电动汽车绝缘监测技术研究

2020-08-21魏曙光

机械管理开发 2020年8期

刘斌, 魏曙光，袁东

（1.陆军装甲兵学院，北京 100072； 2.中国人民解放军65447部队，黑龙江齐齐哈尔 161000）

引言

近年来，随着新能源汽车的推广和普及，电动汽车的保有量大幅增加。对于纯电动汽车，动力电池是车上唯一的动力源，其电压普遍在300 V以上，一些大型电动客车甚至超过600 V[1]。对于如此高的电压，若高压系统与车体之间的绝缘出现了损伤或破坏，使绝缘性能下降，将严重危及车内人员的安全。因此，实时准确地监测电动汽车高压系统对车辆底盘的绝缘性能，对保证车内人员的人身安全和车辆的安全运行具有十分重要的意义。

1 电动汽车绝缘监测模型

纯电动汽车的电气系统由高压系统和低压系统两部分组成，其整车结构简图如图1所示[2]。低压系统为车辆的中央控制器、灯光、仪表、多媒体设备以及其他低压设备等提供电能，其使用的电压较低，且低压系统的负极直接连接在车体上，故不存在绝缘监测的问题。高压系统为车辆的驱动电机等部件提供电能，电压高、能量大，是绝缘监测的任务对象。对于混合动力或燃料电池动力的车辆，其电气系统的组成与纯电动汽车并无差别，绝缘监测的设计与使用也都相同。

图1 电动汽车整车结构图

电动汽车高压系统的绝缘性能用绝缘电阻的阻值来衡量。所谓绝缘电阻，就是如果高压系统母线与车辆底盘之间出现漏电电流对应的电阻。由图2可以看出：当出现一点绝缘故障时，会引起车辆底盘的电位发生变化，若此时有人员不慎接触到高压母线，将构成回路，造成触电事故；当出现两点或多点绝缘性能下降时，会形成漏电流回路，造成热积累，严重时将发生火灾。因此，绝缘监测系统最重要的功能就是监测电动汽车高压系统正负母线与车体之间绝缘电阻的阻值。根据电动汽车安全要求GB/T 18383—2015中的规定[3]，在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值应至少大于100 Ω/V。

图2 绝缘电阻示意图

2 常用的绝缘监测方法

目前，常用的绝缘监测方法主要有电桥法、信号注入法和支路检测法。

2.1 电桥法

电桥法是一种无源监测方法，其基本原理是用电桥法测电阻，其形式有平衡电桥法和非平衡电桥法两种。

2.1.1 平衡电桥法

平衡电桥法的原理如下页图3所示[4]。R+为正母线与地之间的绝缘电阻，R-为负母线与地之间的绝缘电阻，R0为已知的标准电阻，Ux为两桥臂中点间的电势差。在正常情况下，绝缘状况良好，R+=R-=∞，电桥平衡，Ux=0；当正母线出现绝缘强度下降时，即当R+降低、R-不变时，电桥失去了平衡，Ux＞0；反之，当负母线出现绝缘强度下降时，即当R-降低、R+不变时，Ux＜0。这样，通过Ux的测量值，即可判定系统正负母线与地之间的绝缘状况。

图3 平衡电桥法

平衡电桥法测量电阻速度较快，能够实时监测系统的绝缘状态，但是无法准确测量两极同时接地时的绝缘电阻。当两极同时接地时，平衡电桥法只能将R+、R-中较大的一个看作无穷大，计算出的绝缘电阻阻值会有较大的误差。

2.1.2 非平衡电桥法

非平衡电桥法的原理如图4所示[5]。R+为正母线与地之间的绝缘电阻，R-为负母线与地之间的绝缘电阻，R0为偏置电阻，S1、S2的通断决定了偏置电阻R0是与R+并联还是与R-并联，R1和R2、R3和R4分别构成正、负母线的分压测量电路，分别测量正、负母线对地电压。测量方法如下：首先闭合S1和S2，记录所测的电压U+和U-的值，之后通过比较U+和U-的大小来确定R0是和R+、R-中的哪一个并联。如果所测的U+＞U-，那么闭合开关 S1，断开开关 S2，再次测得一组电压U+'、U-'，由基尔霍夫电流定律可得：

联立上述两式，可以解得：

图4 非平衡电桥法

同理当U+＜U-时，按照上面的方法也可以得出绝缘电阻值。

非平衡电桥法相较于平衡电桥法可以较精准地测量各种接地类型的接地电阻，但是需要依赖检测周期，有延时性，测量速度相对较慢，且接触器一直工作在频繁的切换状态，使用寿命大幅降低。平衡电桥法和非平衡电桥法都不能实现系统上电前的巡检。

2.2 信号注入法

信号注入法是一种有源监测方法，其原理是向待测系统中注入一个已知的信号，根据测量信号的踪迹，获得系统母线与车体之间绝缘电阻的阻值。根据注入信号的类型不同，可分为高压注入法、低频信号注入法、高频信号注入法、双频法。

2.2.1 高压注入法

高压注入法，即在系统直流母线与底盘之间注入一高电压，通过测量该高电压下的漏电流，从而得到系统母线对地的绝缘阻值[6]。其原理类似于普通的兆欧表，原理如图5所示。

图5 高压注入法

高压注入法可以较准确地测得系统正负母线的绝缘电阻，但注入的高压会对系统造成较大冲击，设计时需要考虑系统中电气设备的承受能力。高压注入法需要依赖检测周期，有延时性，测量速度相对较慢，且接触器一直工作在频繁的切换状态，使用寿命大幅降低，这与非平衡电桥法类似。由于高压注入法的检测信号是由独立的电源发出的，不依赖系统母线的电压，故高压注入法能够实现系统上电前的巡检。

2.2.2 低频信号注入法

低频信号注入法与高压注入法的原理类似，如下页图6所示，但低频信号注入法使用的是低频交流信号，幅值一般在十几伏到几十伏[7]。其好处是不会对系统产生较大的冲击，但测得值为阻抗，测量的绝缘电阻阻值存在一定的误差。

2.2.3 高频信号注入法

高频信号注入法与低频信号注入法的原理相同，如下页图7所示。由于采用的信号是高频信号，故可采用电容与母线隔离，且可以长时间挂在母线上。但该方法容易受系统分布电容的干扰，且测得值为阻抗，不易标定告警点。

图6 低频信号注入法

图7 高频信号注入法

2.2.4 双频法

双频法考虑到了系统的分布电容对绝缘电阻测量的影响[8]，如图8所示，为了消除影响，向待测系统中交替注入两路幅值相同、频率不同的激励源，通过测量两路信号的踪迹，即可准确测得正负母线与地之间绝缘电阻的阻值。这样测量的结果为绝缘电阻的纯电阻值，不包含系统的分布电容。

图8 双频法

2.3 支路检测法

支路检测法的基本原理是通过在系统支路上加装霍尔电流传感器，从而可以直接检测出该支路的不平衡电流，即支路正负极电流差值，此电流即为该支路的漏电流[9]。如图9所示：当检测支路无接地故障时，传感器检测的漏电流为零；而当检测支路发生接地故障时，传感器检测出的漏电流不为零，且漏电流越大该支路的绝缘性能越差。

支路检测法的传感器与被测系统的不存在直接的电气连接，对被测系统的运行不会产生任何影响，且不受系统分布电容的影响。该方法既可被应用在系统母线上，也可被应用在某一支路上，故可实现绝缘故障的定位。但该方法易受直流母线的纹波电压和空间电磁等的干扰，检测误差较大，信号分析与处理难度较大。