泛的 关注 该装置能实时的监测电动汽车高压系统的绝缘状况 确保电动汽车的整 车安全和乘客的人身安全 提前作好预警工作 i 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 电动汽车通常指以车载电源为动力 全部或部分由电机驱动行驶的汽车 电动汽车目前大致分为三类 纯电动汽车 b e v 混合动力汽车 h e v 燃 料电池汽车 f c e v 电动汽车诞生于1 9 世纪末 比燃油汽车问世还要早 然而电动汽车不适合 远距离行驶 并且电动汽车蓄电池能量和功率密度比燃油要低 因此它在市场 的竞争地位逐渐的下降 燃油汽车发展却十分迅速f 4 2 0 世纪5 0 年代到6 0 年 代中期 由于环境的污染的加剧和石油资源的匮乏 促使人们更加深入对电动 汽车进行研究 到了2 0 世纪9 0 年代 全球温室效应受到密切关注 欧美一些 发达的工业国家为研发电动汽车而投巨资 一些国家甚至在重要城市逐步限制 燃油汽车的使用 电动汽车将成为2 l 世纪广泛采用的交通工具 5 l 全球各主要汽车制造大国高度重视对电动汽车的研究 纷纷结合本国的实 际情况制定了相关的政策 2 0 0 9 年8 月 德国政府签发了 国家电动汽车发展计划 该计划到2 0 2 0 年 德国将拥有1 0 0 万辆电动汽车 目前 包括戴姆勒奔驰 宝马和大众汽车在 内的多家德国汽车公司正在积极投入到电动汽车的研发中来 2 0 1 2 年 系列化的 电动汽车会推向市场 德国政府紧紧抓住发动机技术 电池技术以及充电网络 这三个电动汽车关键因素 不断发展和完善德国电动车技术和市场 美国政府一直鼓励使用以混合动力车为代表的新能源汽车 美国总统奥巴 2 绪论 马签署生效了一系列刺激经济计划方案 把充电式混合动力汽车 作为刺激经 济和拯救汽车业的一张王牌 6 美国政府还专门成立了一个总量为2 5 0 亿美元的 基金项目 以低利息贷款的方式鼓励厂商对节能和新能源汽车的研发和生产 预计到2 0 1 5 年 美国国内投入使用混合动力汽车将达到1 0 0 万辆 2 0 0 9 年 在巴黎国际车展法国总统萨科齐上宣布 政府将研发新能源汽车 的资金达到4 亿欧元 预计2 0 2 0 年 法国新能源汽车的总产量达到2 0 0 万辆 2 0 1 5 年在法国将在全国范围内建成1 0 0 万个汽车充电站 特别值得关注的是 从2 0 1 2 年起 汽车充电站必须建立在每一个停车场和新建公寓区 作为自然资源非常匮乏的日本 一直以来将清洁能源 可再生能源作为国 家战略发展的重要依据 2 0 0 9 年4 月1 日 日本政府开始实施 绿色税制 包 括纯电动汽车 混合动力车 清洁柴油车 天然气车以及获得认定的低排放且 燃油消耗量低的车辆都在其适用的对象中 其中前3 个类别车被政府定义为 下 一代汽车 购买这类车可享受各种税赋优惠政策的豁免 我国在 十五 时期就已经着手新能源汽车科技规划的方案 形成了 三纵 和 三横 的电动汽车研发格局 其中 三纵 为以纯电动 混合动力 燃料 电池的三种技术方案 三横 为以多种能源动力总成控制系统 驱动电机控制 系统 动力蓄电池管理系统三种共性技术 7 1 2 0 0 9 年3 月出台的 汽车产业调整和振兴规划 对新能源汽车做如下战略 规划 重点支持新能源汽车动力模块的产业化建设 推动纯电动汽车 充电式 混合电动汽车及其关键零部件的产业化 掌握新能源汽车专用发动机与动力模 块的优化设计技术 形成1 0 亿安时车用高性能单体动力电池生产能力 发展普 通型混合动力汽车和新燃料汽车专用部件 为推动新能源汽车的产业化 由财政部科技部决定在北京 上海 重庆 济南 长沙等十三个城市开展新能源汽车示范推广工作 鼓励在公交 出租 环卫 邮政等公共服务领域推广使用新能源汽车 对推广使用单位购买新能源 汽车给予补助 总之 发展电动汽车不仅可以解决目前汽车产业发展方向和能源环境的重 要问题 而且对以后我国经济可持续发展产生深刻影响 1 2 2 电气绝缘性能发展现状 8 1 电力供电系统的安全性一直是电力领域的一个重要议题 高压设备在运行 3 绪论 过程中 如果其内部存在绝缘缺陷 老化以及外力破坏等因素 设备及电网安 全运行的绝缘事故常常会发生 传统的做法是利用定期停电的方法来进行预防 性检测和维护 以便能够及时发现设备内部的绝缘缺陷 避免发生绝缘事故 由于国民生活水平的不断提高 社会对供电的可靠性提出了更高的要求 传统 的做法已不能满足电网高可靠性的需要 由于传感器技术和信号处理技术的不断进步 线监测技术在各个供电系统中 在得到了广泛的应用 绝缘在线监测技术的发展经历了以下3 个阶段 9 1 模拟式测试阶段 仅仅直接测量设备的某些绝缘参数 如泄露电流 具有设备简单 测试项目少的优点 但灵敏度较差 2 数字式测试阶段 实现了在线监测技术由传统的模拟量测试走向数字 化测量的转变 将仪器直接接入测试回路的传统测量模式已经被淘汰 取而代 之的是利用传感器将被测量的参数直接转换成电信号 3 多功能在线监测阶段 以计算机处理技术为核心的微机多功能在线绝 缘监测系统利用传感技术和数字波形采集与处理技术 来实现更多的绝缘参数 在线监测 这种在线监测技术以信息量大 处理速度快等特点而著称 它可以 对监测参数进行实时的显示 储存 打印 远传和越线报警 以此来实现在线 绝缘监测的自动化 在线绝缘监测技术的应用有利于从 定期维修 制 计划维 修 过渡到 状态维修 制 预知维修 在很大程度上 避免了人力物力资源的 浪费 目前 国内外对电气绝缘检测的研究已经在很多工业领域开始应用了 相 应的绝缘检测方法不断更新仪器仪表也层出不穷 高压系统绝缘检测装置已经 开始应用在丰田公司和本田公司上市的部分车型上 该装置可以排除由高压电 缆老化和车体漏电等带来的绝缘问题 从而确保电动汽车的整车安全和乘客的 人身安全 由于该装置有漏电检测和漏电保护的功能 因此能提前作好预警 对于车载在线安全检测技术 国内研究也刚刚起步 如华中科技大学研制 的纯电动汽车电气与安全监测系统 不但具有实时监测整车电气特性参数的特 性而且可以实现故障预警 中国电力科学院电工所研制的电动汽车智能在线高 压安全检测装置 在不需要电压 电流传感器的情况下 只用一个高压控制开关 便能实时 准确地对各种高压安全参数进行检测 并且误差较小能准确报警 国内外通常采用外接电阻切换测量的方法对直流系统的绝缘电阻检测 此 种方法存在三个方面的问题 4 绪论 a 可以准确检测母线单端接地时的绝缘故障 但不能准确计算在正负母线 两端对称接地时的绝缘电阻 b 在电动汽车行驶过程中 检测装置常常处于高强度的电磁干扰环境 会 降低绝缘电阻的检测精度 甚至会发生漏报或误报绝缘故障的现象 c 这种检测方法在电池箱内部开路的条件下无法正常测量接地电阻 因此 寻找一种适合电动汽车运行工况的宽检测范围的直流系统绝缘电阻 检测方法迫在眉睫 1 3 本文研究主要内容 为了保证电动汽车高压电系统的用电安全 杜绝绝缘事故的发生 对电动 汽车绝缘性能进行分析 以设计出适用于电动汽车绝缘性能检测装置为最终目 标 本文的主要工作由以下几个章节的内容构成 第一章主要调研电动汽车相关知识以及对国内外的发展历程并做出概述 由此引出电动汽车绝缘监测的作用和意义 然后介绍电气绝缘领域的相关知识 和系统绝缘电阻检测方法及所面临的问题 第二章首先简要介绍电动汽车的电气结构 结合电动汽车的绝缘电阻定义 并根据其高压安全规范对绝缘电阻的等级进行划分 然后对常用的绝缘监测方 法进行比较 提出平衡 不平衡的绝缘监测方法 并对该检测方法所计算的电阻 进行误差分析 第三章系统的硬件电路设计 本章以m c 9 s 1 2 d g l 2 8 为主控制器对硬件电 路进行设计 包括对各个电源变换电路 串口通信电路 c a n 通信电路 电压 测量电路 液晶显示电路 时钟电路以及数据存储电路等各个功能模块电路的 搭建 最后对系统硬件电路可靠性进行设计优化 包括对印制板的布线 电源 和地线处理 电磁干扰等问题进行研究 第四章系统软件实现 对电动汽车绝缘性能监测系统的软件开发环境进行 简单介绍 选择用c 语言对该系统进行编程 并阐述了用c 语言编写程序的优 点 然后绘制了系统各个功能子模块的流程图 包括电压采样程序 绝缘电阻 检测程序 液晶显示程序 声光报警程序等 最后对软件设计的可靠性进行归 纳总结 5 绪论 第五章系统优化与调试 在实验的环境下 对普通光耦与线性光耦两种电 压测量电路进行试验验证 并最终采用线性光耦电压测量电路对系统进行电压 采样 对最终的实验数据进行处理和分析 第六章总结与展望 总结了本文的研究工作 并对下一步开展的工作进行 了展望 6 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 2 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 2 1 电动汽车电气系统 纯电动汽车的电气系统唯一的动力来源是动力蓄电池 其电气系统由高压 系统与低压系统两部分组成 高压系统是该系统的关键部分 它由动力蓄电池 组供电 本文所研究的绝缘性能检测就是对该电池组正负极对地的绝缘电阻的 测试 其电压一般为3 8 4 v 主要为驱动电机 制动系统 和车载空调等大功率 系统供电 低压系统通过2 4 v 辅助电池供电 主要为车辆的中央控制器 灯光 雨刷 电池管理系统和显示仪表提供电能 绝缘性能监测装置也由低压系统供 电 l o l 电气结构框图如图2 1 所示 图2 1 电动汽车电气系统框图 7 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 2 2 绝缘电阻的定义及其测量原理 绝缘电阻的阻值是反映电气设备绝缘性能好坏的标准 对于电动汽车而言 绝缘监测的是电动汽车动力电池组直流正负母线对地的绝缘电阻 对于绝缘电 阻的定义可以是 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刚1 1 j 根据g b t 1 8 3 8 4 中电动汽车安全要求 绝缘电阻的阻值除以动力蓄电池的 标称电压u 所得的值应大于1 0 0 d v 因此电动汽车动力蓄电池绝缘电阻的最 小值是1 0 f f d a v 它可以被认为是一个故障标志 动力系统绝缘电阻值应符合下表要求 表2 1 绝缘电阻的要求 设备测量阶段最小瞬间绝缘电阻 测量阶段计算的最小绝缘电阻 l 类 i i 类 0 1 k 州 0 5 妓v v 注 绝缘电阻按照设备的标称电压计算 l 虹w 5 心w v 其中i 类设备指的是依靠基本绝缘对带电部件进行防触电保护 并把这个 设备中外露可导电部件与保护导体相连的设备1 1 2 i i 类设备指的是使用双重绝缘或加强绝缘进行防触电保护的设备 因此最 好能保证绝缘电阻值大于5 0 f f d v 用5 0 0 f w 绝缘电阻作为一个阈值划分了三个绝缘等级 当测得绝缘电阻大 于5 0 0 f e v 时 那么绝缘等级为优 此时不发生绝缘故障 当测得绝缘电阻在 1 0 0 d v 和5 0 0 d v 之间 绝缘等级为良 作为一级绝缘故障 当测得绝缘电阻 低于1 0 f f d v v 时 绝缘等级为差 作为二级绝绝缘故障 1 3 1 当测量绝缘电阻时 应保持动力设备与电池组相连接 要求绝缘电阻至少 为1 0 0 d v 当低于1 0 0 t i n 时 应自动断开电路 当车辆行驶时发现绝缘故障 电源切断模式能自动断开电路 通过声光报警装置提示驾驶员 应当注意的是在尚未排除故障之前 绝缘监测系统禁止车辆进行再次通电 如果驾驶员强行通电 在通电之前 该系统会发送给驾驶员一个明显的警示 当下次再次发生故障时 电源必须要自动切断1 1 2 因此 根据绝缘检测原理计算出正 负母线对车体底盘之间的绝缘电阻后 8 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 需要判断绝缘等级 并且根据不同的绝缘等级故障 采取相应的动作 2 3 常用绝缘电阻的监测方法 2 3 1 低频信号注入法 较早的绝缘监测设备对支路电阻的检测基本上都采用了低频信号注入法 即当母线检测接地故障时候 用低频信号发生器将一个约5 1 0 n1 0 2 0 h z 的 低频信号注入母线 交流信号从接地线路流出 经过大地与信号源形成回路 然后再通过数据线将检测信号送至主机做响应处理 从而计算出实际接地电阻 找出绝缘故障 1 4 其原理图如图2 2 所示 图2 2 低频信号注入法 但由于向直流母线注入交流信号 对直流系统的纹波系数本身产生一定有影 响 这样容易引起设备误动或干扰设备 其检测精度受系统分布电容影响较大 不能识别母线接地极性 该方法已经逐渐被淘汰 1 5 l 2 3 2 综合判据法 综合判据法与低频信号注入法相比 最大的优点是无须向系统注入交流信 9 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 号 可以检测平衡接地与多点接地 并且系统不受分布电容的影响 综合判据法检测系统绝缘性的关键是直流漏电电流传感器的检测精度和选 择适当的检测电阻 其检测原理如图2 3 所示 图2 3 综合判据法检测原理 其中月 尺 为一号回路正负母线对地的绝缘电阻 r 为检测电阻 当检测 电阻r 过小时 可以准确地检测直流系统正负极母线绝缘电阻 正负极母线对 地电压变化范围较大 这种检测电阻拉偏了直流系统正负极母线对地电压 此时 对电力系统运行存在很大安全的隐患 当检测电阻尺选择过大时 虽然降低了 正负极母线对地电压的波动范围 但是此时流过直流漏电流传感器的漏电流减 小 使漏电流传感器的检测精度降低 造成了检测的绝缘电阻的误差增大 因此 利用综合判据法检测直流系统的绝缘状况的明显不足是选择合适的检 测电阻使它既能降低绝缘电阻的测量误差 又能减小投入检测电阻时对系统电 压造成的影响i i o j 2 3 3 平衡电桥法 平衡电桥法的检测原理是在绝缘监测装置的内部设置2 个相等阻值的对地 分压电阻天卜尺2 通过它们测得正负母线对地电压n 圪 正负母线对地的绝 缘电阻分别为尺 水 平衡电桥检测原理如图2 4 所示 1 0 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 图2 4 平衡电桥法 当系统绝缘状况良好时 即尺 r 0 0 时 此时n v 2 当系统单端接地时 得到如下方程 乓 姿 2 1 o 一 i r r 醚 此时 可以求出正母线对地电阻尺 的值 同理求得负母线对地电阻尺 的值 当系统出现双端接地时 得以下方程 皂粤 2 2 一 一 l j k r r 此时 不能直接求解 处理方法是先将尺 尺 中较大的一个视为无穷大 然后按单端接地的情况求解 此时所求得的接地电阻值大于实际值 r 与足 的 实际值越接近 那么测量误差越大 当达到尺 与r 相等时 测量误差达到无穷 大 2 3 4 不平衡电桥检测法 不平衡电桥检测的原理是绝缘监测仪通过调节电子开关k i k 2 开合顺序来 对地分压电阻尺l 尺2 进行控制 其中r l r 2 正负母线对地电压为n 圪 不平 衡电桥检测原理如图2 5 所示 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 图2 5 不平衡电桥检测法 当k 1 闭合l 2 断开时 测得k 坞 得到方程如下 上 旦 2 3 一 j 尼 r r 一 当k l 断开l q 闭合时 经过一段时间延时 测得巧 圪 得到方程 旦v 堡 2 4 尺 尺2 只一 解联立方程 2 3 2 4 就可直接求得正负母线接地电阻r 足 平衡电桥检测法和不平衡电桥检测法相比最大的优点是在任何方式下均可 以监测 并且不受正负母线对地电阻均等下降或者其相近的对称性直流电阻接 地的影响 但是该方法的缺点是监测速度比较慢 容易受到母线对地电容的影 响 2 4 平衡 非平衡综合电桥检测法 2 4 1 检测原理 根据平衡电桥检测法与不平衡电桥检测法的优劣 对上述检测方法加以改 进 设计了一种新的检测方法平衡 非平衡综合电桥检测法 平衡 非平衡电桥检测法是电桥平衡检测法的改进 它利用了平衡电桥来检 测非平衡对地绝缘 利用非平衡电桥检测平衡对地绝缘 其原理如图2 6 所示 1 2 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 图2 6 平衡 非平衡电桥检测法 其中r 和足 为正负母线对地的绝缘电阻 当绝缘性能良好时 电阻值可以 看成无穷大 船l 硒为1 0 0 欧 伏一5 0 0 欧 伏标压电阻 参考电池组电压 r w t 和r w 2 为采样电阻 取r 3 r 4 i o m q r g l r 9 2 r g r 2 0 0 1 r w i r w 2 i o o k q 电池组正负级对地电压分别为m 吃 该方法的好处是 可以有效的检测到正 负母线对地绝缘状况 并且检测结果不受正负母线接地电阻相同或者相近的影 响 2 4 2 检测步骤 1 断开s 1 s 2 测得正母线对地电压n 负母线对地电压圪 2 当n v 2 时 可知尺 r 闭合s 2 测量正负母线对地电压n 圪 可得到如下方程 解方程组得 旦 生 职 r 五 上 q 5 y r 一 f r s 2 6 k 一匕 n 一 巧一 l 足 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 足 略斗 2 7 3 同理当v i v 2 时 闭合s l 测量正负母线对地电压巧 圪 可得 到如下方程 疋 疋 一疋1 1 r s 一 尺一 2 8 2 9 2 1 0 2 4 3 绝缘电阻测量误差分析 由上述理论可知 正负绝缘电阻的阻值与四个电压测量值和一个标准电阻 值有关 因此最后结果的精度受到电压测量精度和电阻精度的影响 以上理论 是在电池电压不变的情况下 即h 圪 儿电动汽车在加速减速过程中电池电 压也会随之改变 并且电压明 圪的测量必须保持同时性 否则会破坏计算的 准确性 2 4 4 测量参数精度的影响 在对误差的分析过程中 需要用到误差传播定律 它是在测量过程中 有 些量不能直接测量 而是由观测值通过函数计算获得的 是反映观测值中误差 与函数中误差之间的关系定律1 1 7 根据前面所得到的计算绝缘电阻的公式 以 式 2 6 和 2 7 为例进行分析 令r 石似 k k 善一甚 心 2 1 1 1 4 足 苫 卜 一 2一 l 圪 上k 堕巧 堡巧 一 疋 疋 绝缘性能检测系统原理分析与方案设计 式中所 圪 n 盼对应的误差分别为 j 肌 m j f 朋嵋 善 一鲁 蕞 每以 鲁 鲁 器 一警 若 兽一琶 对函数全微分得 仉 善d k 矗d 吒 舞叫 爱d 吃 则尺 的误差聊r 为 脚咖科咖盼丢 斟咿瞻n 同理令 足 五以 屹 k 巧 心 兽鲁一 心 则r 的误差脚詹 为 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 嵌镨一嘲幢 篱 2 巾 鲁卜盼t n 根据以上分析可知 绝缘电阻的误差大小与各个测量参数的误差都有关系 如果想减小绝缘电阻测量误差 必须从根本入手 提高测量的精度 不但使测 量电压更为精确 同时还要提高已知电阻的精确度 使绝缘电阻的误差降到最 低 2 5 本章小结 本章首先是对电动汽车的电气系统进行分析 动力蓄电池组属于高压部分 绝缘性能检测系统所测量的是动力蓄电池组正负母线相对于车底盘的绝缘电 阻 随后引出了绝缘电阻的定义并根据电动汽车高压安全规范划分了绝缘安全 等级 然后介绍几种常见的绝缘检测方法 对这些方法进行分析比较 结合实 际情况提出了新的检测方法 并对该方法的测量误差进行了分析 最后理论推 导了精度对测量误差的影响 1 5 绝缘监测系统的设计 3 绝缘监测系统的设计 本章主要是对系统硬件电路进行设计 系统采用车载的2 4 v 的直流电源 经过电源变换电路转化成系统的工作电压 通过主控制器对检测信号进行处理 根据平衡 非平衡检测原理 计算绝缘电阻 判断绝缘性能是否完好 当有绝缘 故障时 声光报警 并配合存储器存储故障数据 通过时钟电路能准确得知绝 缘故障的准确时刻 液晶显示器可以实时的显示相关的数据 并且主控制器可 以实时将数据传给计算机和整车的c a n 网路l l 叭 3 1 系统设计方案 根据平衡 非平衡绝缘检测原理 电动汽车绝缘性能检测装置主要有四大基 本功能模块 它们分别是电压测量 声光报警 人机交互和通信接口 其硬件 原理如图3 1 所示 数据1 日历 5 旺作电源 电源变换 车载2 4 v 存储 i 时钟 1 电路 t襽 城 秉卜 卜压测量l 母线 制器 继电器 1汽车绝缘性能硬件原理图 电压测量 平衡 非平衡电桥的绝缘检测原理 对采样电阻的电压进行采样 从而 正负母线对地的电压值 进而计算出正负母线对地的绝缘电阻 声光报警 绝缘监测系统设计 将测得的绝缘电阻值与电动汽车所规定的安全标准相比较 根据不同的绝 缘等级以声光报警的形式作出预警 从而保障电动汽车高压电气系统与乘客的 人身安全 3 人机交互 人机交互主要包括液晶显示和按键电路 液晶显示不但可以直观的显示系 统的各种参数 正负母线对地电压值 正负母线对地的绝缘电阻值 而且结合按 键对系统的功能进行设置 例如输入绝缘电阻与母线电压发生警报的上下限的 值 4 通信接口 通信包括检测装置与计算机之间通过数据信号线的串口通信 检测装置与 电动汽车之间的c a n 通信 它可以在较强干扰的情况下 实现检测装置与电动 汽车之间可靠高效的通信 3 2 系统主控制器电路设计 电动汽车绝缘监测装置的硬件电路包括 主控制器及其相关的外围电路 电源变换电路 声光报警电路 电压电路 液晶显示及按键电路 及通信接口 电路等 3 2 1 主控制器 本系统选用的主控制器为飞思卡尔公司的1 6 位单片机 它的型号为 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 飞思卡尔是全球半导体行业的领先公司 其产品面向汽车 消费类电子 工业和网络市场 它的单片机抗干扰能力强 特别适合电动汽车 强的电磁干扰环境 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 芯片的命名规则如下 1 8 l m c9s 1 2d g 1 2 8 b 表示质量的认证状态 m c 表示产品完全合格 x c 表示初级产品 p c 表示预测产品 表示存储器的类型 无 表示片内无程序存储器 7 表示片内带一次可 编程r o m 8 表示片内带e e p r o m 9 表示片内自动带f l a s h 表示内核的类型 s 1 2 表示1 6 位单片机 s 0 8 表示8 位单片机 1 7 绝缘监测系统设计 表示系列 d g 表示为d 系列的产品 表示存储空间的大小和版本 1 2 8 表示1 2 8 k b 的f l a s h 存储空间 f l a s h 版本 b 为 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 芯片拥有8 k b 的r a m 1 2 8 k b 的f l a s h 2 k b 的e e p r o m 1 6 路a d 转换 其精度最高可设置为1 0 位 有8 路8 位p w m 可并两两级联 为1 6 位精度p w m 特别适合应用于控制多电机系统 它的串行通信端口也比 较丰富 有2 路s c i 2 路s p i 此外还有l 路i i c 2 路c a n 总线等端e l 并且采用了引脚复用的功能 可设置这些功能引脚为普通的i o 端i e i 使用 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 芯片采用1 1 2 管脚l q f p 封装 其管脚如图3 2 所示 l 铲 l 匕蝴争 一 9 臼 r c q t h 怿 o 只 口譬 p w v a t 1 a h t s 0 t p cp p 二 r u 0 i p w j 0 c t i t t g 冀 厶 一1 i j 吒o a c d 订 雠 竹1 b f t d a 订 v a 0 6 s 1 b 丌 i o c t 竹 b 乩爿0 d r 纠 a i b h 1 t u 幻 姗j t p j l 肼鼻p 冀 0 d z 翟 l c i d b k j c 阻 p i 伊 口t 9 k c l j 0 州 二p 世 c 口u o 日 p 图3 2m c 9 s 1 2 d g l 2 8 管脚图 1 8 譬 h 口0 0 略 略t 弹晦 风c k t r l d m p 吒以 c t d l i f t c c h d l l c l x d n f c o 口 蕾 碡 p c 毗 o 抟 c t t 心雏 瑚i p t i 啪 二釜 t t e 嵋0 p 5 c 峨 鸣 l 节 c 对 f c c f c m p v 0 c t c 2 d c c p c 司工 0 q c c p c r 0 i 筑p 弘矗 9 嘻乒n 墨曙睦 3 j r 二 f埔p0 l o i t0卜摹l 帚o 口 一x v l l巨 嚣r 5 妄h u 鬻 匿 星 孓p 4 嚣 譬5 譬 n d 生t j 盅 0u 面ul 墓 rux暑哼 w譬 摹 工 一 小z 王至 h z 卜一 p 0卜乒io 誓k罩薹jh置 簟 口 鬈 雪j暑8一 绝缘监测系统设计 3 2 2 单片机时钟电路 时钟电路在单片机系统硬件设计中起着非常关键的作用 如果晶振体的工 作频率很高 设计的不合理很有可能使其工作时的产生的高频信号 从而对其 他电路造成干扰 对模拟部分如a d 转换输入信号的干扰尤为明显 甚至使晶 振体不会正常工作 造成整个单片机系统不能运行 时钟电路接法如图3 3 所示 c 一 i 心蚪 i 图3 3 时钟电路 电容c l c 2 为负载电容 其作用是防止虚弱的谐波对电路稳定性的造成影 响 换句话说就是滤波 r b 用来保证起振 r s 起分压作用 由于m c 9 s 1 2 单 片机的e x t a l 的额定输入电压为2 5 v o 当使用频率较高的晶振体时 分压电 阻船可以取小甚至可以短接 因此在使用1 6 m 的晶振体时通常不接船 而 尺6 大小一般为i m i q c l c 2 的大小为2 2 p f 3 2 3 单片机复位电路 单片机复位电路设计的水平直接影响整个系统工作的可靠性 很多用户在 实验的条件下调试成功之后 而在现场出现了 死机 或者程序 跑飞 的现 象 出现上述情况可归纳为内因和外因两个因素 1 内因 震荡电源的稳定性 它主要由起振时间 频率和占空比的稳定度等因素 决定 通过电路参数可确定起振时间 其中振荡器的类型 温度 电压等参数 对频率和占空比稳定度产生影响 复位电路的可靠性 2 外因 r f 干扰 一般是指电磁波造成的干扰 1 9 绝缘监测系统设计 电源线或者内部电源造成的干扰 避免单片机 死机 的一个重要方法就是合理使用看门狗 看门狗的工作原理 是利用定时 计数器 使得计数器的值要小于所设定的值 当处理器工作出现异 常时 计数器便不会正常复位 此时计数值便超过这个设定值 从而产生复位 脉冲 使单片机恢复正常工作状态 m a x 7 0 6 芯片是一款性能良好的 看门狗 复位芯片 该芯片的典型电路如 图3 4 所示 v c c 生e 1 3 脉 v c c g n d p f i 图3 4 看门狗复位电路 将一个由单片机程序生成的脉冲信号输送给该芯片第6 脚 在系统上电的 情况下该电路会生成一个标准的复位脉冲 当单片机无法正常工作时 该周期 性脉冲信号便会消失 为保证系统重新复位 此时将在第7 脚上产生一个超过 1 6 秒的复位脉冲信号 使程序重新启动 迫使系统正常工作 看门狗复位电路的可靠性很大程度取决于软件设计 即保证程序每隔一定 的时间间隔 喂狗 以确保程序在运行时没有意外的发生 当程序出现 死机 或者程序 跑飞 的情况下可以实现复位 3 3 电源变换电路1 1 9 电动汽车的绝缘检测装置所需5 v 的电源是由车载的2 4 v 直流电源提供 因 此要设计一个2 4 v 到5 v 的电源变换电路 通常的做法是利用三端稳压器件 通 过两次降压 即用7 8 1 2 将2 4 v 电压降到1 2 1 然后用7 8 0 5 将电压从1 2 v 降到 5 儿如图3 5 所示 肇一 一啪一麟一哪一啪 绝缘监测系统设计 u 17 8 1 2 u 27 8 0 5 g 图3 5 基于三端稳压器件的电源变换 利用三端稳压器件做电源变换工作效率比较低 并且工作中会有大的热损 失 从而使控制系统的稳定性变差 因此可以用开关稳压器来代替线性稳压器 l m 2 5 7 6 系列开关稳压器与线性 稳压器相比效率更高发热更低 而且对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制 作用 其电路图如图3 6 所示 图中d 1 为单向导通二极管 避免正负级反接对电 动汽车低压系统造成不良的影响 v r 为稳压管它可以用来防止浪涌电压 起到 了保护后端电路的作用 f u 为自恢复保险丝 防止电流过大而烧坏器件 t n 4 2 4 x u 1 坠 一 i l m 2 5 7 6 r u l h v n皇 刀 3 a oq l 2 暮 2 5 v 20 r i 是 卯v l 1 j 胁岬1 6 r 1 0 0 出 v d l e 哨8 1 9 图3 6 基于l m 2 5 7 6 的电源交换电路 检测系统各个元器件都有各自独立的电源 为了保护系统免受由线路电涌 或接地回路造成的高电压和强电流的损害 同时减小失真对信号的影响 需要 对某些元器件的供电电源采取隔离措施 在不进行隔离处理的情况下 不但会 引入噪声 而且降低测量精度甚至损坏元器件 以下各图所示的是各隔离电源 发生电路 2 l 绝缘监测系统设计 3 3 1 电压测量隔离电源 v c c1 3 4 v n v o g n do v b 0 5 0 5 d lw a v c c 4 丁 l e 朋10 t i6 南罾 p f l6 广t i 图3 7 电压测量隔离电源 2 5 7 6 产生了非隔离的5 v 电源 将其通过滤波电容滤波后 作为隔离电源模 块b 0 5 0 5 d 的输入 输出的是隔离的5 v 电源 给光耦供电 3 3 2c a n 通信隔离电源 v c cu 5c a nv c c l n f 4 一e l l l e l o v n t v