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

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(R_{11},R_{12}R_{21},R_{22})的线路上分别加入电子开关 Kp Kn,系统通过调节电子开关 KpKn 的开合顺序来控制偏置电阻R_{11},R_{12}R_{21},R_{22}是否接入,计算出“电池正极对地(汽车车架)的绝缘电阻R_{p}”和“电池负极对地(汽车车架)的绝缘电阻R_{n}”。

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:R_{11},R_{21}的阻值一般在2MΩ左右,R_{12},R_{22}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R_{12}R_{22}的对应分压U_{sp}U_{sn}

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i_{1}i_{2}表示,流过R_{p}的电流用i_{3}表示,流过R_{12}的电流用i_{4}表示。动力电池正极对地的电压用U_{b+}表示,动力电池负极对地的用U_{b-},此时测得动力电池的总电压用U_{bp};

通过相关的电路知识可以知晓:
 

 i_{4} = \frac{U_{sp}}{R_{12}}                                                            (1)     

U_{b+} = U_{sp} + R_{11} \times i_{4} = U_{sp}(1 + \frac{R_{11}}{R_{12}})     (2)    

i_{3} = \frac{U_{b+}}{R_{p}}                                                             (3)  

则动力电池正极流出的电流为:

i_{1} = i_{3} + i_{4} = \frac{U_{b+}}{R_{p}} + \frac{U_{sp}}{R_{12}} = U_{sp}(\frac{1}{R_{p}} + \frac{R_{11}}{R_{P}*R_{12}} + \frac{1}{R_{12}})    

又因i_{1} + i_{2} = 0  和 U_{b+} + U_{b-} = U_{bp},故可得

U_{b-} = R_{n} * i_{2} = -R_{n} * i_{1} = -R_{n} *U_{sp}(\frac{1}{R_{p}} + \frac{R_{11}}{R_{P}*R_{12}} + \frac{1}{R_{12}})                (4)

U_{b-} = U_{bp} - U_{b+} = U_{bp} - U_{sp}(1 + \frac{R_{11}}{R_{12}})                                                               (5)

由(4)和(5)联立可以得到以下等式:

U_{sp}(R_{11} + R_{12}) - U_{bp} * R_{12} = R_{n} *U_{sp}(\frac{R_{11} + R_{12} + R_{p}}{R_{p}} )                              (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U_{bn}。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

U_{sn}(R_{21} + R_{22}) - U_{bn} * R_{22} = R_{p} *U_{sn}(\frac{R_{21} + R_{22} + R_{n}}{R_{n}} )                            (7)

三、绝缘电阻计算

联立公式(6)和(7)可以得到两个关于R_{p}R_{n}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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