2024年3月31日发(作者:2021口碑最好的家用两厢车)

新能源技术. 

电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法研究★ 

刘广敏乔 昕 张晓鹏 

f山东省汽车电子技术重点实验室山东省科学院自动化研究所) 

【摘要】提出了一种电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法,介绍了该检测方法的测量原理及检测装置的 

硬件电路设计和软件设计流程。该方法采用国标规定的测量方案,采用光电MOSFET开关、分压电阻及高共模电压 

差分运放进行在线绝缘检测。测试结果表明,该方法可准确检测各种情况下锂电池的绝缘电阻,满足了电动汽车在 

线实时检测需求。 

主题词:电动汽车动力锂电池绝缘电阻在线检测 

中图分类号:U463.63+3文献标识码:A文章编号:1000—3703(2013)1 1-0051—04 

Research on Online Isolation Resistance Inspection Method for Power 

Battery of Electric Vehicle 

Hu Guangmin,Qiao Xin,Zhang Xiaopeng 

(Institute of Automatic,Shandong Academy of Science) 

【Abstract]An online isolation resistance inspection method for power battery of electirc vehicle is presented in this 

paper.The principle of measurement of this inspection method and hardware circuit design and software design flow of this 

inspection device are introduced.This method adopts measurement schemes speciifed by international standard with 

photoelectric MOSFET switches,the voltage of resistors is ampliifed by the common-mode voltage diferential operational 

ampliifers.The test results show that,the device can detect the insulation resistance of lithium battery under various 

conditions,meet hte demand of real—time online testing of electirc vehicle. 

Key words:Electric vehicle,Power lithium battery,Isolation resistance,Online inspection 

1前言 

2种.一是采用信号注入的方法进行测量is,61.另外 

种方法是采用外接电阻切换测量[4,7-91 信号注入 

随着能源和环保问题的日益突出.车辆的电动 的方法是指对电动汽车的电池系统注入一定频率 

化已经成为必然趋势 电动汽车无论使用车载蓄电 

的直流电压信号.通过测量反馈的直流信号计算绝 

池、燃料电池还是超级电容,其直流电压已超过人体 

缘电阻 这种信号对整个电池系统会产生纹波干 

所能承受的范围.有的电池电压甚至达到600 V『l121。 

扰.影响系统的正常工作。而现有的外接电阻切换 

在如此高压条件下.及时准确地检测到电动汽车的 的绝缘电阻测量方法检测精度较低.同时因长时间 

动力电池发生漏电或人员触电造成的绝缘性能下降 接入测量电阻.所以降低了系统的绝缘性能.增加 

非常必要 GB/T 18 384.1中规定了电动汽车动力电 

了电池功耗 为此.根据现有的外接电阻切换测量 

池电压超过交流25 V或直流60 V时必须检测动力 

方法。提出了一种采用光电MOSFET开关、分压电 

电池的绝缘电阻.当绝缘电阻降低到标准以下时必 阻及高共模电压差分运放,且成本低、功耗小、性能 

须及时报警以及采取必要的保护措施13一。本文设计 安全的在线绝缘检测方法 

了一种电动汽车动力锂电池在线绝缘检测方法。 

3动力锂电池绝缘电阻测量原理 

2蓄电池在线绝缘电阻检测方法 

GB/T 18 384.1—20O1中将动力蓄电池绝缘电 

目前.我国对电动汽车绝缘电阻的检测方法有 阻定义为“如果动力蓄电池与地之间的某一点短路. 

基金项目:国家科技重大专项课题项目支持(项目编号:2011ZX02504—007);“十二五”国家863电动汽车重大专项项目支持 

(项目编号:2011AA11A218)。 

2013年第11期 一51— 

新能源技术? 

最大(最坏情况下)的泄漏电流所对应的电阻”。绝 

缘电阻分为绝缘电阻无限大、绝缘电阻为零、绝缘电 

阻为某一值等3种情况。GB/T 18384.1—2001中规 

定动力蓄电池绝缘电阻最小值为100 Q/V.安全值 

为100~500 Q/v【1Jc 

实际上.动力蓄电池的正负两端子对底盘的绝 

/●0 

缘电阻是有限的,利用图1和图2的电路模型可推 

导出绝缘电阻计算公式 

/_ @__\ 

图1动力蓄电池与底盘之间的绝缘电阻模型 

图2动力蓄电池和底盘之间增加某一电阻的模型 

通常动力蓄电池 (图1)正端对底盘绝缘电阻 

Ril与动力蓄电池负端对底盘绝缘电阻Ri2是不相等 

的.特别是有漏电的情况下。因为Ril和Ri2串接在电 

路中.较小的电阻会允许较大的电流流过动力蓄电池 

另一端与底盘相接的外部电路.因此动力蓄电池的绝 

缘电阻等于Ril或Ri2中较小者。采用内阻大于10M 

的电压表。按图l所示模型测量动力蓄电池正、负端 

对底盘的电压 l和 2,即为动力蓄电池正、负端对 

底盘绝缘电阻串联在动力蓄电池 中分压后得到的 

电压。假设电压表的内阻足够大可忽略,此时应有: 

Vb=VI+V2 (1) 

V1=雨R甬il ×Vb (2) 

V2=面R甬i2 ×Vb (3) 

测量得到的 1和V2有2种情况: 1≥V2或 

VI<V2。 

当 1≥ 2时.在动力蓄电池的正端与底盘之 

间插入1个已知阻值的电阻R0(R0为按照国标规 

定的安全域值100~500 V计算的标准电阻),然后 

测量电阻RO两端电压.得 3值。假设电压表的内 

阻足够大可忽略.此时应有: 

3=而R Of Ril× (4) 

52一 

经推导得: 

Ri2= ×RO×(1+ ) (5) 

当VI<V2时.也在动力蓄电池的负端与底盘之 

间插入电阻R0,然后再次测量电阻尺0上的电压, 

得',4值 

经推导得: 

Ril= V2- V4

×R0×(1+ ) (6) 

4在线绝缘电阻检测装置设计 

电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测方法设 

计方案采用GB/T 18384.1—2001中规定的测量方 

案。国标中规定的测量步骤为:第1步测量动力锂 

电池正、负两端对底盘的电压,找到较小的绝缘电 

阻:第2步是在具有较大绝缘电阻的动力锂电池的 

端对底盘并联1个标准电阻R0.并重新测量R0 

两端电压:第3步是计算绝缘电阻,并判断绝缘电阻 

是否危及人身安全.以及采取相应的措施。 

4.1在线绝缘电阻检测硬件电路设计 

电动汽车动力锂电池在线绝缘电阻检测硬件电 

路设计框图如图3所示 

图3在线绝缘电阻检测装置硬件电路设计框图 

在线绝缘电阻检测硬件电路设计分为电压分压 

测量电路和采样计算电路2部分。电阻分压测量电 

路采用模拟分立电路设计.按GB/T 18384.1—2001 

的测量要求,控制MCU采样动力电池正、负两端对 

底盘的电压.及在并联电阻R0的情况下测量动力 

电池两端对底盘的电压。图3中的K1、K2、K3、 

为高压开关,并采用光电隔离、高阻断电阻低导通电 

阻的光电继电器AQW224.运算放大器采用高共模 

电压的差分运算放大器。 

高压开关K1与电阻 1、R2、R3串联组成动力锂 

电池正端对底盘的电压测量电路,R1、R2、R3串联电 

阻值为10.11 Mf ̄(((GBiT 18384.1》规定电压表内阻大 

于10MQ) 当需要采样时,MCU控制高压开关K1闭 

汽车技术 

新能源技术. 

合.采用电阻分压后经过高共模电压差分运算放大器 

将电池正端对底盘的电压采样放大,得到端电压 1。 

高压开关K2与电阻R4、R5、R6串联组成动力锂 

电池负端对底盘的电压测量电路,测量过程同动力电 

池正端对底盘的电压测量过程.得到端电压为V2。 

高压开关K3与电阻R011、R012、R013串联组 

成动力蓄电池正端对底盘的电压测量电路。图3中 

R011、R012、RO13串联组成电阻R0,阻值为30.3 

KQ。当需要采样时.MCU控制高压开关K3闭合,采 

用电阻分压后经过高共模电压差分运算放大器将电 

阻R0对底盘的电压采样放大.得到端电压 3。 

高压开关K4与电阻R021、R022、R023串联组 

成动力蓄电池负端对底盘并联标准已知电阻R0的 

电压测量电路.测量过程同动力蓄电池正端对底盘 

并联电阻R0的电压测量,得到端电压 4。 

在电压分压测量电路反压采样得到电压后.由 

A/D转换器将模拟电压转换为总线式的数字电压.经 

过总线隔离器后到MCU,MCU按式(5)和式(6)即可 

计算出绝缘电阻。高压开关部分采用光电隔离控制, 

A/D采样部分也采用了数字隔离.因此MCU测量电 

路部分与高压动力蓄电池实现了完全的电气隔离 

4.2在线绝缘检测软件测量流程 

系统软件部分采用C语言开发.主要包括绝缘检 

测部分和通信部分.绝缘检测部分流程如图4所示。 

图4绝缘检测部分流程 

2013年第11期 

5测试结果及误差分析 

为测试在线绝缘电阻检测方法的性能.在试验 

室搭建了模拟试验台.如图5所示。试验中的电池组 

采用三元材料60V/2A锂电池组,底盘采用1块金 

属板模拟,电池正、负两端对底盘并联精度为5%的 

可调电位器电阻.调节不同阻值模拟不同情况下的 

绝缘电阻状况.采用在线绝缘电阻检测装置进行测 

量.测量结果通过计算机显示。 

图5绝缘电阻检测模拟试验不意 

分3种情况进行试验:电池正端对底盘绝缘电 

阻为安全值.电池负端对底盘绝缘电阻从大到小逐 

渐变化.选取数个点测量绝缘电阻值:电池负端对底 

盘绝缘电阻为安全值.电池正端对底盘绝缘电阻从 

大到小逐渐变化,选取数个点测量绝缘电阻值:电池 

正、负端对底盘绝缘电阻都小于安全值.两侧绝缘电 

阻在安全值附近从大到小逐渐变化.选取数个点测 

量绝缘电阻值。测量时。系统先断电,采用FLUKE 

17B型万用表测量绝缘电阻值并记录.系统上电.采 

用在线绝缘电阻检测装置进行测量.并记录测量结 

果 对试验结果计算绝对误差和百分比误差并选取 

典型值.如表1所列 

表1绝缘电阻试验室测试结果 

序号 端并联 

电池正 

端并联 

电池负 测量绝 

缘电阻 绝对 百分比 

电阻/KQ 电阻/KQ /Kn 误差/Kit 误差/% 

1 1 826 507 489.00 —17.00 -3-35 

2 1 826 139.5 136.01 -3.49 -2.50 

3 1 826 23.48 22.95 -0.53 -2.26 

4 507 1 826 490.70 一l6-31 -3.22 

5 139.5 1 826 136.67 —3.83 -2.75 

6 23.48 1 826 22.87 -0.61 -2.60 

7 1 808 1 744.2O -63.80 -3.53 

8 1 808 1 738.78 -69.22 —3.83 

9 514 23.49 219.71 -0.52 -2.31 

10 23.49 514 220-32 -0.46 —2.03 

从表1可知.采用在线绝缘电阻检测方法对试 

验设计的3种情况下的绝缘电阻进行测量.均可检测 

出绝缘电阻的具体数值,测量误差在5%范围内,可 

满足电动汽车动力蓄电池的绝缘检测要求。但是所 

得到的绝缘电阻数值均偏低.说明零点选取的不是 

53— 

?

新能源技术. 

2赵春明.吴志新.马宁.等.电动汽车高压电系统状态参数 

很准确,还有改进的空间。通过提高AD采样精度可 

进一步提高所设计的在线绝缘检测方法的测量精度。 

在线监测.吉林大学学报(工学版),2007,37(1):37 42. 

3周雅夫.连静.李启迪.ISG混合动力电动汽车控制策略研 

6结束语 

设计了一种实用的电动汽车动力蓄电池在线绝 

究.仪器仪表学报,2009,30(6):1164~1168. 

4吴振军.王丽芳.电动汽车智能在线绝缘检测装置的研究. 

低压电器,2007,37(5):20~22 

5王嘉悦,张维戈.温家鹏,等.电动汽车有源式绝缘监测方 

法研究.电测与仪表,2011(5):6 ̄9. 

缘检测方法,无需电压电流传感器.只需要光电 

MOSFET开关、分压电阻及高共模电压差分运放.成 

本低。因采用光电开关.并联电阻在测量时才接入 

电池正、负两端,所以降低了电池功耗,同时避免了 

长时间电阻接人造成的绝缘电阻下降带来的漏电危 

害。实现了测量装置和动力蓄电池的电气隔离.安 

6郭宏榆,姜久春,温家鹏,等.新型电动汽车绝缘检测方法 

研究.电子测量与仪器学报,2011(3):253~257. 

7李景新,樊彦强,姜久春,等.电动汽车绝缘电阻在线检测 

方法.汽车工程,2006,28(10):884~887. 

8陈志强.宋凡峰.刘畅.一种新颖的直流系统在线绝缘检测 

方法.电工电气.2009(6):40 42. 

9王友仁.崔江.刘新峰.直流系统在线绝缘检测技术研究. 

全性能高。测试结果表明,该在线绝缘检测方法能 

准确地检测各种情况下蓄电池的绝缘电阻.可满足 

电动汽车在线实时检测需求 

参 考 文 献 

仪器仪表学报.2005.26(8):849 852. 

1黄勇.陈世全.陈伏虎.电动汽车电气绝缘检测方法的研 

究.仪表仪器与检测,2005(4):93 95. 

(上接第50页) 

(责任编辑

修改稿收到日期为2013年6月26日 

文楫) 

升高率随DME预混比r的增加先增大后减小再增 

大:放热率曲线由两阶段放热发展到3阶段发热.且 

机缸内压力升高率曲线和放热率曲线均呈现3个波 

峰,均分别由DME预混气低温HCCI燃烧、高温 

HCCI燃烧和柴油燃料扩散燃烧引起。在此工况下, 

放热率曲线随DME预混比r的增加而整体前移 

b.当n=2 100r/min、T ̄=80N?in、DME预混比为30% 

时.进气预混发动机缸内压力升高率曲线呈现3个波 

峰.放热率曲线呈现3阶段放热:随着冷EGR率的增 

加.进气预混发动机缸内最高燃烧压力和最高燃烧温 

随着冷EGR率的增加.发动机缸内压力升高率曲线 

和放热率曲线的3个波峰的峰值均呈下降趋势.且 

波峰出现的位置逐渐后移 

。 

图6~图9中曲线峰值逐渐降低且出现峰值的 

位置逐渐后移的原因:当每循环进入气缸的均质 

DME预混气量不变时.随着冷EGR率的增大.冷 

EGR中比热容较大的CO,和H,O等多原子分子浓 

度逐渐增大.使混合气的比热容逐渐增大.压缩过程 

的压力和平均温度降低.导致缸内燃烧反应速度变 

慢,燃料的滞燃期延长:另外,引入进气道的冷EGR 

度均逐渐下降.且缸内压力和温度迅速升高的起点相 

应后移:压力升高率曲线和放热率曲线的各阶段峰值 

都逐渐降低,且出现的位置也都逐渐后移。 

参考文 献 

1 Youngsoo Park,Choongsik Bae.Influence of EGR and Pilot 

Injection on PCCI Combustion in a Single—Cy1inder Diesel 

Engine.SAE Paper.201 1-01—1823. 

2 Can Cinar,Ozer Can,Fatih Sahin.Effects of premixed diethyl 

挤占了进气中空气的空间及其对空气的稀释作用. 

使得发动机缸内氧气的浓度随着冷EGR率的增大 

而不断下降.导致燃料氧化反应速度变慢且不完全. 

ether(DEE)on combustion and exhaust emissions in a 

HCCI-DI diesel engine.Applied Thermal Engineering, 

而且EGR中的CO 、NO和H O等成分使得燃料氧 

化反应的生成物浓度增加.氧化与裂解等正反应速 

度降低.逆反应速度增加.也使缸内燃烧反应速度变 

慢.燃料的滞燃期延长 

2010,30(4):360 ̄365. 。 

3 Zheng Z,Yao M,Chen Z.Experimental Study on HCCI 

Combustion of Dimethyl Ether(DME)/Methanol Dual Fue1. 

SAE Paper.2004一O1—2993. 

4 Ma Jj,LtiXe,Ji Lb.An experimental study of HCCI—DI 

4结束语 

a.

combustion and emissions in a diesel engine with dual fue1. 

International Journal of Thermal Sciences,2008,47(9): 

当n=l 700 r/min、 =40 N-m、供油提前角为 

1235~1242. 

上止点前lO。时,随DME预混比r的增大,进气预 

混发动机缸内压力和温度迅速升高的起点逐渐提 

前,最高爆发压力和最高燃烧温度逐渐增大;压力升 

高率曲线从两个波峰发展成3个波峰.且最大压力 

5汪映.不同参数对PCCI—DI发动机燃烧压力和温度影响 

的数值模拟研究.内燃机.2011(1):6~9. 

(责任编辑

修改稿收到日期为2013年4月1日。 

汽车技术 

晨曦) 

54一 

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