第３１卷第１期 轻工机械 Ｌｊ ｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ Ｖ０ｌ ３１ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０ｌ３ ２０１３年２月 ［自控・检测］ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２８９５．２０１３．０１．０１３ 纯电动汽车绝缘监测系统 张俊，文和平 （浙江大学城市学院工程学院，浙江杭州 ３１００１５） 摘要：建立一种绝缘电阻检测原理模型，设计了１套以偏置电阻接入电路为主体的绝缘监测系统。系统采用 ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣ单片机为主控制芯片，采用电阻分压和偏置电阻的切换实现电压值的采集。在Ｋｅｉｌ ｕＶＩＳＩＯＮ４编译环境 下运用ｃ语言完成绝缘监测系统的软件设计。系统能够实时判定纯电动汽车绝缘电阻是否符合国家安全标准值，并可 及时发出报警并切断高压回路以保证乘客的人身安全和财产安全。 关键词：电动汽车；绝缘监测；绝缘电阻；ＳＴＭ３２单片机 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５－２８９５（２０１３）０１－００５２－０４ 中图分类号：ＴＭ９３４；Ｕ４６９．７２ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｐｕｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ，ＷＥＮ Ｈｅｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｉｔｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅ ｏｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｂｉａｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ，ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｄｉｖｉｄｅｒ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈ ｏｆ ｂｉａｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｅｄ Ｃ ｌａｎｇｕａｇｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｋｅｉｌ ｕＶＩＳＩＯＮ４ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｒｅａｌ・ｔｉｍｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｉｆ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ｓｔａｔｅ ｓａｆｅｔｙ ｓｔａｎｄａｒｄ，ｔｈｕｓ ｃａｎ ｂｅ ｔｉｍｅｌｙ ａｌａｒｍ ａｎｄ ｃｕｔ ｏｆｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｓｓｅｎｇｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＳＴＭ３２ 当前，能源危机和环境污染与日俱增，汽车工业可 国内外已有多种针对纯电动汽车高压动力系统绝 谓是“功不可没”，因此，发展高效、节能、零排放的清 洁型纯电动汽车已成为国内外汽车工业发展的必然趋 势…。电动汽车的一个重要特点是车内装有保证足 够动力性能的高压电源，并形成具有高电压、大电流的 动力回路，由电压３．６ Ｖ的单体电池串联而成电池组， 工作电压在３００ Ｖ以上 ，正常工作电流可达到数十、 缘电阻的检测方法：如以交流测量为基础的高压注入 法，它需要向高压回路上注入高压交流信号，附加的交 流信号，会影响直流高压系统的供电质量，而且系统的 分布电容会直接影响测量的电压值，分辨率较低 ； 还有较为传统的平衡电桥法，这种方法的缺点是对构 建的电路精确度要求高，在正、负母线对地的绝缘性能 同时降低时不能准确及时报警 。 文章设计的纯电动汽车绝缘监测系统采用了先进 甚至数百安培，瞬时短路放电电流更是成倍增加。当 发生高压电路绝缘失效故障时，高电压和大电流将会 危及车上乘客的人身安全，同时还会影响低压电器和 车辆控制器的正常工作 。因此，出于对电动汽车的 的偏置电阻切换检测原理，利用具备ＡＲＭ Ｃｏａｅｘ—Ｍ３ 内核的ＳＴＭ３２单片机 作为主控单元，实时检测纯电 可靠性和安全性考虑，针对纯电动汽车高压系统的绝 缘监测和自动诊断研究具有极其重要的意义 ｊ。 动汽车动力蓄电池的正负极对地电阻，并配以高性能 高压接触器以快速切断故障高压回路 Ｊ。整个系统 收稿日期：２０１２－０９－０５；修回日期：２０１２—１０．１０ 基金项目：浙江大学城市学院教师科研基金资助项目（Ｊ一１２０１６） 作者简介：张俊（１９８３），男，浙江金华人，助理实验师，硕士研究生主要从事ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ一体化应用、新能源汽车关键技 术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｕｎ＠ＺＵＣＣ．ｅｄｕ．ＣＢ ，［自控・检测］ 张俊，等：纯电动汽车绝缘监测系统 ・５３・ 检测精度高、反应速度快、不存在监测死区，能有效保 障纯电动汽车的安全运行。 电阻值。 ２系统硬件设计 纯电动汽车绝缘电阻监测系统主要完成测量、通 １ 纯电动汽车绝缘电阻测量原理 电动汽车的绝缘状况用直流正负母线对地的绝缘 讯、报警＆切断高压回路等３大部分功能，其硬件原 电阻来衡量。国家标准ＧＢ／Ｔ １８３８４．１．２００１ 以及国 际标准ＢＳ ＩＳＯ ６４６９．１．２００９【１０］规定：绝缘电阻值除以 电动汽车直流系统标称电压 ，结果应大于１００ Ｖ， 才符合安全要求，低于此值则判定纯电动汽车发生绝 缘故障。 图１ 绝缘监测电路原理图 Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ 测量原理如图１所示，其中 为蓄电池电压， 和Ｒ 分别代表了正、负母线对地的绝缘电阻，虚线框 图外部为纯电动汽车绝缘电阻的监测电路模型，其中 尺。为标准偏置电阻， ，Ｊｓ 和Ｊｓ 构成一个偏置电阻网 络。尺 和尺 ，尺，和尺 构成了测量分压电路， 为正 极对地电压， 为负极对地电压。在测量时，首先断 开５。和ｓ ，获得正、负母线对地的电压值 和 ，然 后根据 和 的大小来确定Ｒ。是和Ｒ 并联还是和 Ｒ 并联。 如果所测的 值大于或等于 值，则闭合开关 ５ ，断开开关Ｊｓ ，测得一组正、负母线对地电压值 和Ｖ ；由电路原理可得直流高压系统的绝缘电阻值 的计算公式，如下所示 ¨ ， 、 一 … ＲＰ／／Ｒ０一ＲＮ 联立公式（１）和（２）解得Ｒ ＝（ 一１）Ｒ。，由 Ｐ Ｎ 于 ≥ ，则Ｒ ≥Ｒ ，故 取阻值较小的 即可。 同理，当所测的 值小于 值时，可得相应绝缘 理框如图２所示。 其中，测量系统在主控制器的控制下，实现正、负 母线对地电压的测量；通讯系统在较大干扰的情况下， 能可靠、高效地实现监测系统的内部通信和外部通信； 报警＆高压切断系统则根据测量得到的正、负母线对 地电压，对照电动汽车安全规范标准，计算、比较后发 出声光报警，并控制高压接触器及时切断高压回路从 而确保电动汽车的电气安全和乘客的人身安全。 图２ 绝缘监测系统硬件框图 Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ 图３为偏置电阻 接人电路原理图，ｂａｔ＋和ｂａｔ一 是动力蓄电池的正负端，Ｋ 和Ｋ 是两个继电器。Ｄ。和 Ｄ 两个二极管能够释放继电器断开时线圈中存储的能 量以达到保护继电器的目的。ＶＣ Ｒ＋和ＶＣ Ｒ一是来 自ＳＴＭ３２的控制信号，单片机通过控制大功率三极管 Ｑ 和Ｑ 是否导通来控制偏置电阻 是接人正母线 对地电路还是接人负母线对地电路，当ＶＣ Ｒ＋为高电 平、ＶＣ Ｒ一为低电平时继电器Ｋ。导通Ｋ 截止，偏置 电阻并人正母线对地电路；而当ＶＣ Ｒ＋为低电平、ＶＣ Ｒ一为高电平时继电器Ｋ，截止Ｋ：导通，偏置电阻并 入负母线对地电路。 ３系统软件设计 对于整体软件的设计采用模块化设计思想，当某 个模块进行修改或者升级后，只需对相应的子程序模 块进行修改即可。 根据系统的整体功能要求和绝缘电阻检测的计算 方法，软件编程的总体分为以下４大模块： １）主程序模块； ２）电压检测程序； ３）运算程序； 轻工机械ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ ２０ｌ３年第１期 ＧＮＤ ＧＮＤ 图３ 偏置电阻接入电路 Ｆｉｇｕｒｅ ３ Ｂｉａｓ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ４）上位机通讯程序。 系统主控单元程序流程如图４所示。考虑到纯电 动汽车电磁环境复杂，在软件设计过程中，加入了保护 和抗干扰措施¨ ，如数字滤波、多次采样取平均值、 “看门狗”技术等，提高系统工作的可靠性。 Ｏ 。 ０ 。 ＼ Ｏ ０ 。 ≈ 开始 测量正负两 端对地电压 十地电压大予＼ Ｎ 对地电压 ／／ １ ＼／ ｌ 土Ｙ ．偏置电阻Ｉ ｌ偏置电阻 并入正端ｌ ｌ并入负端 清除报警 由原理公式求得Ｉ ｌ由原理公式求得 正端对地电阻Ｉ ｌ负端对地电阻 ／小于＼ Ｎ Ｎ ： 图４主程序流程图 Ｆｉｇｕｒｅ ４ Ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ４ 实验验证 绝缘监测系统断开响应时间是判定纯电动汽车绝 缘监测系统性能优劣的一个重要技术指标。我们通过 采集接触器线圈电流和触点断开数据，可获取高压接 触器的断开响应过程数据，图５为接触器断开响应曲 线，如图中所示，输入端口电平拉高后，接触器线圈电 流迅速减小，由于线圈为感性元件，电流不可能立即为 零，线圈经一个二极管反向放电，此时输出端口仍然为 低电平，放电过程完成后，输出端口高电平，接触器 断开 俞输信 日缸输信 日 ０ 入号出号 图５接触器断开响应曲线 Ｆｉｇｕｒｅ ５ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔｏｒ 图中断开响应时间大约为１４ ｍｓ，对比国家标准 ＧＢ／Ｔ １８３８４．１—２００１中所要求的２０ ｍｓ安全值，系 统断开响应速度提高了３０％。 ５ 结论 １）设计了一种基于偏置电阻切换检测原理的纯 电动汽车绝缘监测系统，硬件上使用ＳＴＭ３２单片机作 为主控单元，并配以高性能高压接触器以快速切断故 障高压回路；整体软件的设计上采用了模块化设计的 思想，经过对系统的调试，整体运行状况良好，测量满 足设计精度要求。 ２）设计搭建了断开响应实验验证平台，通过对接 触器线圈电流和触点断开数据的采集，获得了接触器 断开响应时间，从数据可知本系统的断开响应时间比 国家标准所要求的２０ ｍｓ提高了３０％，实现了快速绝 缘故障响应功能。 参考文献： ［１］ 羌嘉曦，杨林，朱建新，等．电动汽车动力电池高压电测试系统的 研究［Ｊ］．电源技术，２００７，３１（８）：６５５—６５８． （下转第５９页） ［自控・检涓］ 喻先锋，等：动态定量称重技术控制策略和算法 ・５９－ ３结论与展望 在动态定量称重技术中，传统的控制策略和算法 在一定程度上能够满足称重要求，但是由于它们自身 的不足，以及物料的特殊性，随着控制理论的发展，要 解决称重速度和称重精度有效结合的问题，可以从传 统控制策略的不足之处着手，开发出新的更为先进的 控制策略和算法，也可以发挥各种控制策略和算法的 ０ 优势，将两种甚至几种控制策略组合起来，使得控制更 加智能化和人性化，从而极大地满足称重的要求，大大 地提高称重的效率。 参考文献： ［１］ 李鹏．动态定量称重系统的研究与实现［Ｄ］．济南：山东大学， ２００６． Ｉ采样当前重量信号ｍｌ ｌ采样当前速度信号”１ ｌ得到流量反馈ｇ＝ｍｌ ｌ尚给定比较得偏差信号ｅ ） Ｉ ＜及偏差变化率ＡＥ ． 杰 —■ｒ—土 ． ＰＩＤ控制卜 ［２］ 湖南．先进控制技术的几种控制策略综述［ＥＢ／ＯＬ］．２０１１—１１－０６ ［２０１２ １ １－０１］．ｈｔｔｐ：／／ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｒｎ／ｖｉｅｗ／７３ｃ６０ｃｅｆ１７２ ｄｅｄ６３０ｂｌ ｃｂ６０３．ｈｔｍ１． Ｉ模糊控制Ｉ ．＝工二＝＝． Ｊ控制信号输出｝． Ｎ— ： ［３］ 马斋爱拜，胡德民．基于模糊控制的动态称重系统的研究［Ｊ］．现 代企业教育，２００７（１４）：７９—８０． ［４］ 孙葆琪．先进控制技术的几种控制策略［Ｊ］．河南科技，２００８（４）： ４０—４１． ［５］ 常波，阎有运，梁硕．基于模糊算法的配料称重控制策略研究与应 图７控制算法基本流程图 Ｆｉｇｕｒｅ ７ Ｂａｓｉｃ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 用［Ｊ］．电子测试，２００９（５）：１—５． ［６］ 李新春．粉态原料自动称重控制算法应用研究［Ｊ］．自动化技术与 应用，２００８，２７（３）：１２７—１２９． ［７］ 赵国强，李焕飞，李新春，等．粉料生产气力输送中的自动称重控 制算法［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报：自然科学版，２００４，２３（２）： ２２４—２２５． ［８］ 胡攀，梁岚珍，李靖．动态定量称重系统控制策略的研究［Ｊ］．自动 化博览，２００９，２６（１１）：７８—８０． ［９］ 郭昌，高清维，崔桂梅．模糊ＰＩＤ控制算法在变频调速中的新应用 图８模糊ＰＩＤ复合控制器结构图 Ｆｉｇｕｒｅ ８ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ［Ｊ］．电机与控制应用，２０１１，３８（８）：１９—２１． ［１０］ 霍淑兰．网络控制系统ＰＩＤ控制方法的研究［Ｄ］．沈阳：东北大 学，２００８． 业 逝妇 业啦 业逝妇业 姑业 业业 妇 业逝啦船出业 业逝 业 妇 ｝姑 逝业 （上接第５４页） ［２］ 李顶根，陈军，黄荣华，等．纯电动汽车电气与安全监测系统［Ｊ］． 汽车科技，２０ｏ７（５）：１Ｏ一１３． 工机械，２０１０，２８（６）：５８—６０． ［８］ 顾国元，历自力．接触器失控原理探讨及其改进措施［Ｊ］．轻工机 械，２００３（４）：１００—１０２． ［３］ 黄勇，陈全世，陈伏虎，等．电动汽车电气绝缘检测方法的研究 ［Ｊ］．现代制造工程，２００５（４）：９３—９５． ［９］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．ＧＢ／Ｔ １８３８４．１— ２００１电动汽车安全要求第１部分：车载储能装置［ｓ］．北京：中国 标准出版社，２００１． ［１０］ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｏｒｇａｎｉｚｅｄ．ＩＳＯ ６４６９—１：２００９ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｐｒｏｐｅｌｌｅｄ ｒｏａｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｓａｆｅｔｙ ｓｐｅｃｉｉｃａｔｆｉｏｎｓ－－ｐａｒｔ １ Ｏｎ・・ｂｏａｒｄ ［４］ ＷＥＳＴＢＲＯＯＫ Ｍ Ｈ．Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃａｒ［Ｍ ｊ．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，２００１． ［５］ 贾秀芳，赵成勇，李黎，等．直流系统绝缘监测综合判据［Ｊ］．电力 系统自动化，１９９９，２３（１６）：４７—４９． ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ（ＲＥＳＳ）［ｓ］．Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ Ｇｅｎｅｖａ：Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｐｏｌｉｃｙ ａｎｄ Ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ，２００９． ［６］ 费万民，张艳莉，吴兆麟．电力系统中直流接地电阻检测的新原理 ［Ｊ］．电力系统自动化，２００１，２５（６）：５４—５６． ［７］ 季力，颜建军．ＳＴＭ３２芯片在水泵综合参数测量中的应用［Ｊ］．轻 吴国良，高锋．电动机在线检测管理系统的抗干扰技术［Ｊ］．轻工 机械，２００７，２５（２）：８４—８７．