一種基于電磁效應(yīng)的電動(dòng)汽車故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）07-0026-0

AnElectric Vehicle Fault Online Monitoring System Based on Electromagnetic Effect*

MaJunming WuWei ZhangYoujie

【Abstract】The detection of leakage faults inthe high-voltage system of electric vehicle isactualythe testing of thehigh-voltage insulation performanceof electricvehicle.Theonlinemonitoring system forelectricvehiclefaults based onelectromagneticeffectsuseshigh-precision LinearHallEfect Sensor toequivalentlymeasure theleakagecurrentof thehigh-voltagewiring harnessof electricvehicle.Atthesame time，themethod ofsettng threshold values is used as thejudgmentconditionforthelevelof leakagefaults，achievingonlineelectricvehicleofleakageinthehigh-voltage system of electric vehicle and ultimately providing guarantees for human and vehicle safety.

【Keywords】 electromagnetic efect；equivalent threshold；linear hall effect sensor；equivalent measurement method

0 引言

隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)占有率大幅提升，由電動(dòng)汽車故障產(chǎn)生的安全事件也越來越引起了人們的關(guān)注。純電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，在結(jié)構(gòu)、原理和控制系統(tǒng)等方面存在顯著差異。其動(dòng)力系統(tǒng)包括電池組、電機(jī)、控制器等多個(gè)關(guān)鍵部件，這些部件的協(xié)同工作確保了電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行。然而，由于電動(dòng)汽車的復(fù)雜性和特殊性，其在使用過程中難免會(huì)遇到各種故障，如電池故障、電機(jī)故障、控制系統(tǒng)故障等。這些故障如果不能及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷和處理，不僅會(huì)影響電動(dòng)汽車的正常使用，還可能對(duì)行車安全構(gòu)成威脅，特別是當(dāng)前電動(dòng)汽車高壓部件、線束的大量裝配，由高壓部件漏電產(chǎn)生故障的占比也呈高發(fā)態(tài)勢(shì)，因此，研發(fā)電動(dòng)汽車高壓漏電故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于提高電動(dòng)汽車的安全性具有非常重要的意義。

對(duì)電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏電故障的檢測(cè)，實(shí)際上就是對(duì)電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)電器、電路絕緣性能的檢測(cè)。電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測(cè)的基本方法有靜態(tài)檢測(cè)方法、動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法兩種。靜態(tài)檢測(cè)方法是指車輛在未行駛狀態(tài)下進(jìn)行高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測(cè)，檢測(cè)過程基于人工操作，主要有直接測(cè)量法、有源電阻測(cè)量法[1-2]，即使用絕緣電阻表測(cè)量系統(tǒng)絕緣電阻，適用于線下維修檢查。動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法是指車輛在行駛狀態(tài)下進(jìn)行高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測(cè)，檢測(cè)過程基于自動(dòng)檢測(cè)儀器設(shè)備診斷，與人工檢測(cè)方法相比，儀器診斷具有客觀、定量和快速的優(yōu)勢(shì)。目前動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法主要用的是電橋檢測(cè)法-3]，其方法需要在汽車電控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)專用檢測(cè)電路，加大了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度和整車電磁兼容安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)用電設(shè)備種類多電路復(fù)雜，該方法不能準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，對(duì)故障維修指導(dǎo)作用有限。為此，本文設(shè)計(jì)一種基于電磁效應(yīng)的電動(dòng)汽車漏電故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)

電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的動(dòng)力核心，它負(fù)責(zé)將電池的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)車輛行駛。電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)主要關(guān)鍵部件及功能如下。

1）動(dòng)力電池：作為電動(dòng)汽車的電能供應(yīng)核心，動(dòng)力電池能夠?qū)?chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為汽車提供持續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)力。

2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：擔(dān)任將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的角色，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。

3）電控：電控是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，它將動(dòng)力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)化為電機(jī)所需的三相交流電，同時(shí)還負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保安全。

4）高壓配電箱：作為電能的分配樞紐，高壓配電箱負(fù)責(zé)將動(dòng)力電池輸出的電能合理分配到汽車的各個(gè)系統(tǒng)部件中。

5）DC/DC轉(zhuǎn)換器：負(fù)責(zé)將動(dòng)力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，為汽車的低壓系統(tǒng)（如燈光、音響等）供電。

6）車載充電器：將外部的交流電源轉(zhuǎn)換為動(dòng)力電池可以接受的直流電，為電池充電提供便利。

7）高壓線束：類似于汽車的“神經(jīng)系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)將電能從高壓配電箱高效傳輸?shù)狡嚨母鱾€(gè)角落。

為方便研究，本文將電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件簡(jiǎn)化為：動(dòng)力電池、高壓配電箱、電機(jī)控制器、車載充電機(jī)、高壓用電設(shè)備 1～n 。簡(jiǎn)化后的電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2 測(cè)量原理及方法

2.1 測(cè)量原理

閉合電路歐姆定律：閉合電路的電流跟電源的電動(dòng)勢(shì)成正比，跟內(nèi)外電路的電阻之和成反比。公式為 I=E/（R+r） ，I表示電路中電流， E 表示電動(dòng)勢(shì)，R 表示外總電阻， r 表示電池內(nèi)阻。

霍爾效應(yīng)：當(dāng)攜帶電流的固體材料引入垂直于電流方向的磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橫向電場(chǎng)，從而產(chǎn)生電壓，即霍爾電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

電磁效應(yīng)：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流叫作感應(yīng)電流。

2.2 測(cè)量方法

由于高壓線束是電動(dòng)汽車各高壓部件與高壓配電箱進(jìn)行連接的主要載體，因此可以通過測(cè)量高壓線束的漏電流判斷電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏電情況。

電動(dòng)汽車高壓線束有交流高壓線束和直流高壓線束兩類，本方法以直流高壓線束為例，交流高壓電路漏電測(cè)量原理和方法與直流電路類同。

電動(dòng)汽車直流高壓系統(tǒng)電路測(cè)試示意圖如圖2所示。在高壓線束上安裝線性霍爾傳感器對(duì)該系統(tǒng)漏電流進(jìn)行等效測(cè)量，線性霍爾傳感器信號(hào)輸出值用VH表示。

由閉合電路歐姆定律可知，在系統(tǒng)不漏電情況下，通過高壓線束的電流矢量和為0，由霍爾效應(yīng)可知，此時(shí)高壓線束上線性霍爾傳感器的測(cè)量值 VH=0 。

電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏電源與高壓系統(tǒng)絕緣電阻性能下降，即高壓用電設(shè)備與電動(dòng)汽車參考地線之間存在漏電電流，此時(shí)可以在高壓系統(tǒng)中高壓用電設(shè)備與電動(dòng)汽車參考地之間連接一個(gè)可變電阻器R作為等效電路，高壓系統(tǒng)漏電電流大小等于通過可變電阻器R的電流，高壓系統(tǒng)漏電等效示意圖如圖3所示。

當(dāng)高壓用電設(shè)備存在漏電情況時(shí)，由閉合電路歐姆定律可知，高壓線束通過的電流矢量和等于通過可變電阻器R的漏電電流，且其值大于0，即此時(shí)高壓線束上線性霍爾傳感器的測(cè)量值 VHgt;0 。另依據(jù)電磁感應(yīng)原理，線性霍爾傳感器信號(hào)輸出值大小與系統(tǒng)漏電電流呈線性變化關(guān)系4，因此可依據(jù)線性霍爾傳感器信號(hào)輸出值VH判斷高壓系統(tǒng)漏電電流的大小，即電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏電故障的嚴(yán)重程度。

2.3 判斷依據(jù)

根據(jù)GB18384—2020《電動(dòng)汽車安全要求》，汽車高壓絕緣電阻在最大工作電壓下直流電路絕緣電阻值不小于 100Ω/V ，交流電路絕緣電阻值不小于500Ω/V 。

目前絕大多數(shù)電動(dòng)汽車高壓電路為交直流連接，依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以將電動(dòng)汽車高壓絕緣性能評(píng)估條件定義如下。

1）不漏電：絕緣阻值 gt;500Ω/V 。

2）一般漏電： 100Ω/Vlt; 絕緣阻值 ?500Ω/V 。

3）嚴(yán)重漏電：絕緣阻值 ?100Ω/V 。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為解決電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏電故障在線監(jiān)測(cè)難題，依據(jù)上述原理和方法設(shè)計(jì)一種基于電磁效應(yīng)原理搭建的電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏電故障在線監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)。

漏電故障在線監(jiān)測(cè)裝置由在線監(jiān)測(cè)主機(jī)及多路線性霍爾傳感器組成，其中在線監(jiān)測(cè)主機(jī)包括：處理器、存儲(chǔ)單元、顯示單元、報(bào)警單元、信號(hào)輸入單元和CAN總線信號(hào)輸出接口等模塊。在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示。

3.2 主要功能

電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏電故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括在線監(jiān)測(cè)軟件及在線監(jiān)測(cè)裝置兩大部分，其主要功能如下。

1）在線監(jiān)測(cè)軟件：主要功能有數(shù)據(jù)采集、故障判斷、報(bào)警顯示、CAN數(shù)據(jù)輸出等。2）在線監(jiān)測(cè)處理器：執(zhí)行監(jiān)測(cè)軟件所有操作任務(wù)。3）在線監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)單元：提供監(jiān)測(cè)軟件、閾值等初始化參數(shù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志等所需的存儲(chǔ)空間。4）在線監(jiān)測(cè)顯示單元：顯示漏電閾值、實(shí)時(shí)傳感器測(cè)量值、故障報(bào)警信息等。5）在線監(jiān)測(cè)信號(hào)輸入單元：接收線性霍爾傳感器的測(cè)量信號(hào)，可同時(shí)提供多路并行輸入。

6）在線監(jiān)測(cè)CAN總線輸出接口：信號(hào)輸出接口符合標(biāo)準(zhǔn)汽車CAN總線信號(hào)輸出規(guī)范。

7）線性霍爾傳感器：用于等效測(cè)量高壓線束漏電電流。

4實(shí)施方案

4.1 閾值標(biāo)定

標(biāo)定漏電閾值，即標(biāo)定一般漏電閾值 VH₁ 和嚴(yán)重漏電閾值 VH₂ 。標(biāo)定步驟如下。

首先，搭建漏電等效電路系統(tǒng)（圖3），即在高壓線束、高壓設(shè)備一側(cè)負(fù)極接入滑動(dòng)變阻器R，建議滑動(dòng)變阻器R的最大阻值不小于 500kΩ^[6]

其次，為避免接口處電磁干擾和提升測(cè)量精度，選擇在被測(cè)系統(tǒng)高壓線束電源輸入側(cè)距離10cm 以遠(yuǎn)的合適位置安裝線性霍爾傳感器，傳感器輸出連接在線監(jiān)測(cè)儀信號(hào)輸人端。

最后，斷電狀態(tài)使用專用絕緣表測(cè)量汽車絕緣阻值，連續(xù)調(diào)整滑動(dòng)變阻器直至絕緣表測(cè)量值為500Ω/V ，保持滑動(dòng)變阻器當(dāng)前阻值，加電測(cè)量該阻值時(shí)的線性霍爾傳感器信號(hào)輸出值 VH ，標(biāo)記為一般故障閾值 VH₁ ；斷電狀態(tài)下連續(xù)調(diào)整滑動(dòng)變阻器直至絕緣表測(cè)量值為 100Ω/V ，保持滑動(dòng)變阻器當(dāng)前阻值，加電測(cè)量該阻值時(shí)的線性霍爾傳感器信號(hào)輸出值 VH ，標(biāo)記為嚴(yán)重故障閾值 VH₂ ；斷電拆除滑動(dòng)變阻器R，閾值標(biāo)定結(jié)束。

4.2 監(jiān)測(cè)流程

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。其中閾值標(biāo)定只在系統(tǒng)初始安裝或系統(tǒng)硬件有變更時(shí)進(jìn)行。

監(jiān)測(cè)主機(jī)加電、高壓系統(tǒng)加電，電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按監(jiān)測(cè)流程開始工作。監(jiān)測(cè)主機(jī)定時(shí)采集線性霍爾傳感器測(cè)量值 VH

將 VH 與一般漏電閾值 VH₁"進(jìn)行比較，如果 VHlt; VH₁"，判斷為系統(tǒng)無漏電，持續(xù)監(jiān)測(cè)直到系統(tǒng)關(guān)閉。如果 VH?VH₁"，將 VH 與嚴(yán)重漏電閾值 VH₂"進(jìn)行比較，如果 VH2 ，判斷為系統(tǒng)一般漏電，此時(shí)，監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行故障報(bào)警，并生成故障代碼信號(hào)輸出到CAN接口，監(jiān)控主機(jī)持續(xù)監(jiān)測(cè)直到系統(tǒng)關(guān)閉。

如果 VH?VH₂"，判斷為系統(tǒng)嚴(yán)重漏電，此時(shí)，監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行故障報(bào)警，并生成故障代碼信號(hào)輸出到CAN接口，監(jiān)控主機(jī)持續(xù)監(jiān)測(cè)直到系統(tǒng)關(guān)閉。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的汽車高壓系統(tǒng)漏電故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于電磁效應(yīng)原理和線性霍爾器件的特性，對(duì)電動(dòng)汽車高壓漏電閾值進(jìn)行等效標(biāo)定、實(shí)時(shí)測(cè)量、故障判斷。故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為獨(dú)立回路也可與系統(tǒng)集成，在不改變汽車原有的電器結(jié)構(gòu)的同時(shí)做到低成本、易部署、可集成。此外，由于方案選用的線性霍爾傳感器具有高精度、快速響應(yīng)和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使得在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)判斷電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)漏電故障。

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（編輯楊凱麟）