电动汽车在线绝缘监测,方法和举例

前面一篇文章主要整理了非工作状态下，测量电动汽车绝缘电阻的方法。本文主要整理系统运行中，绝缘电阻检测，监测相关技术方法。

在线监测，与离线检测相比，主要需要解决两个方面的问题，一个是系统正常工作状态下，回路内的工作电流、电压不能对测量结果产生影响；另一个，最好需要明了清晰的确定绝缘故障的位置，为驾驶员和维修人员的后续工作打好基础。

1在线检测方法

作者周启晟，在它的文章《电动汽车高压电连接与绝缘状态参数在线监测》中，详细介绍了如何实现在线监测动力电池系统绝缘薄弱点的方法。

1.1前提条件

实现该方法，需要实现一个技术上的前提要求，管理系统必须实现同步采样，这样才能避免顺序采样带来的因为电流变化造成的误差。

1.2理论基础

电池包正负极端子对地绝缘电阻可以体现整个电池包的绝缘水平

SAEJ和ISO都提及，人体的安全电流，准确说是一般人类不会觉察到的电流等级是直流不大于10mA，交流不大于2mA。折合成绝缘电阻，就是Ω/V和Ω/V。具体到动力电池系统，作为直流系统，要求其正负极输出端对地绝缘电阻大于Ω/V。

动力电池包对地绝缘电阻模型如上图所示。图中的R0、R1、……Rn表示电池包内检测点对地绝缘电阻；V1、V2……Vn表示各个检测点之间的电压；绝缘电阻上流过的电流代表该点对地的漏电流。

运用上面模型，经推导可以得出，如果中间任意一个绝缘电阻的数值远远小于正常值，则电池包总正总负的对地绝缘电阻小于正常值。这个结论，可以作为监测电池包总正总负端子两个点的绝缘情况，代表整个电池包的绝缘情况的理论基础。

电池包正负极对地绝缘电阻的计算方式

这部分在昨天的文章《电动汽车，绝缘检测方法》中有详细介绍，此处不再赘述。

1.3漏电位置定位方法

上面理论基础中描述的方法，只能判断出整个电池包有绝缘问题，却无法指出具体出现问题的位置。作者在上述结论的基础上进一步推导，得出了一个监测电池包内部绝缘详细情形的方法。

依然是前面的模型，计算图中A点位置左侧的全部电阻组成的并联电路的总电阻，推导得出，只要有1个电阻的阻值严重小于正常值，则整个左侧并联电路的总体阻值小于正常值。如果在系统运行过程中，同步采样每个点的对地绝缘电阻，并实时推算每个点左侧的回路总电阻，从左向右，第一次测量到绝缘电阻数值过小的点就是绝缘薄弱点。

基于这种查找绝薄弱点的可能性，可以设定下面的绝缘监测策略。一般状态下，按照普通方式，只实时监测电池包正负端子的绝缘电阻值。一旦发现阻值小于系统设定的下限，报警；并同时开始电池包内每个检测点的同步检测和计算，寻找绝缘薄弱点。直到完成定位，并把具体位置编号上传给控制器。

2绝缘电阻测量准确性

2.1误差分析

上面图中所示，是常用的一种电池包正负极端子对地绝缘电阻测试模型，以此为例分析绝缘电阻测量的误差来源。

图中RC1和RC2是已知阻值的标准电阻，Rp和Rn表示正极和负极对地绝缘电阻。开关S1和S2有闭合和断开两个状态，由此电路可以出现4种不同的连接方式。从中选取2种出来，按照基尔霍夫电流定律列方程组，求解二元一次方程组，得到电池包正极和负极的对地绝缘电阻Rp和Rn。下面表达式，是选择S1和S2全部断开作为状态1，S1闭合、S2断开作为状态2推导出来的表达式：

这个过程中，误差可能的来源主要有三种，一种是标准电阻RC1和RC2的阻值误差，另一种是Up和Un的测量误差；第三种是选取的两种状态下，汽车回路中电流的变化是否会对测量结果产生影响需要作出分析确认。第1、3两项后面详细说明，第2项，关于电压测量，主要考虑电压测量仪器在全量程内的等精度和每个状态全部参数采样的同步性。

2.2标准电阻的影响

根据误差推导结果得出结论，标准电阻的自身精度直接等值带入到绝缘电阻测量误差中，并且，误差的另外一项随着标准电阻与绝缘电阻之间比值的增大而增加。进而得得知，标准电阻自身阻值越小，制造精度越高则绝缘电阻的测量精度越高。由于高压系统的绝缘电阻精度是兆欧级别，标准电阻可以选几百欧姆的电阻，实际上，标准电阻阻值足够小，是影响测量精度的决定性因素。

但从系统绝缘性角度考虑，测量电阻又不能太小，否则，相当于把电源输出端跟壳体短接在了一起。

2.3电流波动对测量误差的影响——为什么必须同步采样

电池包自身可以看做一个纯电阻串联一个电压源的组合模型，其输出的端电压，是电压源电势减去内阻占压后的差值。当回路内电流发生变化时，内阻占压会有所不同，这样就使得，即使电量相同的电池包，电流增大的瞬间，其端电压也会明显下降。

观察绝缘电阻的表达式可以发现，同一个开关状态下测得的电压值，都会同时出现在分子和分母两个位置，如果是回路中相同时刻得到的测量值，则电流波动造成的电压测量变化可以被抵消。这就是为什么要求必须同步采样的原因。

3一种在线绝缘监测系统概述

张向文，在他的文章《电动汽车动力电池绝缘电阻实时在线监测系统》中介绍了一个在线绝缘监测系统的框架。

与绝缘监测相关的硬件模块

绝缘监测系统作为高压安全管理系统的一个组成部分存在。如下图所示，整个系统由绝缘电阻测量电路，主控制器，报警系统，系统触摸屏和手机APP共同组成。

绝缘电阻监测硬件电路示意图如下图所示，用于组成测试回路的标准电阻是R1、R2、R3、R4。K1、K2、K3、K4是继电器，其中K3、K4是双向继电器。通过同时闭合K3、K4，获得一次电池总正总负绝缘电阻的测量值，然后继电器向另一侧闭合，又获得一次测量值，两次测量后，比较总正和总负的绝缘电阻值的大小，检查大小对比关系是否保持一致。如果一致，则选择绝缘测量值小的一侧作为系统对地的绝缘电阻值。

控制器接收电压采样系统上报信息、采集到的电压测量数据，计算系统绝缘电阻，并与预设阈值比较。

与绝缘监测相关的软件模块

软件系统包括主程序、电压检测程序模块、数据处理程序模块、触摸屏触控和显示程序模块、等级报警程序模块、CAN通讯程序模块、安卓手机APP模块。

主程序对各个程序模块初始化和寄存器配置；电压检测模块，采样并收集数据，取几次采样的平均值作为采样结果，在初步比较正负极对地绝缘电阻后，确定为哪一侧配置测量电阻；数据处理模块，处理检测模块传递的数据，以符合向外传递数据的格式要求；报警程序和报警装置，在主控制器对绝缘电阻进行判断以后，如果超过限值，则报警装置执行报警动作；手机APP，驾驶员通过APP可以在上车前看到绝缘监测的结果。

参考资料

1周启晟，电动汽车高压电连接与绝缘状态参数在线监测；

2叶方标，电动汽车绝缘电阻测量及其误差分析；

3张向文，电动汽车动力电池绝缘电阻实时在线监测系统；

4黄勇，电动汽车电气绝缘检测方法的研究；

5赵春明，电动汽车高压电系统状态参数在线监测；

6刘宁，纯电动汽车绝缘故障的诊断及排查；

7刘广敏，电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法研究；

（图片来自互联网公开资料）