新能源汽車電氣絕緣檢測和監測方法的應用

韓星星

(江海職業技術學院 機電汽車學院，江蘇 揚州 225127)

0 前言

目前，能源和供應鏈危機持續加劇，環境污染也日益嚴重。純電動汽車具有高效、節能、環保、零排放的優點，已逐漸成為國內外汽車工業發展的方向。雖然新能源汽車在環保等方面都優于傳統汽車，但是由于新能源汽車是新興產品，所以需要不斷測試其安全性能，其中電氣絕緣檢測則是重中之重。

1 電氣絕緣檢測概述

電氣系統是電動汽車的核心部件，因為不同應用管理系統存在些許差別，結合實際問題對其進行分類，具體可將電動汽車的電氣系統分為低壓系統和高壓系統2個類型。

低壓系統具有較高的可靠性。驅動電機等大功率部件由高壓系統提供動力，高壓系統研究的主要內容包括驅動系統、電力系統、電氣工程設備等。驅動系統由電機、電機控制器和其他部件構成；電力系統由數千節電池組成；電氣工程設備主要包含制動控制系統、轉向管理系統、電空調設備和電加熱系統。如果電動汽車的工作電壓過高，高壓系統和絕緣性能將對行車安全產生較大影響。

高壓系統和部件涉及到絕緣問題，對于新能源汽車(尤其是混合動力汽車)而言，復雜的工作環境、振動、溫度、濕度和部件老化極易影響整車的絕緣性能，導致其絕緣性能無法發揮出原有功效。在泄漏電荷形成回路時，電位高、電流熱會對低壓系統產生一定影響，嚴重時會引起燃燒，威脅駕乘人員的生命安全，因此必須定期進行現場電氣絕緣檢測。

通常情況下，將絕緣監測管理系統功能模塊安裝在動力電池系統中，但部分型號的電動汽車將絕緣監測模塊的功能集成到電池管理系統(BMS)中，也有一些電動汽車直接使用絕緣監測模塊。絕緣監測模塊的主要工作原理為：動力電池的電流電路由正負極通過機箱和絕緣層形成。當整車的絕緣能力降低時，泄漏電流會不斷增加。當泄漏電流達到一定值時，整車電氣系統將不能正常工作，威脅駕乘人員的生命安全。因此，實時監測電動汽車高壓系統的電氣絕緣性能，能夠保證駕乘人員的安全，同時使得車輛始終保持正常運行的狀態。在國內新能源汽車企業的產品研發中，將母線工作電壓分為直流正極母線底盤和直流負極母線底盤，以表征直流母線相對于其他車輛底盤的絕緣程度。但這種分壓方法只能表征直流正負母線對底盤的相對絕緣程度，不能判斷直流正負母線對底盤絕緣性能是否同步降低。

在分析傳統無邊界接地檢測方法不足的基礎上，提出了一種新的電壓注入型有源絕緣電阻檢測方案，徹底解決了正負母線對地對稱絕緣故障無法檢測的問題。對實際樣機的分析和研究結果表明，該方案設計能夠及時監測到車體與高壓線路之間的絕緣系統故障，確保駕乘人員的安全。

2 電氣絕緣檢測的作用

新能源汽車的電氣系統主要由電機設備、電氣傳動設備和電氣控制設備組成。為了更好地將電氣轉化為電能，新能源汽車需要為電氣系統提供更高的電壓。為了更好地保證新能源汽車的正常使用，保護車輛和駕乘人員的安全，必須持續對電壓實施絕緣檢測和監測。采用絕緣技術消除高壓危險，其核心是避免高壓對車輛和駕乘人員造成傷害。絕緣體是一種低導電網絡性能材料，一般的工作電壓和電流絕緣后就不能繼續傳輸，避免發生泄漏事故。

在新能源汽車的研發和使用中，絕緣體的絕緣性能受外部因素的影響，如長期使用會引起絕緣體老化。同時，電氣設備的電磁干擾也會影響新能源汽車的絕緣性能。所以，應加強新能源汽車電氣絕緣檢測，以保證我國新能源汽車產業的可持續發展。

3 電氣絕緣性能

通常情況下，電氣絕緣問題集中于高壓系統。以新能源汽車高壓系統為例，分析其電氣絕緣性能。新能源汽車具有雙電源結構，由鋰離子電池組和燃料電池組并聯組合而成。根據相關要求，新能源鋰電池電壓必須為388 V，工作狀態下最高電壓不超過420 V，否則容易引發鋰電池爆炸，影響汽車的整體運行安全。

燃料電池組具有遞減的輸出特性，當新能源汽車電源輸出電壓由0增大至300 V時，其內部輸出電壓將轉變為降低狀態，由300 V降低至270 V。為了保證新能源汽車正常安全運行，需要增設斬波電路，確保燃料電池的輸出特性可以在恒定壓電和恒定功率之間相互轉換，使鋰離子電池組和燃料電池組協調工作，提高能源的利用率。其中，恒定功率和恒定電流是新能源汽車燃料電池電流輸出和最大功率受到限制的重要原因。通常情況下，在經過變壓器穩定電壓后，電池管理系統會針對電壓進行調整，使其可用于高壓系統內的鋰電池完成電壓分配。

電動汽車高壓控制系統兼顧控制空調管理系統與自動信息系統，將此類系統安裝于底盤部位，且每個系統均配置單獨的電路，但在底盤和系統件未連接電路時，整個高壓系統呈關閉狀態。

4 電氣絕緣檢測原理

新能源汽車使用的材料不同于傳統汽車，在保護生態環境方面，新能源汽車的材料優于傳統汽車。但考慮到新能源汽車是新興技術產品，為確保其安全運行，在其投入使用前，必須經過絕緣測試等一系列測試。新能源汽車電氣絕緣檢測和監測的工作原理是利用絕緣子保護電路。對于整個電力系統，任何部分的電路泄漏都會導致電力事故。電氣絕緣檢測和監測可以通過電流測量和功率測量來實現。電流測量方法主要是通過測試車輛高壓電源的正負極，建立阻抗網絡。例如，使用車身任意兩點和電源正負極之間的連接來讀取電流，如數值穩定，表明新能源汽車可以投入使用。

5 電氣絕緣監測方法

目前，各類汽車修理廠最常用的2種電氣絕緣檢測方法為電流感應法和電源法。

5.1 電流感應法

霍爾電流傳感法是新能源汽車中常用的高壓直流檢測方法。在新能源汽車電氣系統運行中，必須確保有效的電流來完成動力傳遞。檢測系統的正負電極時可以使用電流傳感器。如果電路中沒有電流泄漏，則電流中正電子和負電子的數量完全相同，通過傳感器的電流和電壓數據始終為0；反之，如果電路中存在泄漏，則正負電子的數量不同，且電流傳感器將顯示該值。根據電流的正負讀數，可以判斷新能源汽車是否存在電流泄漏。采用該方法，可以精準得到電路的絕緣性能值。但因傳感器必須根據實時情況進行測試，電氣系統需要一直處于運行狀態，因此該方法具有一定的局限性。

5.2 電源法

我國廣泛采用輔助供電方式，一般來說，新能源汽車會配備1個直流電壓為110 V的備用電池。電池正極需要連接高壓直流電源實施分析檢測，電池的負極應連接到車輛外殼上，以確認新能源汽車是否具有良好的絕緣性能。如果電絕緣體穩定無泄漏，電池不會形成電流回路，電流為0；當電力線絕緣層老化、環境潮濕時，電絕緣體失去功能，電池形成電流回路，通過閉合回路時會發生泄漏。利用該工作原理，將檢測器安裝在由絕緣體和電池系統組成的電路中，如果泄漏電流過大，報警裝置會自動報警，并切斷內部電源，以減少新能源汽車的損壞，確保駕乘人員的人身和財產安全。該檢測方法可以有效地檢測電氣系統在非工作狀態下的絕緣性能，但很難有效區分是由正極還是負極導致絕緣子泄漏。此外，該檢測方法對直流電源有嚴格要求，要求直流電流為100 A，在一定程度上增加了檢測管理難度。以上不足還需要對新能源汽車電氣系統進行深入研究，并在實際操作中找到解決方案。

6 電氣絕緣性能的檢測方法

通常情況下，封閉的高壓系統會產生電氣絕緣問題。電氣絕緣性能的最佳描述是電阻靜止的絕緣容量，具體可以用電阻表示：電阻較大，絕緣狀況較好；電阻較小，絕緣狀況較差。電阻可被稱為絕緣電阻，檢測絕緣電阻時可使用母線端電壓法和電阻法。在車輛底盤和直流電源鍵上連接電阻，測量電阻經過的電流或電壓，以此為基礎計算獲得絕緣電阻。但傳統檢測方法存在一定的局限性，例如：當母線兩端接地時，難以精準得出絕緣電阻；車輛處于電磁干擾狀態時，絕緣電阻所獲得的監測精度較低，易產生誤差。

新能源汽車行業正逐步探索新的檢測方法。在電動汽車高壓電氣系統中，利用電源的正極引線電纜和負極引線電纜對底盤的絕緣電阻進行檢測來反映電氣系統的絕緣性能。在連接電阻時引入處理單元構建阻抗電阻，利用電流和電壓傳感器測量電壓與電流。在采集處理單元中，引入了英特爾(Intel)6位單片機。同時，單片機粗略判斷通電后的和，并根據、和等效電阻的關系，通過控制三極管的通斷來改變電源正負極間的和輸出電流，計算正極絕緣電阻和負極絕緣電阻，檢測絕緣電阻是否達到閾值，將獲得的信息輸入單片機。

電氣絕緣性能的檢測如圖1所示。在實際運行過程中，會在某一范圍內發生波動，但基本保持不變，三極管所生成的導流電壓較小，可忽略不計。如三極管T接通后，連接電阻先與并聯，再與串聯。和表示相應的電壓和電流，然后獲得表達式=(+/)。類似的，當三極管T接通時，可以獲得表達式=(+/)。當和關閉時，絕緣性能極低并將所獲得的參數輸入單片機。由此可見，該檢測方法較為便捷，且易于操作，可精準判斷絕緣電阻，精度也符合預期，滿足電動汽車絕緣檢測工作的實際需求。

圖1 電氣絕緣性能的檢測示意圖

7 結語

新能源汽車將是未來汽車領域的重點發展方向，其研究、開發和生產引起了廣泛的關注。新能源汽車企業可以依靠電氣系統來保證汽車的安全和穩定，這對新能源汽車的推廣具有非常重要的意義。為了確保駕乘人員的安全，必須對新能源汽車電氣系統的絕緣性能實施有效檢測，并深入研究絕緣子，避免絕緣不合格造成泄漏事故，提高大眾對新能源汽車的接受度。

新能源汽車絕緣性能的新型檢測方法簡單，可以得到廣泛的應用。在實際檢測時，可通過該方法精準判斷汽車底盤正負極絕緣性，在檢測時運用單片機作為主要控制工具，便于編程，使檢測結果精準可靠，獲得的檢測結果也有助于日常檢修和維護工作。同時，汽車維修人員也應不斷提高技術水平，跟上時代的潮流，助力新能源汽車的發展。