电阻绝缘检测中低压脉冲信号注入法的算法改进

模型的有源式动力电池绝缘电阻监测系统，该系统可以有效地解决部分无源式和有源式绝缘检测法无法有 效精确测量同时下降的正负端绝缘电阻与正负端单侧绝缘电阻的问题.此外，通过台架实验验证了该监测系

统的有效性,在改进电动汽车动力电池监测系统方面具有一定的应用价值.关键词：绝缘电阻；信号注入法；绝缘检测中图分类号：TM 83 文献标志码：A DOI： 10.15886/j. cnki. hdxbzkb.2020.0003电动汽车的动力电池的电压普遍高于300 V,必须保证其充分的电气绝缘但是运行在振动、高温、 高湿和电池内部酸碱气体腐蚀等工况环境下的动力电池，其绝缘材料易损坏、绝缘性能加速下降，从而严

重危害驾乘人员的安全⑵.因此有必要对电动汽车动力电池的绝缘性能进行有效的检测.绝缘检测技术 是电动汽车中一项保障驾乘人员安全的非常重要的技术⑶•国家标准规定⑷：电动汽车的绝缘电阻值与 直流电压值的比值不能小于100 Q/V,交流电压值的比值不能小于500 n/v.绝缘检测方法主要的分类是通过判断是否外接电源分为无源式『7〕与有源式29].无源式绝缘检测

技术主要通过改变接入的桥式电阻比,根据测量电压的变化情况来计算绝缘电阻•张向文⑸等人通过控 制开关的通断调节不同的电阻比，该方法的优点可以获得正负端的绝缘电阻值，受高压系统中等效电容

与电感的影响较小，但缺点是无法测量在两端电阻同时下降情况.Han同等人相对于张向文等人的设计增 加了一对分压电阻，优点是改善了开关通断过程中的电池对地的绝缘性能，不足之处仍是无法测量两端

电阻同时下降的情况•张超°〕等人考虑了电驱动系统的绝缘性能，通过开关的切换获得的不同的电压信 号计算有无驱动系统的正负端绝缘电阻，但是该方法同样不能测量两端电阻值同时下降的情况•有源式 绝缘检测技术主要是通过向电动汽车高压系统中注入电压源等信号,通过分析采样的放射信号值分析绝 缘性能，可以有效地克服无源式存在的不能测量正负端绝缘电阻同时下降的情况.TianU〕等人设计了有源

式低压脉冲注入检测绝缘电阻，有效地解决了正负端电阻同时下降而无法测量的问题，但是检测结果为 母线端电阻的并联值，容易造成误报警的情况•员福康凶等人在低压脉冲注入基础上设计新的算法模型，

可以有效地检测动力电池未工作时的绝缘状态,但是并未解决测量值为两端电阻的并联值，容易形成误 报警的问题.陈宁⑼等人同样考虑了电动汽车电驱动交流侧的影响，提高了绝缘监测范围,但是测量值同

样为并联值•除了常用的低压低频有源信号注入方法外,还存在PWM高压注入法与直流电压信号 注入法等[12_13].pwm高压注入对系统容易造成高压冲击，而直流信号注入由于电磁效应存在容易对系统收稿日期：2019 - 09 -15基金项目：海南省重点研发计划项目(ZDYF2018025)作者简介：黄雨龙(1995 -)，男，江西上饶人，海南大学机电工程学院2017级硕士研究生，研究方向:新能源汽

车技术,E-mail: 1030438203 @ qq. com通信作者：陈振斌(1968 -),男，海南海口人，教授，博士生导师，研究方向：新能源汽车技术,E-mail： zhen-

binl208@ hainanu. edu. cn14海南大学学报自然科学版2020 年造成较强的电磁干扰等问题.针对现有的绝缘检测方法存在的一些不足，即部分无源式绝缘检测法不能对同时下降的正负端电阻 进行有效的测量，部分有源式绝缘检测法不能对正负端单侧绝缘电阻进行有效的测量•笔者在正负低压

脉冲信号注入法的基础上，经重新推导后提出了一种新的数学模型，基于改进模型设计了该系统算法模

型，设计了相应控制算法与控制电路，最后通过台架实验设计,验证了所提有源式动力电池绝缘监测系统 的有效性和稳定性及，保证了良好的测量精度，有效的克服了上述检测算法中的问题.1检测电阻绝缘的数学模型将电动汽车的动力电池系统简化为电源与绝缘电阻，绝

缘检测系统简化为信号源与分压等电阻,等效模型如图1所

示.Ub为电压值,为绝缘电阻，乩为接入桥式分压 电阻(其中& =尺2 = R。)，月为采样电阻;S为信号发生器

的电压值(us+,us_分别表示信号正脉冲电压值与负脉冲电

压值,= \":{"h":12.681,"w":15.763,"x":184.35,"y":451.544,"z":77},"ps":{"_scaleX":1.598},"s":{"font-size":"12.693s+ ":{"h":12.719,"w":7.647,"x":217.799,"y":451.513,"z":80},"ps":{"_scaleX":1.803},"t":"word 为信号的差值绝对值)；E为电阻

Rf两端的偏差电压值(Uf+, Uf_分别表示偏差信号的正脉冲

电压值与负脉冲电压值,A® = \":{"h":12.798,"w":14.477,"x":306.375,"y":503.651,"z":103},"ps":{"_scaleX":1.454},"s":{"font-size":"12.811f+-uf_\\为偏差信号的差

值绝对值).当Rp UB.根据基尔霍夫电流定律可得图1动力电池绝缘电阻检测等效模型(1)Ua _Ub-UA UA-US- UbRn ~ RP RfUB ub - UB UA-US- UB ----=--------------+ ----------------------R2 R、 Rf(2)Uf = U「U,_ UbRf ~ Rf ，(3)联立可解⑷(5)其中,儿为正负端母线绝缘电阻的并联值.可视注入信号的过程电池电压U„保持不变，将采集正负脉冲信号Us+与Us_，对应的偏移信号%与Uf_分别代入式(4),得(6)其中，△乞，△匕均为信号差值的绝对值•将式(6)代入到公式(4)和(5),得=5沁1｝见-^｝小.5瓦+场)]

p _ 0. 5UbAUf + NUfUs + NUsUfQ.5U^Uf - ^UfUs - LUsUf '

(7)()当心< Rn且发射信号为负半周期时，此时UA > UB,US =-Us_与Uf =—代入式(7)和(8)得正 负端绝缘电阻分别为=月-△®(0.5他 +%)]

p ~ 0. 5UbNUf - AUfUs_ + NUsUf_(9)第1期黄雨龙等:电阻绝缘检测中低压脉冲信号注入法的算法改进=El'UR- \\Uf(0.5R° +即］

15\"-0. 5UbAUf + LUfUs_ - LUsUf_ '(10)当尽，＞ 且发射信号为正半周期时,此时匕＜ UB,US = us+与uf =-乞+代入公式(7)和(8)得正负端绝缘电阻分别为=乞［AS马-厶屮a 5他+阳］

-_ 0.5U&UfZfU,+ - NU,Uf+ '=lh2U,Rf- NUf0 5R。+符)］

(11)” _ 0.5皿匕 _△©［/,+ +M存.(12)当尽，=Rn时，由式(6)可得正负端绝缘电阻为

RP = Rn = 2［卷月-(0- 5R0 + 月)j，(13)2电阻绝缘监测系统设计Wang［14］等人设计的绝缘检测数学模型考虑了电池组中各个单体电池与电阻的关系,但是并没有对

单体单池电阻的绝缘故障考虑进检测模型，只能判断一侧故障绝缘故障，因此该数学模型判定类型单一， 不具有普遍性• Song［15］等人同样考虑了单池电池与电阻的关联，但是假设绝缘故障只发生在两端，数学模

型同样是检测一侧故障,不具有普遍性•王泽京「如等人设计的无源式外接电阻切换法的数学模型优点是

能够测出单侧的电阻值,但是外接电阻的通断会降低动力电池的绝缘性W.Yang［17-18］等人利用电池SOC

估计建立数学模型判定电池外部短路.Zhang［19-20］等人利用电池SOC估计建立数学模型判定电池内部短 路•上述设计的数学模型只能测量单体电池,或者少量的单体电池组合，无法测试动力电池组的绝缘性

能•考虑到上述情况，本文改进的绝缘电阻数学模型最大的优点就是可以测量任何故障类型时的单侧电

阻值，实现更加精确的判断动力电池组的绝缘情况•新的数学模型的应用对保障汽车安全具有重要的意 义•但是不足处在对动力电池电压值的稳定性,信号采集的精度要求较高，抗干扰能力要求较高,会给计

算精度带来一定的影响.基于上述数学模型设计绝缘电阻监测系统，该系统需要完成的主要功能有低压脉冲信号Us发生与

采样、偏差信号Uf的采样、动力电池电压值信号u„的采样、采样信号的滤波调理、计算绝缘电阻值、绝缘

性能判断与故障报警和CAN通信传输等•根据系统功能,采用仿真软件设计了相应控制算法，并完成了硬 件电路模块的开发.2.1控制算法软件设计本文提出的有源式动力电池绝缘电阻监测系统的控制算法用于对电阻绝缘性

能的评估判断是否发生故障，并控制报警信号等，控制逻辑由相关仿真软件建模验证,其流程图如图2所

示•采集正负脉冲压值阶段的信号US+,US-，对应的偏差信号Uf+,Uf_.由于硬件电路的作用，控制器接口 端采集的信号为非负值,存在一个基准偏移量•采集的信号压值需要减去相应的基准偏移量以获得差值,

该差值再除以相应的放大系数得到的才是真实的信号量•通过比较偏差信号值的Uf+,Uf_真实信号量的 大小，选用不同的计算模型计算出较为准确的正负端绝缘电阻值坷凡该计算得到电阻值尽与报警 值比较，判定此时电动汽车的绝缘性能，并根据该判定情况发出相应的执行指令.CAN总线实时将监测系

统得到的绝缘情况上传到车载终端,提醒驾驶员关注车辆的绝缘情况.2.2硬件电路模块设计为了满足系统功能设计要求，降低硬件电路误差带来的干扰，该系统硬件电路

部分采用模块化设计•硬件结构图如图3所示,主要有信号发生模块、偏差信号采样模块、动力电池电压

采样模块、信号滤波调理模块、主控模块、故障报警模块、CAN通信模块和系统工作电源模块等.在图3中主控模块用于控制信号的发生和滤波，根据采样的信号计算出绝缘阻值并判断绝缘性能，

依据判定的绝缘性能控制故障报警模块的工作•信号产生模块根据主控模块的指令交替接入±40 V的电

压，形成所需的低频低压脉冲信号并将该信号发送到动力电池系统中.信号滤波调理模块的作用是对

16海南大学学报自然科学版2020 年E信号与乞信号进行反向、滤波与放大等•偏差信号采样模块通过主控模块的指令采集周期内偏差信号 Uf.动力电池电压采集模块的作用是对动力电池电压值Uh进行降压、滤波与采样•系统工作电源模块的

作用是将外部12 V供电电压进行稳压滤波，将12 V电压转换为±40 V与5 V等待用电压值.故障报警模 块根据主控模块发送的控制指令以不同的频率闪烁报警灯或者切断动力电池供能系统;CAN通信模块将

电源电压值、正负端绝缘性能中最低的电阻值和故障类型码编组发送给车载终端显示.此外，图3中虚线为控制信号流,细实线为数据信号流,粗实线为电信号流.动力电池| 电压采样:模块1信号滤波］U,+调理模块丨U”.............f..........

U.信号产生I

模块J图2控制算法流程图图3绝缘监测系统硬件结构图3台架实验验证为了验证上述绝缘电阻检测算法的可行性及检测精度的准 确性,搭建测试台架•如图4所示.该实验台架主要由电池包、正

屯

池

负端绝缘电阻箱、稳压电源、绝缘监测系统板、下载线和CAN总 包总线与电脑连接线等组成.国家标准规定⑷：电动汽车的动力电池的绝缘电阻值与直流 电压值的比值不能小于100 O/V.为了保证电动汽车拥有较大的

续航里程,电动汽车的动力电池的电压普遍高于300 V,在保证充

分的冗余度的前提下，设定绝缘电阻一级报警值为100 kfl,二级 报警值为300 kQ.测试电池包标定为72 V,校准真实值为80 V.

绝缘监测系统下找线与1.W台架测试参数及等效绝缘电阻，如表1所示.表1台架测试参数图4试验台架模型参数数值乞/v80K/vF/HzR2/^Q,Rf/kQ一级报警/kfl100二级报警/kfl300400.12 4002 40027在台架实验测试过程中，通过调节正负端电阻箱的电阻值模拟出现不同的绝缘情况.实验测试分为5

组，分别是:第1组正负端绝缘性能正常且电阻值相等;第2组正端绝缘性能有所下降但是绝缘良好，负端

第1期黄雨龙等:电阻绝缘检测中低压脉冲信号注入法的算法改进17发生二级绝缘故障;第3组正负端同时发生二级绝缘故障;第4组正端绝缘发生一级绝缘故障，负端发生 二级绝缘故障;第5组正负端同时发生一级绝缘故障.在进行分组测试的同时,记录由CAN总线传递到

PC终端的监测系统测量的正负端绝缘性能最差的电阻值数据•重复3次该实验，对实验数据进行整理分

析结果如表2所示.表2台架测试结果等效绝缘电阻值/kO 测试电阻分组测试--------------------------------------------------------------------------------正端 负端 平均值/kfl 标准差/kfl 平均值误差/%11 0001 0003003003009917.140.92600300

2965.396.936.741.333429496932410010051005.977其中第1、2组实时测试数据如图5、图6所示,其中误差值为误差平均值.通过台架测试结果可知，由测量电阻平均值小于设定的电阻值，并且存在10 kQ左右测量偏差.测量 误差随着RP与R”的降低而增大.当%=R”时，此时流过Rf上的电流主要由于Us流过.监测系统采集的

S较小，干扰作用较大,对采样精度影响较大，造成最终的测量结果波动较大•随着心与亿降低,采样的

0增大，波动较小•当R严R”时,此时流过场上的电流主要由U„与［/.,叠加流过.监测系统采集的®较

大,干扰作用较小，有利于最终的测量结果•当R„>Rn时,采集的乞+ >4一；当R”乞一 •文献［9 ］使用的在逆变器不工作时的数学模型的实验测量结果为绝缘电阻并联值心,对系统的实际

绝缘电阻的会存在一定的误差，但是由于采集的是分压电阻上的电压值较大，抗干扰能力较强对测量的 结果有利.文献［14 _ 15 ］在数学模型分析中已经提到由于实验过程将良好电阻侧断路，采集鸟上S值较

大,有利于抗干扰，实验测量结果较稳定,但是在实际过程中绝缘性能良好的一侧对测量的影响是不能忽

略的•文献［16］中的外接电阻切换法的实验测量结果较稳定，但是缺乏其他绝缘情况的实验数据.实验模拟的不同的绝缘情况测得的平均电阻值小于实际值，造成此现象的原因是电路板温度对电路

中的电容电阻的影响较大,并且由于选型的单片机无法进行类似于卡尔曼等较为复杂的滤波算法，使采 集的偏差信号Uf干扰较多，测量结果波动较大•综合分析，测量结果验证了基于正负低压脉冲信号注入法

的改进计算模型的可行性，基于该改进算法的绝缘监测系统的平均检测误差在5%左右，精度满足要求.18海南大学学报自然科学版2020 年4结束语在现有的低压低频脉冲信号注入法的基础上,提出了一种改进的算法模型，并基于改进算法设计了 一种有源式动力电池绝缘监测系统•该系统比较采样得到的反射信号值，选用不同的计算模型计算绝缘

电阻值.通过台架试验结果与分析，验证了改进算法模型的可行性和正确性，并且验证了运用该算法的绝 缘监测系统的平均测量误差量在5%左右，具有较高的测量灵敏度与精度，有效地解决了部分无源式绝缘 检测方法无法有效测量同时下降的正负端绝缘电阻与正负端单侧绝缘电阻问题，可以实时监测动力电池

绝缘性能，较高的稳定性和良好的应用前景•下一步工作将考虑对单片机进行升级,使用更为合适的滤波 算法的同时考虑温度等因素对监测系统的影响，进一步提高测量的精确性与稳定性.参考文献：[1 ] Tian J, Wang Y, Yang D, et al. A real-time insulation detection method for battery packs used in electric vehicles [ J]. Jour­

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Signal Injection Method for Resistance Insulation DetectionHuang Yulong1 , Chen Zhenbin1 , Cui Xiangyu2, Pang Zhao Wen1 , Cui Weiya1(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University, Haikou 570228 , China；2. Ningbo Huifeng Juwei Technology Co. Ltd. , Ningbo 315191, China)Abstract: In the report, based on the active low-voltage pulse signal injection method, the mathematical calcula­

tion model of insulation resistance was re-derived, and which was used to design an active power battery insula­tion resistance monitoring system. The system can solve effectively the problems that some methods cannot accu­rately measure simultaneous decrease of the insulation resistance of the positive and negative terminals and posi­tive and negative unilateral insulation resistance. Additionally, the effectiveness of the mon让oring system was verified by bench experiments, which has certain application values in improving electric vehicle power battery

monitoring system.Keywords ： insulation resistance ； signal injection method ； insulation detection