電動汽車絕緣監(jiān)測技術(shù)研究

劉 斌, 魏曙光， 袁 東

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

引言

近年來，隨著新能源汽車的推廣和普及，電動汽車的保有量大幅增加。對于純電動汽車，動力電池是車上唯一的動力源，其電壓普遍在300 V以上，一些大型電動客車甚至超過600 V[1]。對于如此高的電壓，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，實時準(zhǔn)確地監(jiān)測電動汽車高壓系統(tǒng)對車輛底盤的絕緣性能，對保證車內(nèi)人員的人身安全和車輛的安全運行具有十分重要的意義。

1 電動汽車絕緣監(jiān)測模型

純電動汽車的電氣系統(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)測的問題。高壓系統(tǒng)為車輛的驅(qū)動電機(jī)等部件提供電能，電壓高、能量大，是絕緣監(jiān)測的任務(wù)對象。對于混合動力或燃料電池動力的車輛，其電氣系統(tǒng)的組成與純電動汽車并無差別，絕緣監(jiān)測的設(shè)計與使用也都相同。

圖1 電動汽車整車結(jié)構(gòu)圖

電動汽車高壓系統(tǒng)的絕緣性能用絕緣電阻的阻值來衡量。所謂絕緣電阻，就是如果高壓系統(tǒng)母線與車輛底盤之間出現(xiàn)漏電電流對應(yīng)的電阻。由圖2可以看出：當(dāng)出現(xiàn)一點絕緣故障時，會引起車輛底盤的電位發(fā)生變化，若此時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)兩點或多點絕緣性能下降時，會形成漏電流回路，造成熱積累，嚴(yán)重時將發(fā)生火災(zāi)。因此，絕緣監(jiān)測系統(tǒng)最重要的功能就是監(jiān)測電動汽車高壓系統(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)測方法

目前，常用的絕緣監(jiān)測方法主要有電橋法、信號注入法和支路檢測法。

2.1 電橋法

電橋法是一種無源監(jiān)測方法，其基本原理是用電橋法測電阻，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為兩橋臂中點間的電勢差。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，即當(dāng)R+降低、R-不變時，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，即當(dāng)R-降低、R+不變時，Ux＜0。這樣，通過Ux的測量值，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

平衡電橋法測量電阻速度較快，能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)，但是無法準(zhǔn)確測量兩極同時接地時的絕緣電阻。當(dāng)兩極同時接地時，平衡電橋法只能將R+、R-中較大的一個看作無窮大，計算出的絕緣電阻阻值會有較大的誤差。

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)母線的分壓測量電路，分別測量正、負(fù)母線對地電壓。測量方法如下：首先閉合S1和S2，記錄所測的電壓U+和U-的值，之后通過比較U+和U-的大小來確定R0是和R+、R-中的哪一個并聯(lián)。如果所測的U+＞U-，那么閉合開關(guān) S1，斷開開關(guān) S2，再次測得一組電壓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，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)地測量各種接地類型的接地電阻，但是需要依賴檢測周期，有延時性，測量速度相對較慢，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現(xiàn)系統(tǒng)上電前的巡檢。

2.2 信號注入法

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

2.2.1 高壓注入法

高壓注入法，即在系統(tǒng)直流母線與底盤之間注入一高電壓，通過測量該高電壓下的漏電流，從而得到系統(tǒng)母線對地的絕緣阻值[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)確地測得系統(tǒng)正負(fù)母線的絕緣電阻，但注入的高壓會對系統(tǒng)造成較大沖擊，設(shè)計時需要考慮系統(tǒng)中電氣設(shè)備的承受能力。高壓注入法需要依賴檢測周期，有延時性，測量速度相對較慢，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信號是由獨立的電源發(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 低頻信號注入法

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

2.2.3 高頻信號注入法

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

圖6 低頻信號注入法

圖7 高頻信號注入法

2.2.4 雙頻法

雙頻法考慮到了系統(tǒng)的分布電容對絕緣電阻測量的影響[8]，如圖8所示，為了消除影響，向待測系統(tǒng)中交替注入兩路幅值相同、頻率不同的激勵源，通過測量兩路信號的蹤跡，即可準(zhǔn)確測得正負(fù)母線與地之間絕緣電阻的阻值。這樣測量的結(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 支路檢測法

支路檢測法的基本原理是通過在系統(tǒng)支路上加裝霍爾電流傳感器，從而可以直接檢測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)檢測支路無接地故障時，傳感器檢測的漏電流為零；而當(dāng)檢測支路發(fā)生接地故障時，傳感器檢測出的漏電流不為零，且漏電流越大該支路的絕緣性能越差。

支路檢測法的傳感器與被測系統(tǒng)的不存在直接的電氣連接，對被測系統(tǒng)的運行不會產(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，檢測誤差較大，信號分析與處理難度較大。

圖9 支路檢測法

4 結(jié)論

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