一种纯电动汽车电池绝缘检测系统设计.docx
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一种纯电动汽车电池绝缘检测系统设计
一种纯电动汽车电池绝缘检测系统的设计
摘要：
电能是一种清洁能源，电动汽车则是一种清洁的代步工具。
在许多城市，纯电动汽车已经非常普及。
纯电动汽车不会排放尾气，产生噪音。
诚然，纯电动汽车具有便捷环保的特性。
不过，纯电动汽车也存在一些弊端。
它的车载电瓶由多节小电池串联而成，电瓶电压非常高。
这种非常大的工作电压需要车子车底盘和车子电瓶之间具有非常优良的绝缘性能。
不过由于车子使用时间的上升，乘客的不正确使用，以及水汽的侵蚀、车体本身的逐步老化等各因素都可能引发电气事故。
如果绝缘电阻降低到一个临界值，就很可能使得电瓶正、负极母线和车底盘构造出一个通过漏电流的回路。
这不单单会干扰车子电器系统的正常运行，甚至可能对乘客造成人身伤害。
因此必须研究出一种可以实现实时在线监测车子本身的电瓶对车子底部的绝缘性能监测装置。
这对于及时发现电气故障，保障车子的正常运行和保障乘客的人身安全意义非凡。
本文的设计灵感来源于当下普及快速的传感技术和物联网思想。
本检测系统主要采用的是STC公司制做的低功耗微处理器。
通过该处理器控制继电器的开断实现分别检测电瓶正负极的漏电流，把信号滤波后，放大，送至处理器，同时使用液晶LCD1602进行数据的显示，再将采集到数据记录使用CAN无线模块进行传讯。
由于电源供电的需要，本设计使用TI公司的专门的稳压芯片。
在主控功能上，采用超低功耗的STC15F2K60S2_PLCC44实现环保节能。
关键词：
绝缘检测；纯电动汽车；漏电流；超低能耗
Andesignofelectricvehiclebatteryinsulationdetectionsystem
Abstract:
Electricenergyisaverygoodcleanenergy.Electriccarisaveryconvenientmeansoftransportation..Inmanyplaces,theuseofelectriccarsisverywide,andthespeedofpenetrationisincreasing.Although,theuseofelectriccarsisnotonlyconvenientandenvironmentallyfriendly.Buttherearesomedisadvantagesoftheelectriccaritself.Safetyproblemsofelectricvehiclesmayaffectthesafetyofpassengers.Thecarbatteryoftheelectricvehicleisconnectedinseriesthroughalotofleadbatteries,whichcausethevoltageofthebatteryisveryhigh.Duetothishighvoltage,theinsulationofthebatteryandthechassisofthevehiclemustbekeptwell.Butwiththeagingofthecar,thewrongoperationofpassengers,aswellastheerosionofwatervaporandotherfactorscanleadtoinsulationfailure.Whentheinsulationperformanceisreducedtoathreshold,itwillmakeapointonthebatterydamage.Mayalsocauseseriousconsequencessuchasfireandexplosion.Therefore,itisnecessarytodevelopakindofinsulationdetectionsystemthatcandetecttheleakagecurrent.Thesystemneedstobeonlinemonitoring,andcanbefoundinatimelymanner.Thisresearchisofgreatsignificancetoensurethesafetyofpassengers.ThedesigninspirationofthispapercomesfromtherapiddevelopmentofsensortechnologyandInternetofthings.ThedetectionsystemismainlyusedSTCcompanytodothelowpowerprocessor.Theleakagecurrentofthepositiveandnegativeelectrodeofthebatteryarerespectivelydetectedbytheon-offofthesinglechipmicrocomputercontrolrelay.Thesignalfilteredamplifiedandsenttotheprocessorprocessing.AtthesametimeusingliquidcrystalLCD1602displaydata.ThecollecteddataisrecordedusingCANwirelessmoduleforcommunication.Thelayingofthelineisverysimpleandeasytoimplement.Duetotheneedofpowersupply,thisdesignusesTIcompany'sspecializedvoltageregulatorchip.Inthemaincontrolfunction,theuseofultralowpowerconsumptionofSTC15F2K60S2_PLCC44.Thiscanachieveenvironmentalprotectionandenergysaving.
KeyWords:
Insulationdetection;Electricvehicle;leakagecurrent;Ultra-lowpowerconsumption
1.概述
1.1引言
纯电动汽车在上个世纪初具模型。
电动汽车在行驶过程中不会排放尾气，噪声低，有利于生态自然。
所以在当时纯电动汽车也初是兴盛一时。
然而纯电动汽车也有它的弊端。
相比传统汽车，它行驶的距离很短，并且充电时间长。
电池寿命也不高，需要不停的更换电池。
所以纯电动汽车目前不可用于长途，只能在本地短距离行驶。
在这点上不是很方便[3]。
然而，环境的污染的问题日益严重的事实摆在人类面前。
目前各国都在努力寻求突破的办法。
结果纯电动汽车又一次进入大众视眼。
当前电池的性能较以前提升不少。
电动汽车所能驾驶的距离增加很多。
这也注定了纯电动汽车终将走进千家万户。
电动汽车有非常多的优点。
然而它也也是有短板的。
一些因为纯电动汽车的电池大都使用多节蓄电池串联，其总电压大小一般高于400V[4]。
所以万一发生电器方面的事故，很容易对乘客造成不可挽救的人身伤害。
从这一点考虑，绝缘系统的研究发展必然伴随纯电动汽车的推广。
这种系统的研究必然伴随电池的发展。
绝缘检察可以大概的估算出车子本身的绝缘状态，这样一旦发生故障就能够做到及时地排查[5]。
这能够避免灾难的发生，挽救财产的损失，挽回人的性命。
所以说绝检测量也是一种必然的责任。
车子本身的绝缘状态易受使用者的影响。
水汽，油渍，灰尘都可能影响整车的状态。
即使绝缘老化是一种缓变得过程。
但是由于乘客不一定时刻为安全方面着想。
如果不定期做绝缘检测，最终会酿起事故。
最好的做法就是最好可以把这个检测模块直接设计在车体内。
做到时时动态监测车子的绝缘状况，可以省去不必要的麻烦。
这更可以做到及时排查故障，最大程度保障乘客得生命和车子的使用安全。
鉴于以上方面，对漏电流绝缘系统研究要可以达到下面四个要点：
（1）做到实时得同步测量电动车的漏电流，帮助用户实时了解得指导车子绝缘情况。
（2）能够通过液晶显示，用户可以更方便地观察。
（3）可以将数据传输到车载系统。
（4）可以具体的检测出是电池的哪一端发生的漏电，便于乘客检修。
结合以上的几点，需要研制出智能化、安全化、准确化得纯电动汽车电池绝缘系统。
该系统对于保障乘客的人身安全，增加电瓶寿命具有非常特殊的意义。
1.2研究现状
现在我国关于电动汽车电池绝缘系统研究已取得了一些进展，已经完成了漏电检测的核心研究与开发，同时配合外部电路不同的传感器系统的研究，可以完成对各种车型，在不同种的环境下的漏电电流的安全检测。
同时也有较多得
通过使用新型的传感器技术对漏电流进行检测。
也有很多采用微型处理器作为智能漏电电流的控制单元，最大限度的使充电智能化。
我国国家标准规定，最大直流电压不高于1000伏特，车体重量低于1000千克的情况下：
（1）人体安全电压值为35伏。
（2）触电电流大小和时间的乘积需低于30mA.S。
（3）电池对地的绝缘电阻除以电池电压不得低于100V/Ω[6]。
为了车体的安全，电动汽车在使用过程中需要时时进行绝缘检测，保障车子和乘客的安全。
1.3目前常用的绝缘检测方法
1.3.1摇表测量法
摇表这个名称使用的比较普遍。
摇表的全名是兆欧表。
摇表是一种非常普遍的测量工具。
通常使用手遥发电机供电。
摇表所使用的单位为兆欧。
I
F1F2
N+
SM
-
F2F1
I2RXR
图1-1摇表原理图
摇表的工作原理很简单。
就是通过欧姆定律，用电压除以电流得出绝缘阻值大小。
该表工作时产生激励电压，把它加到被测网络，在测电流就可以的出绝缘电阻大小。
该表有两部分结构。
发电机和电磁比率表。
使用者使用手摇动手杆，那么电机就会制造出高压交流电。
交流经过整流变成检测用的的直流。
加到待测装置就能求得当前绝缘阻值[7]。
但是这种方法也有一些不足之处：
（1）需要在检测中维持手摇发电机一定的速度才可以保证正常电压得输出。
（2）对于同一个摇表来说，其测量量程范围不大，其电压等级也不够高。
（3）刻度非线性。
读数时不够精确，测量误差也比较大。
（4）输出电压不够稳定，有波动，操作繁琐。
1.3.2交流测量法
交流测量法先将往被测电阻网络中注入一种频率较低的交流电压。
然后再通过比较计算最终得出相应的参数，就能够计算出当前绝缘状态。
该种测算法采用来一个低频的信号产生器。
由其发出一种低频地交流电再注入到电动汽车的车载系统中去。
电瓶如果绝缘老化，该低频信号就会由接地线路和车子壳组成回路。
使用移相的科技方法，把互感器采到的电压信号适当放大，滤波。
该信号再与标准电压信号比较相位，过滤分布电容的干扰，就不难算得电阻性阻抗的大小。
这样就很容易求得各个负荷实际的接地阻抗，查找故障发生回路。
通过此法测试绝缘阻抗也同样存在一定的缺点，因为该电路是需要往直流回路中注入一种交流电。
这样易受分布电容干扰，也还会对本身电气回路产生一定的影响。
不过由于分布电容反比频率，所以采用低频可以直接降低干扰。
但是这种做法系统的精度是无法保障的。
并且系统的成本也会相对增多。
负荷一负荷二负荷三
U+
U-
电子开关
管
继电器
运放继电器继电器
带通滤波
继电保护
相位比较R+R-
同步信号
去除杂波
交流信号
A/D
单片机
LCD
图1-2交流测算法原理图
1.3.3车载直流电压测算法
这种绝缘监测方法大致是直接取用车子电池本身的电压。
通过测量取样电阻上的电信号完成绝缘测量的。
S
R1R2
R+采样R
+
_
+
_
R-采样R’
R3R4
图1-3基于车载直流电的测算法
图上为该测量法的基本原理图。
图上
是1000KΩ的取样电阻。
之所以选用这种阻值较大的采样电阻，其目的是为了防止信号的采样期间内绝缘阻值会因人为的降低。
设定电瓶正负极对车子电阻分别是
和
。
和
都是400Ω的分压电阻，由于其值与1000KΩ相差巨大，于是通过使用AD芯片CS5460A采样可以采集到mV级别的电信号。
有关操作和公式如下:
首先关断开关S，通过AD芯片我们可以测出的电阻
和R-对车壳电压。
然后就可以列写如下方程：
（1-1）
上式就是关断S写出的方程。
V1表示S关断电瓶正端对车子的电压。
V2表示当S关断电瓶负端对车子的电压。
合上开关
，可以得出另一个方程。
9（
（1）（）0）999（）999999999099090（）（
（1-2）
式1-2就是闭合
的情况。
上式中
与
就分别表示开关
闭合电瓶两端对车体壳电压。
由于其中的
的阻值以及R’和R阻值都是已知，将两个方程联力就能求的电瓶两端的对车子电阻，
以及R-的大小。
这是当前一种比较普遍的测量方法。
然而，这种监测方法的缺陷在于所选用的开关管的控制信号与车体是共地的关系。
在绝缘检测系统运行时车子的大电流很容易对其造成干扰。
此法可能会对绝缘阻值的测算造成很大偏移。
从而降低了检测精度。
在真正的应用中，出于成本方面的考虑，绝缘检测所用的采样AD,是和BMS中所用的电压.电流采集芯片共用的。
不过这种采样芯片的测量范围不宽。
对于电压采集易受电池高压侧影响，精度也不是很高。
1.3本设计研究的内容
本文基于智能传感器与环境保护的研究思想，同时结合大学所学的单片机技术与模拟电子技术。
设计了电动汽车电池绝缘系统。
该系统采用STC公司的低功耗处理器STC15F2K60S2_PLCC44作为电动汽车电池绝缘的主控制器。
本系统包含四个模块。
漏电流采集模块。
信号放大模块。
LCD显示模块。
通讯模块。
现在最普遍得方法无疑是交流法和多点模型法[11]。
但是交流法受干扰严重。
测量精度也低。
虽然在这种研究基础上可以改进成双频法。
不过成本大大提高。
精度也还是不够。
多点模型法精度良好。
但是无法检测两端同时绝缘故障的情形。
这点不符合本论文要求。
所以本人就改进了传统的电流表测算法。
该系统相比传统的系统所做的的改进是：
提高绝缘系统检测的精度、使电路简单化。
同时也避免手动检测所导致的事故的产生。
由于绝缘老化是缓变的过程，接地电阻不可能突然变为零。
这里只是提出一种接地模型。
所以即使基于短路法，也不是真正意义上使电池短路。
具有非常安全的性能。
本设计使用STC单片机的高精度AD采样测量及控制继电器的状态。
控制继电器的状态就可以做到电瓶两极漏电流在线监控。
数据将由单片机通过CAN总线发出。
2.整体方案设计
2.1方案比较
2.1.1方案一
一般情况下电瓶两端对车子的绝缘状况是一样的。
这就可以理解成电瓶两端的绝缘电阻是一样的。
将两个大小一样的电阻和电瓶两边搭建一个桥。
设定车子就是这个桥路得中间点。
在构建的桥路里的中性点加电流传感器。
此传感器用作判断绝缘状况。
通常在绝缘良好时继电器中是不存在电流的。
由于误差的因素肯会存在微小的电流。
但是这种小电流远远可以通过软件来进行忽略。
只要它效果阈值那么车子的状态就是良好的。
不过当发生绝缘故障时会导致一边电阻突然下降。
只要两边的电阻不是同时相等下降，这时电桥得平衡被打破。
传感器中就会通过漏电流。
只要这个值得大小超过阈值就说明发生了绝缘故障。
2.1.2方案二
假设车子为地。
检测需要交替检测两端电流，交替过程可以通过控制继电器实现。
首先测量正端电流时需要忽略另一端的情况，只要将电瓶负端直接接地。
正端不接入回路。
这个电路不完整，不构成回路，这时电路中是没有电流的。
不过，一旦正极对地绝缘故障，正极就会变相的和车子构成回路。
负极与车体之间的线路就会有电流产生，这就是漏电流。
测量负极的漏电流方法也是一样的。
2.2方案选择
方案一可以实现漏电流的测量。
但是无法做到确定哪一部分发生了问题。
而且绝缘阻值同时相等地下降就不能准确的发现问题。
因为此时电桥仍然平衡。
而且无法完成任务中的分时检测电瓶两端电流。
方案二可以分时检测，而且能够发现故障到底发生在电瓶的哪一边。
可以完全实现题目的要求。
所以本设计采用方案二。
2.3总体概述
基于微控制器得电动汽车电瓶绝缘的研究大致涵盖两个方面。
（1）一是硬件电路的设计.
（2）二是软件程序的设计。
在硬件电路方面，重点是微型处理器的选型。
晶振，电源，复位电路的设计也是必须的。
液晶面板的选型，CAN传输电路在本设计中同样重要的组成部分。
在软件方面，需要包含对CPU的程序的开发与LCD部分。
AD检测模块程序开发。
该系统同时需包含无线传输程序函数得编写。
其设计的框图如图2-1所示。
电源CAN通信模块
MCULCD显示
信号采样
继电器
图2-1电瓶绝缘原理图
2.4检测硬件设计
基于智能传感器的电瓶绝缘设计在系统漏电流方面，是整个设计最为重要的核心。
这个部分需要绝缘部分理论化，假设出电瓶对车子的电阻是确实存在的。
通过关断继电器实现分别检测。
将测量到的数值通过一些列处理在LCD上显示。
意义观察，可以做到警示。
其结构框图如图2-2所示。
图2-2漏电流处理流程图
3.系统硬件电路的设计
3.1处理器选择
3.1.1stc15f2k60s2简介
stc15f2k60s2是STC企业生产与研制的一种具有超低能耗控制器[12]。
它是8位的微控制器件。
它自带FLASH存储器且大小为8KB。
它同时具有充裕的I/0口以及12KB字节的RAM。
stc15f2k60s2具有3个16位的定时器和2级中断。
stc15f2k60s2含有看门狗程序，为全双工的串行口。
该处理器比较节能且处理效率高。
它的售价低廉，且运用嵌套灵活。
stc15f2k60s2型号处理器含有2级节电模式。
这是它为什么节能的奥秘。
空闲情况时，系统的CPU停止本身的工作。
不过外部的定时/计数器，RAM，中断，串口等可以继照常运行。
失电保护情形下，自动保存RAM数据，同时系统晶震中断。
直到硬件复位或者下一次的中断处理器才重新运行。
a.处理能力强
该款处理器是8位运行最高频率可达335M的COM单片机。
stc15f2k60s2具有多种的寻址方式。
其丰富的寄存器加上自带存储器能够完成各种计算。
stc15f2k60s2为51内核的处理器。
查表指令效率很高。
结合这些优点可以保障编写高效的源程序。
b.计算快速
stc15f2k60s2可以通过由35MHz晶体的进行驱动。
指令周期为ns级别。
高效FLASH和大容量RAM组合使得stc15f2k60s2运行非常快速。
stc15f2k60s2是一款51内核处理器，编程简单。
通过硬件和软件的辅助，极大提高了单片机的运行速度。
c.超低功耗
stc15f2k60s2具有超低能耗的优点。
stc15f2k60s2集成了两种节电模式。
处在空闲模式中，单片机暂停运行。
然而串口中断等不受影响，继续运行。
在失电情况，自动存储RAM中数据，振荡器结束运行。
直到下一次中断前或硬件复位前处理器停止运行。
部分指令可以用软件实现打开断，直接减少了系统的功耗。
d.丰富的内设
STC系列处理器大都集成了很丰富的片内外设。
当中包括定时器
，
端口、BasicTimer、实时时钟（RTC）和自动复位程序、实时中断等若干外围模块的不同组合。
其中，自动复位程序主要作用是保证运行稳定，让紊乱的程序迅速恢复。
8位计数器含有捕获比较功能。
可用于时序发生计数等。
一部分器件能够完成串口通讯等。
stc15f2k60s2具有较多的
端口。
三口可以接收外部中断；STC系列单由于其自身的优良特性会将会让本系统的开发更简单方便。
e.方便高效的开发环境
stc15f2k60s2单片机含3类器件。
以及ROM三类器件。
这三种元件的开发方式各异。
当中OTP型以及
型元件烧程序或者掩膜芯片前需要先通过相关软件进行开发。
这类开发相对简单。
它所包含的
能够擦写。
片内还含
调试接口。
使用前应将程序写入
中。
软件控制系统运行。
将会读出内部信息供开发人员参阅。
该方法只要一个
和一个
调试器。
开发语言有汇编语言和C语言。
3.1.2单片机最小系统设计
最小系统是保正处理器能够正常运行的电路。
大致包含三个模块。
（1）电源模块：
（2）时钟模块：
（3）复位模块[13]。
其硬件框图如图3-1所示。
图3-1单片机接线图
（1）电源电路
本系统需采用精度良好，稳定性可靠得+5v直流电输出系统。
其中stc15f2k60s2及部分外围器件需要+5V电源。
本电路中需要以+5V直流电压为输入电压，同时对电源端采用加以滤波处理。
为电路的运行提供精准电压。
（2）晶振电路
stc15f2k60s2单片机时钟是由外部晶振进行提供的。
在本系统的设计需要保证系统时钟的可靠以及单片机代码的正确运行。
所以通过编程使用了内部的晶振为整个系统提供晶振。
（3）复位电路
常用有三种复位方式。
（1）上电复位：
（2）断电复位：
（2）故障复位。
此电路用于单片机初始化。
其中程序计数器PC值变为
。
这表明程序从
单元开始执行。
本系统经过比较最后采用了低电平触发的方式。
3.2通信设备选择
本设计在设计方面，需要对数据进行传输。
在数据的传输方面，在无线模块的选择上面，本设计采用CAN协议的无线传输模块。
用户可以根据需要来配置CAN模块的相关参数。
主要是包含对寄存器的配置。
CAN协议是特定的控制器局域网络的英文方面的简称。
它是德国BOSCH公司自主研发的。
特别用于汽车通讯商品。
这产品在汽车方面特殊的优势和特别的协议。
所以目前该协议变成世界通用的协议标准。
最近几年，CAN协议由于其高可靠性以及精准的检查错误能力愈来愈引起了相关专家的重视。
由此该芯片终被普遍应用于车载计算机上面和其相关的控制系统。
且在环境恶劣的情况，强电磁辐射、天气恶劣、和噪音大的工业形势下也有广泛运用。
图3-2无线模块实物图
本设计中，使用专门的
和
芯片来实现CAN总线的设置与处理。
CAN接线电路如下图3-3所示。
图3-3CAN总线电路设计
SJA1000是一类包含有相关地独立CAN协议地控制方面的控制器的一种]。
SJA1000为一类独立设计相关的椌制器。
现在此椌制器大都用在移动相关目标的设计。
它是PHILIPS公司制造与研制的PCA82C200CAN协议地相关的椌制器BasicCAN的相关方面的取代品。
由于其添加了一种全新的运作模式，名为PeliCAN协议,所以当前的使用更加的普遍。
同时，在CAN的通讯设计方面，
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