電動(dòng)汽車絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

劉 斌, 魏曙光， 袁 東

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院， 北京 100072； 2.中國(guó)人民解放軍65447部隊(duì)， 黑龍江 齊齊哈爾 161000）

引言

近年來(lái)，隨著新能源汽車的推廣和普及，電動(dòng)汽車的保有量大幅增加。對(duì)于純電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池是車上唯一的動(dòng)力源，其電壓普遍在300 V以上，一些大型電動(dòng)客車甚至超過(guò)600 V[1]。對(duì)于如此高的電壓，若高壓系統(tǒng)與車體之間的絕緣出現(xiàn)了損傷或破壞，使絕緣性能下降，將嚴(yán)重危及車內(nèi)人員的安全。因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)對(duì)車輛底盤(pán)的絕緣性能，對(duì)保證車內(nèi)人員的人身安全和車輛的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 電動(dòng)汽車絕緣監(jiān)測(cè)模型

純電動(dòng)汽車的電氣系統(tǒng)由高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)兩部分組成，其整車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[2]。低壓系統(tǒng)為車輛的中央控制器、燈光、儀表、多媒體設(shè)備以及其他低壓設(shè)備等提供電能，其使用的電壓較低，且低壓系統(tǒng)的負(fù)極直接連接在車體上，故不存在絕緣監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。高壓系統(tǒng)為車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件提供電能，電壓高、能量大，是絕緣監(jiān)測(cè)的任務(wù)對(duì)象。對(duì)于混合動(dòng)力或燃料電池動(dòng)力的車輛，其電氣系統(tǒng)的組成與純電動(dòng)汽車并無(wú)差別，絕緣監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與使用也都相同。

圖1 電動(dòng)汽車整車結(jié)構(gòu)圖

電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)的絕緣性能用絕緣電阻的阻值來(lái)衡量。所謂絕緣電阻，就是如果高壓系統(tǒng)母線與車輛底盤(pán)之間出現(xiàn)漏電電流對(duì)應(yīng)的電阻。由圖2可以看出：當(dāng)出現(xiàn)一點(diǎn)絕緣故障時(shí)，會(huì)引起車輛底盤(pán)的電位發(fā)生變化，若此時(shí)有人員不慎接觸到高壓母線，將構(gòu)成回路，造成觸電事故；當(dāng)出現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)絕緣性能下降時(shí)，會(huì)形成漏電流回路，造成熱積累，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生火災(zāi)。因此，絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最重要的功能就是監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)正負(fù)母線與車體之間絕緣電阻的阻值。根據(jù)電動(dòng)汽車安全要求GB/T 18383—2015中的規(guī)定[3]，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)至少大于100 Ω/V。

圖2 絕緣電阻示意圖

2 常用的絕緣監(jiān)測(cè)方法

目前，常用的絕緣監(jiān)測(cè)方法主要有電橋法、信號(hào)注入法和支路檢測(cè)法。

2.1 電橋法

電橋法是一種無(wú)源監(jiān)測(cè)方法，其基本原理是用電橋法測(cè)電阻，其形式有平衡電橋法和非平衡電橋法兩種。

2.1.1 平衡電橋法

平衡電橋法的原理如下頁(yè)圖3所示[4]。R+為正母線與地之間的絕緣電阻，R-為負(fù)母線與地之間的絕緣電阻，R0為已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻，Ux為兩橋臂中點(diǎn)間的電勢(shì)差。在正常情況下，絕緣狀況良好，R+=R-=∞，電橋平衡，Ux=0；當(dāng)正母線出現(xiàn)絕緣強(qiáng)度下降時(shí)，即當(dāng)R+降低、R-不變時(shí)，電橋失去了平衡，Ux＞0；反之，當(dāng)負(fù)母線出現(xiàn)絕緣強(qiáng)度下降時(shí)，即當(dāng)R-降低、R+不變時(shí)，Ux＜0。這樣，通過(guò)Ux的測(cè)量值，即可判定系統(tǒng)正負(fù)母線與地之間的絕緣狀況。

圖3 平衡電橋法

平衡電橋法測(cè)量電阻速度較快，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)，但是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量?jī)蓸O同時(shí)接地時(shí)的絕緣電阻。當(dāng)兩極同時(shí)接地時(shí)，平衡電橋法只能將R+、R-中較大的一個(gè)看作無(wú)窮大，計(jì)算出的絕緣電阻阻值會(huì)有較大的誤差。

2.1.2 非平衡電橋法

非平衡電橋法的原理如圖4所示[5]。R+為正母線與地之間的絕緣電阻，R-為負(fù)母線與地之間的絕緣電阻，R0為偏置電阻，S1、S2的通斷決定了偏置電阻R0是與R+并聯(lián)還是與R-并聯(lián)，R1和R2、R3和R4分別構(gòu)成正、負(fù)母線的分壓測(cè)量電路，分別測(cè)量正、負(fù)母線對(duì)地電壓。測(cè)量方法如下：首先閉合S1和S2，記錄所測(cè)的電壓U+和U-的值，之后通過(guò)比較U+和U-的大小來(lái)確定R0是和R+、R-中的哪一個(gè)并聯(lián)。如果所測(cè)的U+＞U-，那么閉合開(kāi)關(guān) S1，斷開(kāi)開(kāi)關(guān) S2，再次測(cè)得一組電壓U+'、U-'，由基爾霍夫電流定律可得：

聯(lián)立上述兩式，可以解得：

圖4 非平衡電橋法

同理當(dāng)U+＜U-時(shí)，按照上面的方法也可以得出絕緣電阻值。

非平衡電橋法相較于平衡電橋法可以較精準(zhǔn)地測(cè)量各種接地類型的接地電阻，但是需要依賴檢測(cè)周期，有延時(shí)性，測(cè)量速度相對(duì)較慢，且接觸器一直工作在頻繁的切換狀態(tài)，使用壽命大幅降低。平衡電橋法和非平衡電橋法都不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電前的巡檢。

2.2 信號(hào)注入法

信號(hào)注入法是一種有源監(jiān)測(cè)方法，其原理是向待測(cè)系統(tǒng)中注入一個(gè)已知的信號(hào)，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的蹤跡，獲得系統(tǒng)母線與車體之間絕緣電阻的阻值。根據(jù)注入信號(hào)的類型不同，可分為高壓注入法、低頻信號(hào)注入法、高頻信號(hào)注入法、雙頻法。

2.2.1 高壓注入法

高壓注入法，即在系統(tǒng)直流母線與底盤(pán)之間注入一高電壓，通過(guò)測(cè)量該高電壓下的漏電流，從而得到系統(tǒng)母線對(duì)地的絕緣阻值[6]。其原理類似于普通的兆歐表，原理如圖5所示。

圖5 高壓注入法

高壓注入法可以較準(zhǔn)確地測(cè)得系統(tǒng)正負(fù)母線的絕緣電阻，但注入的高壓會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大沖擊，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮系統(tǒng)中電氣設(shè)備的承受能力。高壓注入法需要依賴檢測(cè)周期，有延時(shí)性，測(cè)量速度相對(duì)較慢，且接觸器一直工作在頻繁的切換狀態(tài)，使用壽命大幅降低，這與非平衡電橋法類似。由于高壓注入法的檢測(cè)信號(hào)是由獨(dú)立的電源發(fā)出的，不依賴系統(tǒng)母線的電壓，故高壓注入法能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上電前的巡檢。

2.2.2 低頻信號(hào)注入法

低頻信號(hào)注入法與高壓注入法的原理類似，如下頁(yè)圖6所示，但低頻信號(hào)注入法使用的是低頻交流信號(hào)，幅值一般在十幾伏到幾十伏[7]。其好處是不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊，但測(cè)得值為阻抗，測(cè)量的絕緣電阻阻值存在一定的誤差。

2.2.3 高頻信號(hào)注入法

高頻信號(hào)注入法與低頻信號(hào)注入法的原理相同，如下頁(yè)圖7所示。由于采用的信號(hào)是高頻信號(hào)，故可采用電容與母線隔離，且可以長(zhǎng)時(shí)間掛在母線上。但該方法容易受系統(tǒng)分布電容的干擾，且測(cè)得值為阻抗，不易標(biāo)定告警點(diǎn)。

圖6 低頻信號(hào)注入法

圖7 高頻信號(hào)注入法

2.2.4 雙頻法

雙頻法考慮到了系統(tǒng)的分布電容對(duì)絕緣電阻測(cè)量的影響[8]，如圖8所示，為了消除影響，向待測(cè)系統(tǒng)中交替注入兩路幅值相同、頻率不同的激勵(lì)源，通過(guò)測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)的蹤跡，即可準(zhǔn)確測(cè)得正負(fù)母線與地之間絕緣電阻的阻值。這樣測(cè)量的結(jié)果為絕緣電阻的純電阻值，不包含系統(tǒng)的分布電容。

圖8 雙頻法

2.3 支路檢測(cè)法

支路檢測(cè)法的基本原理是通過(guò)在系統(tǒng)支路上加裝霍爾電流傳感器，從而可以直接檢測(cè)出該支路的不平衡電流，即支路正負(fù)極電流差值，此電流即為該支路的漏電流[9]。如圖9所示：當(dāng)檢測(cè)支路無(wú)接地故障時(shí)，傳感器檢測(cè)的漏電流為零；而當(dāng)檢測(cè)支路發(fā)生接地故障時(shí)，傳感器檢測(cè)出的漏電流不為零，且漏電流越大該支路的絕緣性能越差。

支路檢測(cè)法的傳感器與被測(cè)系統(tǒng)的不存在直接的電氣連接，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生任何影響，且不受系統(tǒng)分布電容的影響。該方法既可被應(yīng)用在系統(tǒng)母線上，也可被應(yīng)用在某一支路上，故可實(shí)現(xiàn)絕緣故障的定位。但該方法易受直流母線的紋波電壓和空間電磁等的干擾，檢測(cè)誤差較大，信號(hào)分析與處理難度較大。

圖9 支路檢測(cè)法

4 結(jié)論

以電動(dòng)汽車絕緣監(jiān)測(cè)的模型，分析幾種絕緣監(jiān)測(cè)方法的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)這些特點(diǎn)，可以為不同的應(yīng)用場(chǎng)合選擇不同的絕緣監(jiān)測(cè)方案，也可為設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的復(fù)合絕緣監(jiān)測(cè)方案提供參考。