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摘要： 针对电动大巴车绝缘监测中存在非对称绝缘故障监测不准确的问题，提出一种基于外加电阻原理的检测方法，并对基于STM32单片机的电动大巴车绝缘监测系统进行研究。该系统中的STM32单片机，通过控制电压采集芯片ADS1255，采集动力电池正负极对车体电压，而且通过继电器控制拓扑电路，改变拓扑电路的结构，并由拓扑电路计算公式计算电池正负极对车体绝缘电阻。同时，通过车辆内部控制器局域网络通信电路，将数据发送给电动大巴车绝缘阻抗进行报警判定。为分析电池的绝缘损坏过程，该设计搭载时钟电路和存储电路对测试到的数据进行记录。实验结果表明，在系统对称绝缘损坏和非对称绝缘损坏的状况下，绝缘电阻测量误差在2%以内，并且当动力电池正负极对车体绝缘阻抗小于系统设定的绝缘阻抗时，系统会触发报警。该研究满足国家对电动大巴车绝缘监测精度的要求。
关键词： 电动大巴车； 绝缘电阻； 动力锂电池； STM32
中图分类号： TM934.31； U469.72文献标识码： A
近几年，电动汽车发展快速[1]，国内外许多研究机构[25]对其安全性进行了深入研究，并设计开发了相关产品，投入实际应用。在电动汽车行业，动力蓄电池和车体绝缘电阻阻值具有明确要求，绝缘监测系统必须准确监测蓄电池与车体的绝缘电阻，并能够根据国家相关规定及行业要求，在绝缘电阻过低时报警。早期日本本田公司生产的INSIGHT和丰田公司生产的PRIUS电动汽车上已经配备相关的高压绝缘监测系统[6]，同时该系统与电池管理系统（battery management system，BMS）[78]进行交互，共同完成对动力电池组的管理监测。目前，市场上存在的绝缘监测方案有漏电直测法[9]、电流传感法[5]、辅助电源法[10]、平衡电桥法[11]和高频信号注入法[12]等，其中最常用的是平衡电桥法和高频信号注入法[13]。近年来，国内在电动汽车绝缘监测方面的发展也相对较快，许多研究机构[1417]在绝缘监测方面做了大量相关研究，而且其产品在绝缘监测领域占据较大比重。虽然传统的汽车绝缘监测系统能较准确的检测出非对称绝缘损坏的绝缘阻抗，但对于对称绝缘损坏的检测略显不足。因此，针对电动汽车存在测量精度低，对对称绝缘故障测量不准确的问题[18]，本文基于外加电阻监测理论，对电动大巴车锂电池绝缘阻抗进行监测，在对称绝缘损坏和非对称绝缘损坏状况下，实现对绝缘电阻的准确监测。本研究测量精度高，符合国家的要求，具有广阔的应用前景。
1理论分析
根据国际标准IEC/TR2604791，人体产生感觉的电流门限值为2 mA。因此，在人体电阻与动力电池组成的环路中，通过的电流不超过2 mA，即汽车的最大泄漏电流不超过2 mA才认为其绝缘合格。在汽车行业中，泄漏电流定义为电池组某点与汽车电底盘之间的泄漏电流，为保证人们在乘车时的人身安全，该电流应不超过2 mA。因此，在汽车绝缘监测系统中，根据动力锂电池电压和最大泄漏电流，可计算汽车电池正负极对车底盘的最小绝缘电阻。绝缘电阻具体测试方案如下：
1）电池负极对车底盘电压进行测试，电池负极测试原理如图1所示，图1中，RP、RN分别为电动大巴车动力蓄电池正、负母线对车体绝缘电阻。
2）电池正极对车底盘电压测试，电池正极测试原理如图2所示。
3）如果测量电压V1>V2，则蓄电池正极绝缘电阻大于负极绝缘电阻。此时，在动力电池负极处外加电阻RN1，测量电压V’1，其电池负极外接电阻测试原理如图3所示。
其绝缘电阻计算公式为
RN=V1-V1V’1RN1（1）
4）如果测量电压V1 其绝缘电阻计算公式为
RP=V2-V’2V2RP1（2）
2硬件设计
绝缘监测装置主要包括单片机STM32及其外围电路、电压测量电路、存储电路、声光报警电路、AD采样电路等。其硬件结构框图如图5所示。
2.1STM32单片机
基于STM32的电动大巴车绝缘监测系统控制核心选用STM32F105单片机。该单片机是ST公司生产的32位精简指令集微处理器（acorn RISC machine，ARM）单片机，其系统主频可达72 MHz，同时该单片机内部集成电路总线（interintegrated circuit，IIC）、控制器局域网络（controller area network，CAN）、串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）、通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）等多个外设，能够满足与外部各个电路的通信。该单片机具有在线调试仿真功能，使开发人员能快速调试系统程序，缩短开发周期[19]。
2.2电压采集电路设计
为防止外部电压采集电路影响单片机正常工作，实现系统安全可靠运行，电路需将单片机与电压采集电路电气隔离，因此选用ADS1255作为外部AD电压采集芯片。ADS1255是TI推出的24位、双通道、SPI接口的精密电压采集芯片。在该系统中，单片机SPI接口通过光耦与ADS1255电压采集芯片的SPI接口进行通信，其ADS1255電路原理图如图6所示。
2.3存储电路设计
在该设计中，需要存储系统报警信息等数据，因此选用AT24C512存储芯片作为系统数据存储。AT24C512是ATMEL公司生产的512 kB的存储芯片，其数据通信方式为IIC通信，同时，该芯片具有写保护功能，单片机在数据存储周期内关闭写保护功能对芯片内部数据进行读写；在非数据存储周期内，开启芯片写保护功能防止芯片数据被篡改。 2.4CAN通讯电路设计
该系统中，绝缘监测系统使用汽车内部的CAN总线将绝缘监测数据发送到电动大巴车的控制台。CAN通讯电路采用隔离式CAN收发器ADM3053，该芯片包含隔离的DC/DC转换器，外围电路设计简单，大大增强了通讯的抗干扰能力。其CAN通讯电路原理图如图8所示。
3软件设计
该系统软件主要完成电动大巴车动力电池绝缘阻抗检测及与电动大巴车控制台进行数据通信。考虑单片机程序的可移植性以及缩短项目的开发周期，选择使用Keil软件及ST公司提供的标准库函数进行单片机程序开发。在Keil开发环境中对程序进行编辑、连接、编译以后，将程序下载到单片机中。单片机程序主要负责模拟量采集、绝缘阻抗计算、CAN数据通信、数据存储等任务。
4实验结果
本研究系统是以300 V/20 A的锂电池组为核心进行搭建，同时使用FLUKE187型数字万用表作为实验结果校准仪器。本实验采用动力锂电池正负极与电动大巴车车体间并联电阻的方式模拟锂电池对车底盘绝缘阻抗变化，通过上位机获取系统测量绝缘电阻阻值，绝缘电阻测试表如表1所示。
5结束语
本文通过对电动汽车绝缘电阻测量中存在的电阻测量精度低、对对称故障测量不准确的问题，提出了一种基于外加电阻的测量方法，通过实验验证，绝缘阻抗误差在2%以内。该方案与目前存在的相关方案相比，具有电路相对简单、成本较低、对对称故障测量精确的优点。通过搭建实验平台进行测试表明，该平台能够实现对汽车动力电池正负极对车辆底盘之间绝缘电阻的精确测量，同时可以对历史数据进行存储、读取等。该研究对电动汽车电池绝缘阻抗测量具有较强的指导意义，为电动汽车市场的发展提供了安全保障。
参考文献：
[1]辛凤影， 王海博. 电动汽车发展状况与商业化前景分析[J]. 国际石油经济， 2010（7）： 2024.
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[8]张俊， 谢伟东. 纯电动汽车高压回路安全监测系统设计[J]. 机电工程， 2013， 30（3）： 364367.
[9]黄海宏， 全成， 黄锦. 基于差流检测法的分布式直流接地巡检系统[J]. 电子测量与仪器学报， 2009， 3（11）： 3641.
[10]赵辉. 高压电气设备绝缘在线监测技术及应用[J]. 宁夏机械， 2009， 1（3）： 1114
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[12]姜雨， 沙立民， 任谊. 基于低频信号法的电动汽车绝缘监测方法研究[J]. 国外电子测量技术， 2014， 33（11）： 2528.
[13]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[J]. 电测与仪表， 2011， 48（5）： 69.
[14]李立伟， 陈伟斌， 马平. 新型直流系统绝缘监测装置及其实现[ J]. 高电压技术， 2009， 34（11）： 23222326.
[15]赵炳君， 李国平. 客车供电系统的安全设计探讨[ J]. 铁道车辆， 2002， 40（11）： 3132
[16]冯硕. 地区电网变电站直流系统接地故障检测系统设计与实现[D]. 北京： 华北电力大学， 2014.
[17]闫军山. 大亚湾核电站直流系统绝缘检测装置的研制及应用[D]. 上海： 上海交通大學， 2009.
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[19]李华忠， 陈俊， 张琦雪， 等. 直流起励过程中绝缘监测系统对转子接地保护的影响及对策[J]. 电力自动化设备， 2015， 35（1）： 170174.
关键词： 电动大巴车； 绝缘电阻； 动力锂电池； STM32
中图分类号： TM934.31； U469.72文献标识码： A
近几年，电动汽车发展快速[1]，国内外许多研究机构[25]对其安全性进行了深入研究，并设计开发了相关产品，投入实际应用。在电动汽车行业，动力蓄电池和车体绝缘电阻阻值具有明确要求，绝缘监测系统必须准确监测蓄电池与车体的绝缘电阻，并能够根据国家相关规定及行业要求，在绝缘电阻过低时报警。早期日本本田公司生产的INSIGHT和丰田公司生产的PRIUS电动汽车上已经配备相关的高压绝缘监测系统[6]，同时该系统与电池管理系统（battery management system，BMS）[78]进行交互，共同完成对动力电池组的管理监测。目前，市场上存在的绝缘监测方案有漏电直测法[9]、电流传感法[5]、辅助电源法[10]、平衡电桥法[11]和高频信号注入法[12]等，其中最常用的是平衡电桥法和高频信号注入法[13]。近年来，国内在电动汽车绝缘监测方面的发展也相对较快，许多研究机构[1417]在绝缘监测方面做了大量相关研究，而且其产品在绝缘监测领域占据较大比重。虽然传统的汽车绝缘监测系统能较准确的检测出非对称绝缘损坏的绝缘阻抗，但对于对称绝缘损坏的检测略显不足。因此，针对电动汽车存在测量精度低，对对称绝缘故障测量不准确的问题[18]，本文基于外加电阻监测理论，对电动大巴车锂电池绝缘阻抗进行监测，在对称绝缘损坏和非对称绝缘损坏状况下，实现对绝缘电阻的准确监测。本研究测量精度高，符合国家的要求，具有广阔的应用前景。
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1）电池负极对车底盘电压进行测试，电池负极测试原理如图1所示，图1中，RP、RN分别为电动大巴车动力蓄电池正、负母线对车体绝缘电阻。
2）电池正极对车底盘电压测试，电池正极测试原理如图2所示。
3）如果测量电压V1>V2，则蓄电池正极绝缘电阻大于负极绝缘电阻。此时，在动力电池负极处外加电阻RN1，测量电压V’1，其电池负极外接电阻测试原理如图3所示。
其绝缘电阻计算公式为
RN=V1-V1V’1RN1（1）
4）如果测量电压V1
RP=V2-V’2V2RP1（2）
2硬件设计
绝缘监测装置主要包括单片机STM32及其外围电路、电压测量电路、存储电路、声光报警电路、AD采样电路等。其硬件结构框图如图5所示。
2.1STM32单片机
基于STM32的电动大巴车绝缘监测系统控制核心选用STM32F105单片机。该单片机是ST公司生产的32位精简指令集微处理器（acorn RISC machine，ARM）单片机，其系统主频可达72 MHz，同时该单片机内部集成电路总线（interintegrated circuit，IIC）、控制器局域网络（controller area network，CAN）、串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）、通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）等多个外设，能够满足与外部各个电路的通信。该单片机具有在线调试仿真功能，使开发人员能快速调试系统程序，缩短开发周期[19]。
2.2电压采集电路设计
为防止外部电压采集电路影响单片机正常工作，实现系统安全可靠运行，电路需将单片机与电压采集电路电气隔离，因此选用ADS1255作为外部AD电压采集芯片。ADS1255是TI推出的24位、双通道、SPI接口的精密电压采集芯片。在该系统中，单片机SPI接口通过光耦与ADS1255电压采集芯片的SPI接口进行通信，其ADS1255電路原理图如图6所示。
2.3存储电路设计
在该设计中，需要存储系统报警信息等数据，因此选用AT24C512存储芯片作为系统数据存储。AT24C512是ATMEL公司生产的512 kB的存储芯片，其数据通信方式为IIC通信，同时，该芯片具有写保护功能，单片机在数据存储周期内关闭写保护功能对芯片内部数据进行读写；在非数据存储周期内，开启芯片写保护功能防止芯片数据被篡改。 2.4CAN通讯电路设计
该系统中，绝缘监测系统使用汽车内部的CAN总线将绝缘监测数据发送到电动大巴车的控制台。CAN通讯电路采用隔离式CAN收发器ADM3053，该芯片包含隔离的DC/DC转换器，外围电路设计简单，大大增强了通讯的抗干扰能力。其CAN通讯电路原理图如图8所示。
3软件设计
该系统软件主要完成电动大巴车动力电池绝缘阻抗检测及与电动大巴车控制台进行数据通信。考虑单片机程序的可移植性以及缩短项目的开发周期，选择使用Keil软件及ST公司提供的标准库函数进行单片机程序开发。在Keil开发环境中对程序进行编辑、连接、编译以后，将程序下载到单片机中。单片机程序主要负责模拟量采集、绝缘阻抗计算、CAN数据通信、数据存储等任务。
4实验结果
本研究系统是以300 V/20 A的锂电池组为核心进行搭建，同时使用FLUKE187型数字万用表作为实验结果校准仪器。本实验采用动力锂电池正负极与电动大巴车车体间并联电阻的方式模拟锂电池对车底盘绝缘阻抗变化，通过上位机获取系统测量绝缘电阻阻值，绝缘电阻测试表如表1所示。
5结束语
本文通过对电动汽车绝缘电阻测量中存在的电阻测量精度低、对对称故障测量不准确的问题，提出了一种基于外加电阻的测量方法，通过实验验证，绝缘阻抗误差在2%以内。该方案与目前存在的相关方案相比，具有电路相对简单、成本较低、对对称故障测量精确的优点。通过搭建实验平台进行测试表明，该平台能够实现对汽车动力电池正负极对车辆底盘之间绝缘电阻的精确测量，同时可以对历史数据进行存储、读取等。该研究对电动汽车电池绝缘阻抗测量具有较强的指导意义，为电动汽车市场的发展提供了安全保障。
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[10]赵辉. 高压电气设备绝缘在线监测技术及应用[J]. 宁夏机械， 2009， 1（3）： 1114
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[14]李立伟， 陈伟斌， 马平. 新型直流系统绝缘监测装置及其实现[ J]. 高电压技术， 2009， 34（11）： 23222326.
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[16]冯硕. 地区电网变电站直流系统接地故障检测系统设计与实现[D]. 北京： 华北电力大学， 2014.
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[18]江涛. 直流系统漏电流绝缘监测装置应用中的问题[J]. 云南电力技术， 2009， 37（1）： 1820.
[19]李华忠， 陈俊， 张琦雪， 等. 直流起励过程中绝缘监测系统对转子接地保护的影响及对策[J]. 电力自动化设备， 2015， 35（1）： 170174.