新能源汽車電氣絕緣檢測和監(jiān)測方法的應用

伍 昆，虞成濤，張遠鵬

（1.奇瑞商用汽車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241001；2. 江蘇合智同創(chuàng)有限公司，江蘇 常熟 215500）

新能源汽車電氣絕緣檢測和監(jiān)測方法的應用

伍 昆1，虞成濤2，張遠鵬2

（1.奇瑞商用汽車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241001；2. 江蘇合智同創(chuàng)有限公司，江蘇 常熟 215500）

介紹電動汽車絕緣電阻測試的基本要求，探討和分析電動汽車絕緣電阻問題。

新能源汽車；絕緣電阻；檢測方法

當前，能源危機和環(huán)境污染與日俱增，發(fā)展高效、節(jié)能、零排放的環(huán)保型純電動汽車已成為國內外汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。相比傳統(tǒng)燃油車，電動汽車內含有高壓部件，包括大三電（電機、電機控制器、動力電池）和小三電（電動壓縮機和高壓加熱PTC、DC/DC、高壓配電盒等附件 ）等。汽車新能源系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 汽車新能源系統(tǒng)示意圖

高壓系統(tǒng)和部件涉及絕緣問題，電動汽車（特別是混動車型）工作環(huán)境復雜，振動、溫度、濕度以及部件老化等，都會使整車絕緣性能下降。一般在動力電池系統(tǒng)內裝有一個絕緣監(jiān)控系統(tǒng)模塊，某些車型會把這個絕緣監(jiān)測模塊的功能集成到BMS上，也有的車型會直接使用一個絕緣監(jiān)控模塊。

絕緣監(jiān)控模塊主要的工作原理如下：動力電池正負極通過絕緣層與底盤構成電流回路，當整車絕緣下降時，整車漏電電流就會增大，漏電電流達到一定值時，將危及乘客安全以及整車電氣系統(tǒng)的正常運行。因此，實時監(jiān)測電動車輛高壓系統(tǒng)對車輛的電氣絕緣性能，確保車輛在絕緣狀態(tài)下運行，對保證乘客人身安全、電氣設備正常工作以及車輛安全運行具有重要意義。在目前的電動汽車產品研發(fā)中，采用母線電壓在“直流正極母線-底盤”和“直流負極母線-底盤”之間分壓來表征直流母線相對于車輛底盤的絕緣程度。但是，這種電壓分壓法只能表征直流正、負母線對底盤的相對絕緣程度，無法判斷直流正、負母線對底盤絕緣性能同步降低的情況。

1 相關標準法規(guī)的要求

國內外的電動汽車電氣安全防范相關標準法規(guī)有很多，對于安全要求大致相近，主要以高壓動力電池防護為核心，衍生出相關防護條款。各標準法規(guī)有詳細的電動汽車絕緣阻抗的測量方法介紹以及相關規(guī)范說明，對于絕緣性能評估評判關鍵指標為絕緣強度（Ω/V），標準要求為≥500 Ω/V。其中，GB/T18384.3—2015《電動汽車安全要求》第 3 部分：人員觸電防護中 6.7 規(guī)定在最大工作電壓下，直流電路絕緣強度≥100 Ω/V；交流電路應至少≥500 Ω/V 。為滿足以上要求，依據(jù)電路的結構和組件的數(shù)量，每個組件應有更高的絕緣電阻。SAE J1766 中4.4.3規(guī)定在系統(tǒng)標稱電壓下，直流電路絕緣強度≥500 Ω/V。

有關電動汽車零部件電氣安全防范，國內相關標準包括 GB/T 18488.1—2015、 GB/T 24347—2009 以及GB/T 31467.3等。從國標分析可得，各個零部件對絕緣強度的要求相差較大，有的甚至接近整車的絕緣強度要求。實際上，整車高壓系統(tǒng)包含多個部件，主要包括電機、電機驅動器、動力電池、PDU、電動壓縮機、DC/DC、制動以及轉向控制器等。如果各個零部件廠商按照國標對絕緣強度要求規(guī)定 100 Ω/V，那么整車各零部件總的絕緣阻抗就會遠低于 100 Ω/V，整車絕緣阻抗不能滿足國標絕緣要求。各個企業(yè)標準要求也不一樣，對單個高壓零部件特別是高壓線束一般要求在所有端子之間、端子與屏蔽層之間、端子和護套之間施加500 V直流電壓，保持1 min后測量絕緣電阻要求不小于20 MΩ。其指標高于 IEC/TR2 60497—1中提到人體沒有任何感覺的閥值（交流電流為 2 mA 的安全指標）的要求。對應的直流電流的部件，漏電流指標高于 IEC/TR2 60497—1中提到人體沒有任何感覺的閥值直流電流為 10 mA 的指標的要求。

2 檢測條件

2.1 B級電壓系統(tǒng)

1）測試要求說明。新能源車輛高壓電路應按GB/T18384.3—2015中規(guī)定提供直接接觸防護，布置在乘客艙或行李艙外部的B級高壓電路（60～1 500 V）的防護性能應滿足IP67的要求。各高壓部件、接口的通斷導致系統(tǒng)暴露產生潛在危險時， B級電壓系統(tǒng)應自動不帶電。

高壓部件的外殼或遮擋物上應有清晰可見的警告符號，高壓線束和電纜的外皮應用橙色加以區(qū)別。

2）動力電纜絕緣測試比較方便，可以在任何工位進行。

3）測試時確保鑰匙處于OFF或拔出狀態(tài)（即動力電池斷開連接）。

4）電機和電池包以及高壓用電器的檢測，可以參考廠家的出廠檢驗報告。

測試電壓應不小于B級電壓系統(tǒng)的最大工作電壓的直流電壓，并施加足夠長的時間以獲得穩(wěn)定的讀數(shù)。

2.2 A級電壓系統(tǒng)

如果高壓B級系統(tǒng)負載帶電部分相對于電平臺和相對于輔助電力系統(tǒng)負載帶電部分（A級電壓）如12 V輔助蓄電池供電輔助系統(tǒng)，絕緣電阻的測量按以下步驟進行。

1）車載可充電儲能系統(tǒng)（REESS）的端子從電力系統(tǒng)中斷開。

2）B級電壓系統(tǒng)除了動力電池之外的電源也需要將端子從電力系統(tǒng)中斷開，如果無法斷開也要停止供給能量。

3）電阻的測量應包括遮攔、外殼，除非能提供其他的評估，證明其不參與絕緣防護。

4）電力系統(tǒng)負載（B級電壓）所有帶電部分應相互連接。

5）電力系統(tǒng)負載所有外露可導電部分應與電平臺相連接。

6）輔助電力負載（A級電壓）的電池終端應從輔助電路中斷開。

7）輔助電力系統(tǒng)（A級電壓）所有帶電部分應與電平臺相連接。

8）測試電壓應加載在相互連接的B級電壓系統(tǒng)負載帶電部分和電平臺之間。用合適的設備進行測量（例如兆歐表，按提供所需的直流測試電壓）。

3 檢測方法

以高壓線束和動力電池系統(tǒng)為例，對測試點的檢測說明如下。

1）斷開動力線纜與電器連接的相關插件，各端子說明如圖2所示。

圖2 高壓動力電纜和動力電池系統(tǒng)測試端口說明

2）確保絕緣測試設備接線正確，接線及校準方式按說明書要求。

3）穿戴好絕緣手套，將絕緣表負極測試端子連接到車身（前艙蓋鎖固定螺栓），如圖3所示。

4）絕緣表測試正極探頭連接到總正插頭或總負插頭的端子，如圖4所示。

圖3 絕緣表負極端子連接

圖4 絕緣表正極端子連接

5）連接完成后，按絕緣表上的測試鍵開始測試，儀表屏幕上會顯示測試的電阻值。當所測試阻值大于測試量程時，儀表會顯示大于符號以及目前量程的最大值。各端子測量情況如表1所示，滿足絕緣要求。

表1 動力電池系統(tǒng)各端子絕緣阻值測量結果

4 絕緣強度區(qū)域劃分和監(jiān)測

絕緣強度區(qū)域分為高安全區(qū)域、安全區(qū)域、一般漏電告警區(qū)域、嚴重漏電告警區(qū)域以及高危害區(qū)域等5個區(qū)域；絕緣強度監(jiān)測區(qū)域包括安全區(qū)域、一般漏電告警區(qū)域、嚴重漏電告警區(qū)域等3個區(qū)域。各區(qū)域定義如下。

高危害區(qū)域：車輛絕緣嚴重受損，危及人身安全。如電纜直接搭鐵和高壓用電器對搭鐵短路等。

嚴重漏電告警區(qū)域：紅色區(qū)域，存在絕緣問題。如電纜部分搭鐵和高壓用電器內部故障等。

一般漏電告警區(qū)域：黃色區(qū)域，存在輕微漏電現(xiàn)象。如電纜磨破等。

安全區(qū)域：綠色區(qū)域，絕緣良好。

高安全區(qū)域：絕緣很好。

其中嚴重漏電閥值與一般漏電閥值為臨界區(qū)域，在此區(qū)域內可以根據(jù)國家標準及整車的指標進行報警設計。業(yè)內不同廠家對監(jiān)測區(qū)域中嚴重漏電閥值、一般漏電閥值的設定值基本類似。例如：國內某電動汽車制造商對監(jiān)測區(qū)域中漏電閥值分別設定為 200 kΩ、500 kΩ。

一般絕緣阻抗監(jiān)測儀的監(jiān)測范圍較寬，為 0～30 MΩ。在這么寬的監(jiān)測范圍要保證絕緣精度比較難。絕緣電阻監(jiān)測儀為監(jiān)測設備，而不是精準的測量儀器，只需保證監(jiān)測區(qū)的絕緣強度監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，滿足測量精度之指標要求即可。對于高危害區(qū)域和高安全區(qū)域，監(jiān)測精度要求可以放低。重點應該對嚴重漏電閥值與一般漏電閥值之間的區(qū)域監(jiān)測精度嚴格把控（一般精度誤差：100 kΩ＜絕緣電阻≤10 MΩ，精度小于±15%）。

對絕緣報警功能及精度測試，需待完成電源系統(tǒng)和零部件絕緣測試（絕緣值大于20 MΩ）后進行。一般測試過程為在電源總負和動力電池箱搭鐵之間分別并入1 MΩ、500 kΩ和200 kΩ電阻，檢測動力電池系統(tǒng)的BMS或絕緣監(jiān)測模塊監(jiān)測到的絕緣阻值后做處理和判斷。通過CAN信號上報絕緣漏電故障和絕緣強度區(qū)域相應的絕緣阻值，分別在儀表上顯示“Normal”（綠燈）、“Warning”（黃燈）和“Fault”（紅燈），同時依據(jù)GB/T 32960.3—2016《電動汽車遠程服務與管理系統(tǒng)技術規(guī)范》第3部分整車數(shù)據(jù)部分，要求上報整車的絕緣電阻值數(shù)據(jù)到遠程的監(jiān)測平臺，以方便監(jiān)控管理以及救援，如圖5所示。如檢測結果與上述描述不一致，則加以記錄并進行排查。如果行車過程中發(fā)生絕緣故障，一般按照故障的嚴重程度類別，分別做儀表報警和限制功率以及停車等處理。

圖5 國標規(guī)定平臺實時信息上報數(shù)據(jù)

5 結論

根據(jù)國內相關電動汽車絕緣電阻標準法規(guī)，探討和分析了電動汽車絕緣電阻問題，得出以下結論，以供參考。

1）電動汽車絕緣電阻大體分兩個級別：整車絕緣強度應該高于國標100 Ω/V 要求，建議不低于 500 Ω/V。高壓零部件與殼體之間絕緣阻值應大于20 MΩ。

2）整車電氣絕緣故障處理，建議分3個級別處理，并且按照安全級別的劃分為安全區(qū)域、一般漏電告警區(qū)域、嚴重漏電告警區(qū)域3個區(qū)域。對于漏電應該提前進行預判和報警，在輕微漏電時，對整車功率進行限制并上報故障，做到重大故障發(fā)生前的控制，同時整車的絕緣電阻值也需要發(fā)送到遠程監(jiān)測平臺，以方便監(jiān)控管理以及救援。

The Application of Testing and Monitoring Methods For Electric Vehicle Insulation Resistance

WU Kun1， YU Cheng-tao2， ZHANG Yuan-peng2
（1. Chery Holding Co.， Ltd.， Wuhu 241001； 2. Jiangsu In Vehicle Technology Co.， Ltd.， Changshu 215500， China）

This article introduces basic requirements of EV insulation resistance test， discusses and analyzes issues of insulation resistance.

EV； insulation resistance； testing method

U469.72

A

1003-8639（2017）12-0009-03

2017-02-14；

2017-03-06

伍昆（1977-），男，高級工程師，從事新能源電池包系統(tǒng)及高壓附件設計工作；虞成濤（1989-），男，工程師，從事新能源高低壓線束設計工作；張遠鵬（1979-），男，總經理，從事汽車電子產品和新能源高壓附件產品研發(fā)多年。

（編輯 心 翔）