電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻測(cè)量及其誤差分析

葉方標(biāo)，馮贊，毛榮琴，王勇

（1.重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122；2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司重慶長(zhǎng)安汽車(chē)工程研究院，重慶401120）

電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻測(cè)量及其誤差分析

葉方標(biāo)1，馮贊1，毛榮琴2，王勇1

（1.重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122；2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司重慶長(zhǎng)安汽車(chē)工程研究院，重慶401120）

為準(zhǔn)確獲得某款電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載高壓可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（REESS）和B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載的絕緣電阻，本文分別采用無(wú)源接地式和電壓注入式兩種方法進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。結(jié)果表明，被測(cè)車(chē)輛的絕緣電阻滿足GB/T 18384.3-2015的要求，但其測(cè)量精度有待提高。

電動(dòng)汽車(chē)；絕緣電阻；誤差分析；

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組是由多個(gè)單體電池以一定的串聯(lián)或并聯(lián)方式組合而成，其電壓均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人體所能承受的范圍[1-2]。對(duì)于動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、整車(chē)控制器等核心部件，工作中會(huì)受到粉塵、振動(dòng)、潮濕和絕緣介質(zhì)老化等因素的影響，導(dǎo)致高壓部件與整車(chē)電平臺(tái)的絕緣性能?chē)?yán)重下降，進(jìn)而可能引發(fā)車(chē)輛故障、人員觸電、車(chē)輛起火等重大安全事故[3]。為保證乘客安全、電力系統(tǒng)正常工作和車(chē)輛穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確測(cè)量[4-5]和實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓系統(tǒng)[6-8]的絕緣性能具有非常重要的意義。

當(dāng)前對(duì)電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻的測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控均是依托GB/T 18384-2015系列標(biāo)準(zhǔn)[9-11]。為準(zhǔn)確測(cè)量電動(dòng)汽車(chē)高壓系統(tǒng)的絕緣電阻，本文分別采用無(wú)源接地式和電壓注入式兩種絕緣電阻檢測(cè)方法[12]對(duì)某款電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載高壓可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（REESS）和B級(jí)電力系統(tǒng)[9]負(fù)載的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

1 絕緣電阻測(cè)量原理及誤差分析

1.1 高壓REESS絕緣電阻

1.1.1 測(cè)量原理

設(shè)電動(dòng)汽車(chē)高壓REESS的總電壓為U，其正、負(fù)端子與電平臺(tái)之間的電阻分別為RP、RN，正、負(fù)端子與電平臺(tái)之間的電壓分別為UP、UN。REESS的等效模型如圖1所示，其中RC1、RC2為測(cè)量用的已知阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻。采用無(wú)源接地式方法進(jìn)行測(cè)量。

REESS絕緣電阻的測(cè)量可以通過(guò)三種狀態(tài)中的任一種計(jì)算得到：S1和S2全部斷開(kāi)和S1閉合、S2斷開(kāi)；S1和S2全部斷開(kāi)和S1斷開(kāi)、S2閉合；S1閉合、S2斷開(kāi)和S1斷開(kāi)、S2閉合。

本文對(duì)第一種狀態(tài)進(jìn)行分析。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1和S2全部斷開(kāi)時(shí)，測(cè)量正、負(fù)端子與電平臺(tái)之間的電壓分別為UP0、UN0，對(duì)A點(diǎn)由基爾霍夫電路定律[12]可以得到：

當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)，在正端子與電平臺(tái)之間引入標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1，再次測(cè)量正、負(fù)端子與電平臺(tái)之間的電壓分別為UPP、UNP，對(duì)A點(diǎn)由基爾霍夫電路定律可以得到：

由式（1）和式（2）可得RP、RN

從而REESS的絕緣電阻Ri定義為RP、RN中數(shù)值較小者與最大工作電壓U的比值

1.1.2 誤差分析

由式（3）和式（4）可知，絕緣電阻Ri的計(jì)算值與4個(gè)電壓測(cè)量值和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值密切相關(guān)。在測(cè)量過(guò)程中，電壓表的耗電量相對(duì)高壓REESS儲(chǔ)能裝置電量的比值很小，從而可假設(shè)總電壓U值不變。設(shè)電壓測(cè)量值UP0、UN0，UPP、UNP的相對(duì)誤差分別為γP0、γN0，γPP、γNP，標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1的相對(duì)誤差為γC1。待測(cè)RP、RN的實(shí)際阻值為RP0、RN0，由于測(cè)量時(shí)間較短，可以假設(shè)測(cè)量過(guò)程中RP0、RN0保持不變。根據(jù)誤差絕對(duì)值合成理論[12]，可得RP、RN的絕對(duì)誤差為：

根據(jù)式（3）、式（4）、式（6）、式（7）可得RP、RN的相對(duì)誤差γRP、γRN為

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T18384.1-2015[9]要求，選用標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1的相對(duì)誤差需滿足γC1≤2%，且RC1與REESS的最大工作電壓U之比在100～500 Ω/V范圍內(nèi)。

1.2 B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載絕緣電阻

1.2.1 測(cè)量原理

B級(jí)電力[9]系統(tǒng)負(fù)載包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、整車(chē)控制器等，其絕緣電阻包含兩個(gè)方面：B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載相對(duì)于電平臺(tái)的絕緣電阻、B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載相對(duì)于低壓輔助電路（即A級(jí)電力系統(tǒng)）的絕緣電阻。采用電壓注入式方法進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)試之前，需按照GB/T 18384.3-2015[11]的要求進(jìn)行試驗(yàn)前的準(zhǔn)備：

1）高壓REESS的端子應(yīng)從電力系統(tǒng)中斷開(kāi)。

2）B級(jí)電力系統(tǒng)除了動(dòng)力電池（燃料電池堆、電容器）之外的電源也需要將端子從電力系統(tǒng)中斷開(kāi)，如果無(wú)法斷開(kāi)需要停止能量供給。

3）絕緣電阻的測(cè)量應(yīng)包括遮攔/外殼，除非能夠提供其它評(píng)估證明該遮攔/外殼不參與絕緣防護(hù)。

4）B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載的所有帶電部分應(yīng)互相連接，其所有外露可導(dǎo)電部分應(yīng)與電平臺(tái)相連接。

5）輔助電力系統(tǒng)負(fù)載（A級(jí)電壓）的電池終端應(yīng)從輔助電路中斷開(kāi)，其所有帶電部分都應(yīng)與電平臺(tái)連接。

B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載絕緣電阻測(cè)量模型如圖2所示，通過(guò)在B級(jí)電力系統(tǒng)端子與電平臺(tái)（或A級(jí)電力系統(tǒng)）之間施加指定的直流激勵(lì)高壓U激勵(lì)，通過(guò)測(cè)量漏電電流來(lái)得到B級(jí)電力系統(tǒng)相對(duì)電平臺(tái)（或A級(jí)電力系統(tǒng)）的絕緣電阻，可得：

1.2.2 誤差分析

式（10）中的監(jiān)測(cè)電流通常都是非常微弱的，電流的微小波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致絕緣電阻阻值大幅地變化，監(jiān)測(cè)電流的精確度直接決定絕緣電阻的阻值精度。B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載絕緣電阻對(duì)測(cè)量設(shè)備的性能要求較高，一方面要求設(shè)備讀數(shù)穩(wěn)定，另一方面要求設(shè)備精確度高。

2 絕緣電阻的實(shí)車(chē)測(cè)量

某款電動(dòng)汽車(chē)的高壓REESS電壓設(shè)計(jì)值U=384 V，試驗(yàn)所用的數(shù)字萬(wàn)用表精度為±0.025%rdg.±2 dgt.，高壓絕緣電阻測(cè)試儀精度為±5%rdg.±5 dgt.。標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1阻值為100 kΩ，精度為0.1%，RC1與REESS電壓設(shè)計(jì)值U之比為260.4 Ω/V，滿足GB/T 18384.1-2015[9]的要求。

2.1 高壓REESS絕緣電阻測(cè)量

先將高壓REESS從整車(chē)中斷開(kāi)，采用數(shù)字萬(wàn)用表分別測(cè)量高壓REESS正、負(fù)端子對(duì)電平臺(tái)的電壓UP、UN；然后在正極子端與電平臺(tái)之間并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1，再分別測(cè)量正、負(fù)端子對(duì)電平臺(tái)的電壓UPP、UNP。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)數(shù)字萬(wàn)用表的精度可計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差。表1中△N0表示測(cè)量UN0的絕對(duì)誤差，△P0表示測(cè)量UP0的絕對(duì)誤差，△NP表示并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻后測(cè)量UNP的絕對(duì)誤差，△PP表示并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻后測(cè)量UPP的絕對(duì)誤差。

根據(jù)式（3）和式（4）可以計(jì)算得到RP、RN，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由于高壓REESS電壓設(shè)計(jì)值U=384 V，從表2中可知，高壓REESS電阻測(cè)量的最小值為5 160 129 Ω，則根據(jù)式（5）有高壓REESS的絕緣電阻

對(duì)表2中第4組數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行誤差分析。根據(jù)表1的絕對(duì)誤差數(shù)值，對(duì)第4組數(shù)據(jù)計(jì)算可得相對(duì)誤差γP0=2.01%、γN0=3.41%、γPP=3.20%、γNP=6.09%。標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1的相對(duì)誤差γC1=0.1%。對(duì)第4組數(shù)據(jù)，min（RP，RN）= RN，則根據(jù)式（9），可得高壓REESS絕緣電阻Ri的相對(duì)誤差：

由式（11）和式（12）可知，該車(chē)REESS絕緣電阻滿足GB/T18384.1-2015的要求，但測(cè)試精度有待提高。

2.2 B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載絕緣電阻測(cè)量

在試驗(yàn)之前，按照GB/T18384.3-2015的要求調(diào)整好樣車(chē)，采用高壓絕緣電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。由于GB/T 18384.3-2015只要求激勵(lì)電壓大于高壓REESS標(biāo)稱電壓，并未給出具體的數(shù)值，故而參考GB/T 18384.3-2001的要求，選擇激勵(lì)電壓U激勵(lì)≥max（1.5U，500），其中U為高壓REESS標(biāo)稱電壓設(shè)計(jì)值，由于U=384 V，從而確定U激勵(lì)≥576 V。結(jié)合絕緣電阻測(cè)試儀激勵(lì)電壓檔位，最終確定激勵(lì)電壓U激勵(lì)=1 000 V。由于所選用的試驗(yàn)設(shè)備能夠直接測(cè)量電阻阻值，故絕緣電阻測(cè)試儀的測(cè)量誤差即為絕緣電阻測(cè)量的誤差。

首先測(cè)量B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載對(duì)電平臺(tái)的絕緣電阻，本文選擇電機(jī)控制器正負(fù)端子進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，根據(jù)高壓絕緣電阻測(cè)試儀精度為±5%rgt.±5 dgt，可計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差。

根據(jù)表3，所有正極、負(fù)極對(duì)電平臺(tái)電阻中的最小值為18.0 MΩ，由于高壓REESS電壓設(shè)計(jì)值U=384 V，則由式（5）可得電機(jī)控制器對(duì)電平臺(tái)的絕緣電阻為：

根據(jù)表3中電平臺(tái)絕緣電阻最小值及其絕對(duì)誤差數(shù)值，可計(jì)算得電機(jī)控制器對(duì)電平臺(tái)絕緣電阻的相對(duì)誤差：

由式（13）和式（14）可知，B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載對(duì)電平臺(tái)的絕緣電阻測(cè)量值滿足GB/T18384.3-2015的要求。

接下來(lái)測(cè)量B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載對(duì)A級(jí)電力系統(tǒng)的絕緣電阻。類(lèi)似地，選擇B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載端子與A級(jí)電力系統(tǒng)輸入端子進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。其中B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載端子正極（或負(fù)極）對(duì)A級(jí)電力系統(tǒng)輸入端子正極（或負(fù)極）的絕緣電阻表示為R（Bi，Aj）。根據(jù)高壓絕緣電阻測(cè)試儀精度±5%rgt.±5 dgt，可計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差。

根據(jù)表4，所有電阻值中最小的阻值為19.6 MΩ，由于高壓REESS電壓設(shè)計(jì)值U=384V，由式（5）可得B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載端子對(duì)A級(jí)電力系統(tǒng)輸入端子的絕緣電阻：

根據(jù)表4中絕緣電阻最小阻值及其絕對(duì)誤差數(shù)值，可計(jì)算B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載端子對(duì)A級(jí)電力系統(tǒng)輸入端子絕緣電阻的相對(duì)誤差：

由式（15）和式（16）可知，B級(jí)電力系統(tǒng)負(fù)載與A級(jí)電力系統(tǒng)之間的絕緣電阻測(cè)量值滿足GB/T 18384.3-2015的要求，但其測(cè)試精度有待提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

為準(zhǔn)確測(cè)量某款電動(dòng)汽車(chē)的高壓絕緣電阻，本文首先根據(jù)基爾霍夫電路定律得到REESS正、負(fù)端子對(duì)電平臺(tái)阻值RP、RN的表達(dá)式，根據(jù)相對(duì)誤差絕對(duì)值合成理論得到RP、RN相對(duì)誤差γRP、γRN的表達(dá)式，并進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明樣車(chē)絕緣電阻滿足GB/T 18384.3-2015的要求，但絕緣電阻的測(cè)量精度有待提高。

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[10]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電動(dòng)汽車(chē)安全要求第2部分：操作安全和故障防護(hù)：GB/T18384.2-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2015：5.

[11]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電動(dòng)汽車(chē)安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)：GB/T18384.3-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2015：5.

[12]李景新，樊顏強(qiáng)，姜久春，等.電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)方法[J].汽車(chē)工程，2006，28（10）：884-887.

修改稿日期：2017-02-07

Measurement and Error Analysis of Insulation Resistance of an Electric Vehicle

Ye Fangbiao1,FengZan1,MaoRongqin2,WangYong1
(1.ChongqingVehicle Test&Research Institute,National Bus QualitySupervision&Inspection Center,Chongqing401122, China;2.ChongqingChang-an Automobile Co.,Ltd,ChongqingChang-an Automobile EngineeringResearch Institute, Chongqing401120,China)

To accurately obtain the insulation resistance values of on-board high-voltage REESS and class B electric power system load for an electric vehicle,the authors respectively apply two methods of no-source ground type and voltage injection type to measure,and analyze the relative errors of the measured data.The results showthat the insulation resistance values of the measured vehicle could meet the requirements of GB/T 18384.3-2015,but the measurement accuracyneeds tobe improved.

electric vehicle;insulation resistance;error analysis

U469.72；

B

1006-3331（2017）02-0042-04

葉方標(biāo)（1989-），男，碩士；主要從事汽車(chē)整車(chē)研究及性能檢測(cè)工作。