電動汽車絕緣電阻計算方法研究

張?zhí)鞆?宋芳

（1.中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：絕緣電阻 高壓系統(tǒng) 電動汽車

1 前言

電動汽車的能源系統(tǒng)和動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車完全不同，能源和動力系統(tǒng)高電壓的特點使電動汽車的高壓絕緣性能成為需要研究的關鍵問題[1]。電動汽車的絕緣電阻直接反映高壓系統(tǒng)與電平臺之間的絕緣性能，直接影響駕乘人員的觸電安全。作為高壓安全設計的核心指標，絕緣電阻在國內(nèi)外標準法規(guī)中均有嚴格的要求，并需要在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)始終滿足。

整車生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)流程中會多次進行絕緣電阻的計算校核與測試驗證。在高壓系統(tǒng)設計初期，需要通過計算各部件的絕緣電阻核算整車的絕緣電阻，以保證產(chǎn)品在滿足標準法規(guī)要求的前提下留有一定的安全冗余，冗余量一般是法規(guī)要求值的5～10 倍或更高[2]。在進行整車絕緣電阻測試時，有時由于在上電情況下無法一次測試出包含所有高壓總成的系統(tǒng)絕緣電阻，也需要根據(jù)系統(tǒng)測試結果和總成測量值計算系統(tǒng)絕緣電阻[3]。在這種情況下，絕緣電阻的計算成為影響測試結果的一個重要因素。

目前通用的絕緣電阻計算方法存在計算誤差較大、不適合有電源與無電源系統(tǒng)混合計算的問題，為此，本文提出一種正負極獨立計算的高壓絕緣電阻計算方法，并進行驗證。

2 電動汽車絕緣電阻概述

2.1 電動汽車絕緣電阻的分類

電動汽車的絕緣電阻可以分為3個層級：高壓總成的絕緣電阻；由若干高壓部件組成的高壓子系統(tǒng)的絕緣電阻，可分為有電源系統(tǒng)和無電源系統(tǒng)絕緣電阻；整車高壓系統(tǒng)絕緣電阻，由幾個互相隔離的子系統(tǒng)組成[4]。

其中，總成絕緣電阻是保證整車絕緣電阻滿足安全要求的基礎。高壓子系統(tǒng)的絕緣電阻主要用于確定整車絕緣電阻值，因為一般整車高壓系統(tǒng)中各子系統(tǒng)不在同一回路內(nèi)，其絕緣電阻并不會彼此影響，最低的絕緣電阻決定了整個系統(tǒng)的安全性，因此整車的絕緣電阻為幾個子系統(tǒng)中絕緣電阻最小的子系統(tǒng)的絕緣電阻。

2.2 電動汽車絕緣電阻要求

目前國內(nèi)外標準法規(guī)中對絕緣電阻的要求基本一致，對每個獨立的高壓回路進行了系統(tǒng)級別的絕緣電阻要求?；谌梭w直流安全電流10 mA、交流安全電流2 mA的限制，對于直流電路的絕緣電阻要求≥100 Ω/V，交流電路絕緣電阻要求≥500 Ω/V，直流和交流混合電路絕緣電阻要求≥500 Ω/V[3]。

2.3 電動汽車絕緣電阻測試方法

依據(jù)絕緣電阻的分類，絕緣電阻的測試包括總成級測試、系統(tǒng)級測試與整車級測試。

按照測試方法本身的分類，可以分為不含電源的總成/系統(tǒng)測試和動力電池本身及包含電源的系統(tǒng)測試。對于不含電源的總成及系統(tǒng)，由于本身不具有電壓源，需要采用可以提供測試電壓的設備，如絕緣表或者絕緣耐壓測試儀；對于動力電池或包含動力電池的高壓系統(tǒng)，由于其本身具有電壓，如采用有電源測試設備，會造成測試電壓疊加而影響測試結果，因此需要采用可借助本身電壓進行測試的方法，目前常用的方法是GB 18384—2020中規(guī)定的測試方法，常稱為“五步法”。

各種情況下的絕緣電阻測試方法如表1所示。

表1 電動汽車絕緣電阻類別與測試方法

2.3.1 不含電源的總成/系統(tǒng)的測試

不含電源的總成/系統(tǒng)的測試通常在試驗室內(nèi)進行，一般采用絕緣耐壓測試儀或絕緣表，試驗電壓需要調(diào)至不低于被測總成所在高壓系統(tǒng)的最高工作電壓。測試時需將高壓總成所有高壓端子連接在一起作為一個檢測點，將所有低壓端子和總成的可導電外殼或電平臺連接在一起作為另一個檢測點，如圖1所示，其中，HV+表示高壓正極，HV-表示高壓負極，Ri為總成的絕緣電阻。將絕緣耐壓測試儀的2 個測試表筆分別連接于2 個檢測點，施加不小于系統(tǒng)最高電壓的測試電壓，待測試值穩(wěn)定后讀取即可[3]。

圖1 高壓部件絕緣電阻測試連接示意

該方法將所有高壓回路并聯(lián)在一起是為了避免高壓部件中的一些開關在非上電狀態(tài)下處于斷開狀態(tài)，從而導致部件內(nèi)部分高壓回路無法測試到的情況。

2.3.2 動力電池本身及包含電源系統(tǒng)的測試方法

五步法測試需要整車在上電狀態(tài)下進行，將動力電池作為測試電源，通過電壓檢測裝置測試被測系統(tǒng)高壓正極、負極對地串入電阻前、后的高壓正極、負極對地電壓并帶入公式計算出被測系統(tǒng)中絕緣電阻較小的一極的絕緣電阻，如圖2所示，其中Ri+為正極絕緣電阻，Ri-為負極絕緣電阻[3]。測試動力電池本身與測試有電源系統(tǒng)的區(qū)別在于動力電池是否連接了其他高壓負載，測試方法完全一致。

圖2 正極與負極絕緣電阻示意

五步法測試時將高壓正、負極中絕緣電阻較小的一極的絕緣情況作為動力電池/有電源系統(tǒng)的絕緣情況。

2.3.3 整車絕緣電阻測試方法

電動汽車中互相獨立的高壓子系統(tǒng)需要分別進行絕緣電阻測試，測試方法可以依據(jù)其是否包含電源來確定，測試后所得的各子系統(tǒng)絕緣電阻中的最小值即為整車絕緣電阻。

3 絕緣電阻計算方法研究

3.1 通用絕緣電阻計算方法及其缺點

目前通用的高壓系統(tǒng)絕緣電阻計算方法是將高壓系統(tǒng)中包含的所有高壓部件的絕緣電阻進行并聯(lián)，進而得到系統(tǒng)的絕緣電阻：

式中，Rj(j=1,2,…,n)為編號為j的高壓部件的絕緣電阻；n為系統(tǒng)中高壓部件數(shù)量。

理論上此方法的原則與思路正確，但在實際應用時，對于整車高壓系統(tǒng)主回路，絕緣電阻理論計算結果遠低于實際測試結果。

3.2 正負極獨立計算的絕緣電阻計算方法

絕緣電阻的層級及絕緣電阻測試方法是通用計算方法在進行高壓主回路絕緣電阻計算中結果誤差大的根本原因。

有電源系統(tǒng)與無電源系統(tǒng)測試方法的關鍵性區(qū)別如表2所示。通用計算方法在進行高壓主回路系統(tǒng)的絕緣電阻測試時，將2種測試方法得到的絕緣電阻同時作為系統(tǒng)絕緣電阻計算的參數(shù)輸入，因此造成了系統(tǒng)絕緣電阻的誤差。而在進行無電源系統(tǒng)的計算時，通用的公式是完全適用的。簡而言之，通用的計算方法不適用于不同測試方法得到的絕緣電阻結果的混合計算。

表2 電動汽車絕緣電阻各類別測試結果所代表的含義

針對誤差產(chǎn)生的原因，本文提出一種正、負極獨立計算的絕緣電阻計算方法，著重考慮絕緣電阻針對有電源和無電源總成/系統(tǒng)的2種測試方法的異同點，對高壓系統(tǒng)的絕緣電阻兩極進行分別計算，如圖3、圖4所示，其中高壓系統(tǒng)正、負極絕緣電阻計算公式分別為：

圖3 高壓系統(tǒng)正極絕緣電阻示意

圖4 高壓系統(tǒng)負極絕緣電阻示意

式中，Rj+、Rj-(j=1,2,…,n)分別為編號為j的高壓部件的正、負極絕緣電阻。

選取Ri+與Ri-中較小的一個作為系統(tǒng)/子系統(tǒng)的絕緣電阻值。

需要注意的是，在進行計算時，需要帶入的總成的絕緣電阻為正極與負極分別對地的絕緣電阻值，但也應考慮總成內(nèi)部是否存在開關，進行單極測試時是否會影響測試結果。

3.3 正、負極獨立計算方法驗證

由于通用計算方法主要在進行高壓主回路計算時的誤差較大，以高壓系統(tǒng)主回路作為試驗對象。首先測試包括動力電池在內(nèi)的所有高壓總成絕緣電阻，及除動力電池外的其他總成的正、負極的單極絕緣電阻；然后測試高壓系統(tǒng)主回路的絕緣電阻，用于計算結果準確性的對比；最后對比通用的絕緣電阻計算方法和正、負極獨立計算方法與實際測量值的匹配情況。

選取某車型高壓主回路進行2 種方法的對比驗證。被測車輛高壓系統(tǒng)最高工作電壓403 V，主回路拓撲結構如圖5所示，其高壓主回路包含動力電池、充電機集成DC/DC、高壓配電盒、逆變器集成電機、空調(diào)壓縮機及4根高壓電線束總成。

圖5 試驗車高壓系統(tǒng)主回路拓撲結構

3.3.1 總成絕緣電阻測試

針對主回路總成的特性差異，需采用不同的方法進行測試。

動力電池總成因自身帶有電源，其絕緣電阻的測試采用五步法，且為了進行后續(xù)正、負極獨立計算方法的驗證，對動力電池總成的正極和負極的絕緣電阻均進行了測試；測試前動力電池需滿電；測試前通過軟件控制屏蔽了電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）內(nèi)的絕緣監(jiān)測裝置。測試所用的電壓檢測裝置為同品牌同型號的萬用表，其內(nèi)阻均為10 MΩ。

進行第1組數(shù)據(jù)測試，測試絕緣電阻較小側的絕緣電阻，具體步驟為：

a.用2個相同的電壓檢測裝置同時測量動力電池的正、負極與電平臺間的電壓，較高的一個為U1，較低的一個為；

b.將阻值為1 MΩ的電阻R0并聯(lián)在動力電池的電壓較高的一極與外殼之間；

c.用2 個電壓檢測裝置同時測量動力電池的正、負極與電平臺之間的電壓，并聯(lián)電阻側測量值為U2，另外一側測量值為。

再進行第2組數(shù)據(jù)測試，測試絕緣電阻較大側的絕緣電阻。步驟與第1 組相同，其中動力電池的正、負極與電平臺之間的電壓較高的一個為，較低的一個為U1。

并聯(lián)電阻側測量值為U2，另一側測量值為。2組測試結果如表3所示，GB 18384—2020中的絕緣電阻公式為：

表3 動力電池測試結果

式中，r為萬用表的內(nèi)阻。

由式（4）計算可得電池的絕緣電阻R+≈13.64 MΩ，R-≈13.70 MΩ。

高壓電線束測試中，因為其不具有金屬外殼，無法找到高壓測試點外的另一個有效的測試點，因此將高壓電線束的絕緣層部分浸入導電溶液。將導電溶液作為另一個測量點，如圖6所示[5]。使用絕緣測試設備測試彼此連接的端子與線束外表面間的絕緣電阻。

圖6 高壓線束絕緣電阻測試

其他各高壓部件的絕緣電阻采用絕緣耐壓測試儀進行測試，試驗電壓采用系統(tǒng)最高工作電壓403 V。分別針對單獨正極、單獨負極、所有高壓端子并聯(lián)進行了3組測試。試驗前已確認總成內(nèi)沒有未激活的開關，其單極絕緣電阻為有效值。

完成以上試驗后，高壓直流回路內(nèi)所有總成的絕緣電阻情況如表4所示。

表4 系統(tǒng)中所有總成的絕緣電阻測試結果 GΩ

3.3.2 整車絕緣電阻測試

整車測試在室內(nèi)進行，試驗過程中被測車輛處于靜置狀態(tài)。因采用動力電池作為測試電壓源，為提高測試準確性及與總成測試的一致性，在測試前已將動力電池充滿。為防止整車原有絕緣檢測裝置的干擾，測試前通過CAN工具屏蔽車輛自身的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。

測試點選擇被測主回路末端的逆變器連接點，測試連接完成后將點火開關置于“ON”擋，使車輛處于高壓上電狀態(tài)，并保證車輛上所有高壓系統(tǒng)相關部件處于激活狀態(tài)，之后的測試方法與動力電池絕緣電阻相同。同樣，為了與計算出的正、負極絕緣電阻進行分別對比，也進行了2組測試，分別為兩極中較小的絕緣電阻與較大的絕緣電阻，具體測試結果如表5所示。

表5 高壓主回路絕緣電阻測試結果

帶入式（4）可得Ri+≈2.48 MΩ，Ri-≈2.53 MΩ。選取正、負極中較小的2.48 MΩ作為高壓系統(tǒng)主回路的絕緣電阻。

3.3.3 試驗數(shù)據(jù)與計算方法對比分析

總成絕緣電阻中有6 個部件的絕緣電阻數(shù)量級達到GΩ 級別，本次驗證的目的主要為2 種計算方法的對比，對測試誤差不做過多要求，因GΩ 級別對計算影響過小，可認為是無窮大，在計算中可忽略。

先采用通用的絕緣電阻計算方法進行該直流高壓回路絕緣電阻的計算：

計算可得Ri≈1.35 MΩ。再采用正、負極獨立計算的絕緣電阻計算公式進行高壓主回路的絕緣電阻計算：

計算可得Ri+≈2.46 MΩ，Ri-≈2.47 MΩ。則取2 個值中較小的2.46 MΩ為系統(tǒng)的絕緣電阻。

將2 種計算方法得出的絕緣電阻值與實測值結果進行對比，其中通用計算方法的誤差為46%，正、負極獨立算方法的誤差為1%，顯然正、負極獨立計算方法的誤差遠小于通用計算方法。

4 結束語

本文研究了電動汽車絕緣電阻的計算機理，針對不同系統(tǒng)和層級的絕緣電阻測試方法進行了梳理，并分析了通用計算方法與整車實測絕緣電阻差異的根本原因，提出了正、負極獨立計算的絕緣電阻計算方法，并通過臺架及實車試驗驗證了其準確度，結果表明，該方法的計算精度遠高于通用的絕緣電阻計算方法。該方法適用于有電源系統(tǒng)、無電源系統(tǒng)及有電源系統(tǒng)與無電源系統(tǒng)的混合計算，可以提高電動汽車設計初期的絕緣電阻校核及整車絕緣電阻測試數(shù)據(jù)的準確性。