不平衡桥法检测新能源电动汽车绝缘以及绝缘电阻推导计算

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绝缘电阻值是判断电气系统绝缘性能好坏的标准,而对于电动汽车而言,检测电动汽车动力电池组的正/负极母线分别对地(汽车车架)的绝缘电阻值是很重要的。

电动汽车安全要求“GB/T 18384.1-2015” 中要求

对于没有嵌入在一个完整的电路里REESS(可充电储能系统 Rechargeable Energy Storage System),如果在整个寿命期内没有交流电路,或交流电路有附加防护,其绝缘电阻Ri除以它的最大工作电压,应不小于100Ω/V;如果包括交流电路且没有附加防护,则此值应不小于500Ω/V。如果REESS集成在一个完整的电路里,可能需要一个更高的REESS阻值。

新能源电动汽车中常见的不平衡桥检测绝缘电阻:

不平衡桥法的检测原理:在两条偏置电阻(R11,R12和R21,R22)的线路上分别加入电子开关 Kp 和 Kn,系统通过调节电子开关 Kp和Kn 的开合顺序来控制偏置电阻R11,R12和R21,R22是否接入,计算出“电池正极对地(汽车车架)的绝缘电阻Rp”和“电池负极对地(汽车车架)的绝缘电阻Rn”。

下图是“不平衡桥的检测原理图”,其中“桥臂采样电阻”一般是高精度MELF电阻或者厚膜电阻:R11,R21的阻值一般在2MΩ左右,R12,R22阻值一般在10KΩ左右;“桥臂开关Kp和Kn”一般是光控MOS继电器(例如AQV258)。通过AD装换电路将R12和R22电压输入给单片机,计算出R12和R22的对应分压Usp和Usn。

一、测量上桥臂(电池正极对地)采样点的电压信号

光控MOS继电器Kp闭合,Kn断开,选取地(汽车车架)为参考点,动力电池正负极流出和流入的电流,分别用i1和i2表示,流过Rp的电流用i3表示,流过R12的电流用i4表示。动力电池正极对地的电压用Ub+表示,动力电池负极对地的用Ub-,此时测得动力电池的总电压用Ubp.

通过相关的电路知识可以知晓:

i4=Usp/R12 (1)

Ub+=Usp+R11×i4=Usp(1+(R11/R12)) (2)

i3=Ub+/Rp (3)

则动力电池正极流出的电流为:

i1=i3+i4=Ub+/Rp+Usp/R12=Usp(1/Rp+R11/(RP∗R12)+1/R12)

又因 i1+i2=0 和 Ub++Ub−=Ubp ,故可得

Ub−=Rn∗i2=−Rn∗i1=−Rn∗Usp(1/Rp+R11/(RP∗R12)+1/R12) (4)Ub−=Ubp−Ub+=Ubp−Usp(1+R11/R12) (5)

由(4)和(5)联立可以得到以下等式:

Usp(R11+R12)−Ubp∗R12=Rn∗Usp((R11+R12+Rp)/Rp) (6)

二、测量下桥臂(电池负极对地)采样点的电压信号

光控MOS继电器Kp断开,Kn闭合,选取地(汽车车架)为参考点,,此时测得动力电池的总电压用Ubn。与“一、测量上桥臂(电池正极对地)采样点的电压信号”同理可得

Usn(R21+R22)−Ubn∗R22=Rp∗Usn((R21+R22+Rn)/Rn) (7)

三、绝缘电阻计算

联立公式(6)和(7)可以得到两个关于 Rp 和 Rn 的等式,从而求解出“电池正极对地(汽车车架)的绝缘电阻”和“电池负极对地(汽车车架)的绝缘电阻

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