新型電動汽車絕緣性檢測方法探究

吳東來 丁李輝

摘 要：電動汽車作為新能源汽車的典型代表，將有助于解決我國汽車行業的發展與能源緊缺的問題，制約電動汽車發展的問題之一是絕緣性檢測問題，傳統檢測方法抗干擾能力弱，而電壓注入式絕緣檢測法能有效解決傳統方法存在的不足，具有較高的可靠性，值得推廣。

關鍵詞：電動汽車；絕緣性檢測；電壓注入式

1 引言

隨著我國經濟的不斷發展，人們生活水平和消費觀念發生了很大變化，這極大的促進了汽車行業的發展。汽車行業是能源消耗性產業，汽車行業的發展雖然方便了人們的生活，促進了經濟的發展，但同時也加劇了能源的消耗、引發了環境問題。因此，汽車行業發展、能源緊缺和環境污染之間的問題成為要解決的關鍵問題。發展新型能源動力性汽車，將是汽車行業未來發展的主要趨勢。電動汽車由此得到了人們的廣泛關注，對電動汽車來說，影響其發展和推廣的因素是多方面的，但安全性是其中較為重要的一個因素，加強絕緣性檢測，提高電動汽車安全性能成為要解決的關鍵問題。

2 電動汽車絕緣性檢測方法分析

2.1 絕緣性檢測重要性分析

電動汽車是一個復雜的機電裝置，該裝置主要有電動機、逆變器、動力電池組、直流變換、直流傳輸母線等部件組成，任何一個部件都不可避免的要涉及絕緣問題。電動汽車運行過程中溫度、濕度會發生變化，而腐蝕性氣體以及外力作用都會加速絕緣性能的降低，影響設備的正常運行。絕緣層和底盤通過電源正負線連接構成漏電流回路，底盤電位一旦上升，就會降低低電壓器和車輛控制器的工作性能，危及乘駕人員的安全。當高壓電路和底盤之間多點絕緣性下降嚴重時，還會造成熱積累效應，可能引發電動汽車火災。因此，準確、實時的檢測高壓電氣系統對電動汽車底盤的絕緣性，能為車輛的正常行駛和乘客的安全提供保障。

2.2

無源接地檢測法

2.2.1

檢測原理

傳統絕緣性檢測多為無源接地檢測，檢測方法是將一系列電阻接入直流正負母線和車體搭鐵之間，然后利用開關或者繼電器改變連入阻值的大小，連入電阻值發生變化，則被測電阻的電壓也會相應改變，最后利用電學關系式計算出正負母線對地的絕緣電阻。

如圖 1所示，圖中 Ub表示串聯電池組的總電壓， Rn和 Rp則表示電池正負母線與車體之間的絕緣電阻，其余 U1和 U2表示對應電阻 R和 R兩端的電壓， S表示電子開關。開關 S與 R4并聯， S的斷開和閉合能改變電路中總電阻，則電流也會發生相應改變，根據歐姆定律，R與 R的分壓就會發生變化，即通過 S的斷開和閉合，可改變 R與 R的分壓。 S斷開和 S閉合狀態下，電流中對應不同的電流，根據歐姆定律可列出不同狀態下的等式方程，方程聯立后可得到 Rn和 Rp的值。

S斷開和 S閉合狀態下的方程分別為 1和 2。

2.2.2 方法評價

以上就是電動汽車常用的無源檢測法的檢測原理，可直接計算母線對車體的絕緣阻值。該法的不足之處是檢測電路在動力電池組正負母線和車體之間連接了電阻，檢測裝置的接入不僅降低了車體的絕緣性能，還增加了電池的自放電率，一定程度上造成了能量損失。當正負母線對地絕緣電阻相等時，無法計算出絕緣電阻；若電池組總電壓過低或電池組出現開路故障，也無法對絕緣電阻進行精確測量。

2.3

電壓注入式絕緣檢測法

2.3.1

檢測原理

電壓注入式絕緣檢測是通過隔離變壓器分別給正負母線和車體之間注入 700V的直流高壓，在利用高精度 AD芯片測量分壓電阻的壓降，最后通過對比分壓計算正負母線對地絕緣電阻。其原理如圖 2所示。

電阻 R1-R8與正負母線之間的連接可以通過開關 S1和 S2的通斷實現，而開關 S3和 S4為高速 MOS管，微處理器發出信號后可對其開關狀態進行控制，在變壓器副邊形成高達 700V的直流高壓。測量方法可按照下面的流程進行：

首先，將開關 S1和 S2關閉，斷開 S3和 S4，然后測量 R4和 R6兩側的電壓，記作 U2和 U4，由此得到方程式 3和方程式 4。

（3）Ub=U2+U4；（4）U2/Rn=U4/Rp兩式聯立，可得正負母線對地絕緣電阻的比值：n=Rn/Rp=U2/U4.

器源邊與 12V電壓源形成脈沖電流，高壓信號可在副邊處感應，高壓直流信號的獲取需要將源信號通過阻容濾波；此時導通二極管，該高壓就能加載在負端絕緣電阻 Rn上。測量 R3和 R4兩側的電壓，分別記作 U1和 U2。負端母線對地電壓 URn為：

（6） URn=（R1+R3）×U1 /R3；再結合戴維南定理可得：

（7） U2 /R4=URn/Rn=（Ub-URn）/Rp + URn/（R1+R3）；

當 R1阻值較大時，上式還可進一步轉化為：

（8）U2 /R4=URn/Rn=（Ub-URn）/Rp上述方程中，3、5、6、8聯立化簡后可得電池正負母線對車體的絕緣電阻：Rp=Rn/n。

上述推導過程的前提是正負母線帶電；若正負母線不帶電，則可用類似電子搖表測試方法進行測試，具體操作如下：閉合 S1和 S2，在車體和正負母線之間注入高壓；測量 U2、 U4后，能獲得漏電流，然后進一步計算正負母線對車體的電阻。

2.3.2 方法評價

電壓注入式絕緣檢測法測量絕緣電阻時，需要在正負母線和車體之間引入電阻回路，這無疑會降低電池組和車體之間的絕緣等級；而在引入電路與電池組正負母線之間加入電子開關，就能減少影響。在需要檢測時，閉合開關 S1和 S2，測量結束后則繼電器就會處于斷開狀態，保障正負母線與測量回路之間的獨立性。

相對于傳統無緣接地檢測法而言，電壓注入式絕緣檢測法更具可靠性。這是因為傳統無緣接地檢測法是通過測量車體的漏電流計算母線對車體的絕緣電阻的，當車體絕緣狀況較好時，漏電流值極小，而電動汽車電磁輻射干擾過大，導致檢測信號失真，電壓測量不準確會引起絕緣故障誤報；而電壓注入式絕緣檢測法由于注入高達 700V的電壓，即便車體絕緣性能良好，也能保障車體的電流能滿足測量要求，這就保證了測量結果的可靠性。

3 檢測方法應用

根據以上的理論分析可知，電壓注入式絕緣檢測法相對于傳統的檢測方法具有較大優勢，為驗證以上結論是否可靠，以下將對該法的應用性能進行探討。

3.1 檢測系統設計

本次設計以電壓注入式絕緣檢測法為基礎，針對該方法的理論特點設計一套有源絕緣監測系統，當系統受到來自主機的檢測命令式，該系統將開始對信號進行采集、處理、分析和通信等功能。具體流程如圖 3所示。

3.2 檢測實驗設計

為檢測電壓注入式絕緣檢測系統的運行性能，設計如下實驗：選擇 144V/6Ah鎳氫電池組，在電池組正負母線和車體之間接入電阻測試板，通過設計樣品檢測該系統的準確性和可靠性。絕緣檢測系統利用 CAN通信總線將檢測結果傳送至車載顯示屏，用戶可由顯示屏讀書直觀讀取結果。通過改變開關的閉合狀態，調節正負母線的接地電阻。為確保測量結果的可靠性，本次實驗測量五組數據，結果如表 1所示。

根據表 1實驗數據可知，利用該系統檢測絕緣性時，其測量值和真實值的誤差變化范圍在 0.20%-4.10%范圍內，低于 5%，因此具有較高的可靠性，基本滿足實際需求。

4 結論

電氣汽車絕緣性檢測問題是關系到能否安全行車的重要問題，也是電動汽車發展應解決的關鍵問題。本文對電動汽車傳統絕緣檢測方法的不足之處進行了分析，然后在此基礎上提出電壓注入式絕緣電阻檢測方法，該方法解決了傳統檢測方法的不足，且經過實驗驗證，具有較高的可靠性，值得大范圍推廣。

參考文獻：

[1]郭宏榆，姜久春，溫家鵬，王嘉悅. 新型電動汽車絕緣檢測方法研究 [J].電子測量與儀器學報，2011，03：253-257.

[2]王嘉悅，張維戈，溫家鵬，郭宏榆 .電動汽車有源式絕緣監測方法研究 [J].電測與儀表，2011，05：6-9.

[3]吳成加 .電動汽車絕緣電阻在線監測方法的研究 [J].客車技術與研究，2015，01：26-28.

[4]王嘉悅 .電動汽車有源在線絕緣監測裝置的研究與開發 [D].北京交通大學，2011.

[5]黃勇，陳全世，陳伏虎 .電動汽車電氣絕緣檢測方法的研究 [J].現代制造工程，2005，04：93-95.

[6]楊勝兵，熊焱飛，徐鋒，王帥，蘇延霞，李珍珍 .電動汽車絕緣電阻測試系統的研究 [J].湖北汽車工業學院學報，2012，02：5-8.