電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻檢測(cè)與不確定度分析

李文海 黃永博

摘要：介紹了電動(dòng)汽車(chē)安全設(shè)計(jì)中核心指標(biāo)絕緣電阻的測(cè)試機(jī)理，分析比對(duì)了GB/T 18384.1-2015及GB 18384-2020中采用單表法、雙表法的測(cè)試優(yōu)缺點(diǎn)。依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，從多種測(cè)試影響因素出發(fā)，結(jié)合實(shí)車(chē)檢測(cè)對(duì)雙表法測(cè)試絕緣電阻的不確定度進(jìn)行了分析。最后對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的絕緣電阻測(cè)量方法從理論和實(shí)踐兩個(gè)維度上展望。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；絕緣電阻；不確定度

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.9；G232 ?收稿日期：2023-12-04

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.021

1 前言

全球能源危機(jī)、大氣污染等問(wèn)題一直是我國(guó)高度重視并積極采取措施應(yīng)對(duì)的。在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，我國(guó)向國(guó)際社會(huì)莊重承諾“3060”目標(biāo)。汽車(chē)工業(yè)作為支柱型產(chǎn)業(yè)所帶來(lái)的碳排放量、燃油消耗量、大氣污染物排放量不可小覷，大力發(fā)展新能源汽車(chē)、實(shí)現(xiàn)智能化、電動(dòng)化改革是完成能源與交通領(lǐng)域綠色革命的主戰(zhàn)場(chǎng)之一。

純電動(dòng)汽車(chē)具有高能效、零排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，整車(chē)由動(dòng)力電池組、電機(jī)、電機(jī)控制器、整車(chē)控制器、DC/DC、高壓配電盒等主要部件組成[1]。隨著技術(shù)發(fā)展，其采用的電機(jī)、電池等核心部件已步入800 V的平臺(tái)，對(duì)整車(chē)底盤(pán)及駕乘人員的觸電安全提出更高的要求。純電動(dòng)汽車(chē)在日常復(fù)雜環(huán)境使用中，高壓動(dòng)力線束的腐蝕受損會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，從而引發(fā)動(dòng)力電池組高壓導(dǎo)線透過(guò)絕緣層介質(zhì)與底盤(pán)電平臺(tái)形成回路，危害性極大。當(dāng)車(chē)輛高壓系統(tǒng)與底盤(pán)間多處接地點(diǎn)的絕緣性能?chē)?yán)重下降，更會(huì)造成漏電短路，產(chǎn)生熱積效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐烧?chē)電氣火災(zāi)。

因此，作為整車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)電氣安全的核心指標(biāo)[2]，絕緣電阻在國(guó)內(nèi)外法規(guī)中均有嚴(yán)格的要求：根據(jù)高壓安全機(jī)理，電擊傷害的前提是電流達(dá)到2 mA（AC）或10 mA（DC）且電能超過(guò)0.2 J，在法規(guī)中車(chē)絕緣電阻至少大于500 Ω/V或100 Ω/V。實(shí)際整車(chē)產(chǎn)品研發(fā)驗(yàn)證中會(huì)多次進(jìn)行絕緣電阻的計(jì)算校核與測(cè)試驗(yàn)證，而且應(yīng)當(dāng)將整車(chē)的絕緣阻值閾值設(shè)置遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)對(duì)底盤(pán)的絕緣值，包括高壓動(dòng)力電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、DC/DC等部件，保證人員正常使用車(chē)輛安全運(yùn)行的必要條件。

2 絕緣電阻測(cè)試原理及方法

2.1 絕緣電阻測(cè)試原理

絕緣電阻值為兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間及其周邊連接在一起的各項(xiàng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所形成的等效電阻值。檢測(cè)絕緣電阻是為了評(píng)估電氣設(shè)備的絕緣性能。絕緣監(jiān)測(cè)多采用低頻信號(hào)注入法，其基本原理是在其內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)對(duì)稱(chēng)的方波信號(hào)，通過(guò)絕緣監(jiān)測(cè)儀連接端子與直流高壓系統(tǒng)和底盤(pán)之間的絕緣電阻構(gòu)成測(cè)量回路，通過(guò)對(duì)采樣電阻上分壓的采集，計(jì)算得出絕緣電阻大小。

2.1.1 單表法

該方法是GB/T 18384.1-2015[3]中推薦使用，測(cè)量REESS即動(dòng)力電池組兩側(cè)端子與電平臺(tái)之間的等效電路如圖1所示。

REESS電壓即為正負(fù)端與電平臺(tái)之間電壓之和，即：

[U1+U′1=UREESS] ??????????????????????????（1）

式中，[U1]為高壓側(cè)電壓；[U′1]為低壓側(cè)電壓；UREESS為REESS總電壓。

單表法顧名思義是采用單個(gè)萬(wàn)用表分別測(cè)量REESS兩側(cè)的電壓值（圖2）。較高的一個(gè)定義為U1，較低的一個(gè)定義為[U′1]，相應(yīng)的兩個(gè)絕緣電阻定義為Ri1和Ri2。

當(dāng)Ri1和Ri2足夠小時(shí)，電壓表并聯(lián)后對(duì)電路帶來(lái)的電壓影響變化可以忽略。但隨著Ri1和Ri2逐漸增大，電壓表的并聯(lián)會(huì)使得被測(cè)端子阻值降低，測(cè)量電壓降低，在使用單表法測(cè)量時(shí)，前后兩次測(cè)得的電壓值U1與[U′1]之和會(huì)小于UREESS，且兩次測(cè)量是分開(kāi)進(jìn)行的，電路并不處于同一狀態(tài)，式（1）亦不成立，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。而在實(shí)際測(cè)試中，電動(dòng)汽車(chē)的絕緣阻值數(shù)據(jù)往往在兆歐級(jí)別，盡管標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定測(cè)量電壓的萬(wàn)用表內(nèi)阻值應(yīng)大于10 MΩ，其并聯(lián)后對(duì)電路帶來(lái)的影響仍然不可忽略，故該測(cè)試方法無(wú)法得出準(zhǔn)確的絕緣電阻數(shù)值。

2.1.2 雙表法

GB 18384-2020的修訂充分參考了UN GTR NO.20 的技術(shù)要求[4]，并結(jié)合國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的技術(shù)水平、應(yīng)用場(chǎng)景以及測(cè)試經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了修改。現(xiàn)行的電動(dòng)汽車(chē)安全要求標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于整車(chē)絕緣電阻檢測(cè)采用了雙表法，用相同的兩個(gè)電壓檢測(cè)工具同時(shí)測(cè)量REESS的兩個(gè)端子和電平臺(tái)之間的電壓。

使用雙表法測(cè)試時(shí)，其等效電路如圖3所示。雖然得出的電壓值仍為REESS兩側(cè)端子對(duì)電平臺(tái)絕緣電阻與電壓表內(nèi)阻并聯(lián)后在回路中分壓后的結(jié)果，但無(wú)論Ri1和Ri2如何變化，式（1）是仍然成立的，測(cè)試中將電壓表內(nèi)阻與絕緣電阻的并聯(lián)視為了一個(gè)整體，在后續(xù)公式的推導(dǎo)和計(jì)算中考慮了電壓表的內(nèi)阻后，可得出更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

2.2 絕緣電阻測(cè)試方法

由于電動(dòng)汽車(chē)的絕緣檢測(cè)功能往往會(huì)對(duì)絕緣電阻測(cè)試產(chǎn)生影響[5]，試驗(yàn)前應(yīng)將車(chē)輛的絕緣檢測(cè)功能關(guān)閉或?qū)⒔^緣檢測(cè)單元從B級(jí)電壓電路中斷開(kāi)。

采用并入偏置電阻的主動(dòng)檢測(cè)方法，步驟如下：

a.使車(chē)輛正常上電至READY狀態(tài)，使用兩個(gè)相同且內(nèi)阻值不小于10 MΩ的電壓表同時(shí)測(cè)量REESS兩端子與電平臺(tái)之間的電壓，當(dāng)雙表示數(shù)穩(wěn)定時(shí)，較高的一側(cè)記為U1，較低的一側(cè)記為[U′1]，其對(duì)應(yīng)的絕緣電阻為Ri1和Ri2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，阻值較小的一側(cè)定義為絕緣電阻，即Ri2的側(cè)阻值為需要測(cè)得的絕緣電阻Ri與電壓表內(nèi)阻r的并聯(lián)電路阻值，如圖4所示。

b.在電路中添置一個(gè)已知電阻R0，并聯(lián)在REESS的U1側(cè)端子與電平臺(tái)之間。再重復(fù)上述步驟中使用的兩個(gè)電壓表同時(shí)測(cè)量REESS的兩個(gè)端子與電平臺(tái)之間的電壓，讀數(shù)穩(wěn)定后，測(cè)量值分別記為U2與[U′2]，如圖5所示。

3 不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型/評(píng)定方法的確定

由上文描述測(cè)試原理，根據(jù)歐姆定律可得：

[U1Ri1=U′1Ri2] ??????????????????????????????????（2）

[U2Ri1/R0=U′2Ri2] ??????????????????????????????（3）

[U1+U′1=U2+U′2=UREESS] ???????????????????（4）

式中，[U1]、[U′1]分別為REESS兩端子與電平臺(tái)間電壓的較高值與較低值，V；[U2]、[U′2]為并聯(lián)已知電阻后REESS兩端子與電平臺(tái)之間的電壓值，V；[Ri1]、[Ri2]為REESS兩端子與電平臺(tái)間的絕緣電阻與電壓表內(nèi)阻并聯(lián)值，MΩ；R0為添加的已知電阻，阻值為1 MΩ。

由式（1）和式（2）消去Ri1，解方程組可將Ri2側(cè)絕緣電阻的表達(dá)式整理為

[Ri2=（U′2U2-U′1U1）] ??????????????????????????（5）

采用雙表法測(cè)量時(shí)，Ri2=（Ri/r），實(shí)際上需要測(cè)得的絕緣電阻Ri的計(jì)算公式應(yīng)為：

[Ri=11R0（U′2U2-U′1U1）-1r] ????????????????????????（6）

式中，r為電壓表內(nèi)阻值，為10 MΩ。

3.2 測(cè)量中的環(huán)境影響因素

在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，影響絕緣電阻測(cè)試結(jié)果的環(huán)境因素較多，主要方面包括有溫度、濕度及放電時(shí)間，在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量消除這些因素的影響。

3.2.1 溫度

溫度會(huì)影響絕緣材料的電導(dǎo)率，一般來(lái)說(shuō)，溫度升高會(huì)使得絕緣介質(zhì)內(nèi)部的極化加劇，電導(dǎo)率增加，使得絕緣電阻值降低。在試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)記錄環(huán)境溫度，同時(shí)為了避免引入溫度修正系數(shù)使得計(jì)算復(fù)雜化，應(yīng)盡量保證在恒定環(huán)境溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.2 濕度

濕度同樣會(huì)影響絕緣材料的電導(dǎo)率，在相對(duì)濕度較大的環(huán)境中，絕緣材料會(huì)因?yàn)槭艹痹诒砻嫖酱罅克郑沟秒妼?dǎo)率上升，絕緣材料的整體絕緣性能及耐壓強(qiáng)度降低。因此，應(yīng)在相對(duì)濕度較低的環(huán)境下進(jìn)行絕緣檢測(cè)試驗(yàn)。

3.2.3 放電時(shí)間

放電時(shí)間會(huì)影響每次試驗(yàn)后的剩余電荷量。每完成一次絕緣電阻的測(cè)試后，應(yīng)將被試部分進(jìn)行充分的放電，且放電時(shí)間應(yīng)大于充電時(shí)間。如果試驗(yàn)中形成的殘余電荷未完全放盡，在重復(fù)測(cè)量時(shí)，殘余電荷會(huì)影響絕緣電阻測(cè)試儀的輸出結(jié)果，當(dāng)其極性與絕緣電阻測(cè)試儀的極性相同時(shí)，測(cè)得的絕緣電阻將比真實(shí)值增大；極性與絕緣電阻測(cè)試儀的極性相反時(shí)，測(cè)得的絕緣電阻將比真實(shí)值減小［6］。因?yàn)闃O性相同時(shí)，絕緣電阻測(cè)試儀由于同性相斥會(huì)輸出較少的電荷量；而極性相反時(shí)，絕緣電阻測(cè)試儀需要輸出更多的電荷去中和殘余電荷。為了消除剩余電荷量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在測(cè)試前和重復(fù)試驗(yàn)前，都應(yīng)將被試品進(jìn)行充分的放電。

3.3 不確定度分析

3.3.1 REESS兩端子與電平臺(tái)之間的電壓測(cè)量值U1、U1′

在測(cè)量過(guò)程中由于電壓表測(cè)量重復(fù)性偏差引入的不確定度，采用A類(lèi)不確定度評(píng)估。

在測(cè)量過(guò)程中由于電壓表測(cè)量允許誤差引入的不確定度，采用B類(lèi)不確定度評(píng)估。

3.3.2 并聯(lián)電阻后REESS兩端子與電平臺(tái)之間的電壓測(cè)量值U2、U2′

在測(cè)量過(guò)程中由于電壓表測(cè)量重復(fù)性偏差引入的不確定度，采用A類(lèi)不確定度評(píng)估。

在測(cè)量過(guò)程中由于電壓表測(cè)量允許誤差引入的不確定度，采用B類(lèi)不確定度評(píng)估。

3.3.3 數(shù)字修約

測(cè)量結(jié)果數(shù)字修約引起的誤差，采用B類(lèi)不確定度評(píng)估。

綜上所述，電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻檢測(cè)結(jié)果的不確定度因果關(guān)系如圖6所示。

4 實(shí)車(chē)測(cè)試

選取一輛純電動(dòng)樣車(chē)，在室溫26.3 ℃，相對(duì)濕度42%條件下，依據(jù)GB 18384-2020進(jìn)行雙表法測(cè)試，選用的電壓表內(nèi)阻為10 MΩ，并聯(lián)電阻R0為阻值1 MΩ的色環(huán)電阻，試驗(yàn)樣車(chē)基本參數(shù)如表1所示。

屏蔽樣車(chē)絕緣監(jiān)控設(shè)備，然后斷開(kāi)樣車(chē)高低壓電源，拆開(kāi)樣車(chē)高壓配電盒，將兩個(gè)電壓表負(fù)極接在高壓配電盒接地點(diǎn)上，正極分別接在負(fù)載主路的總正、總負(fù)兩處［7］。測(cè)試設(shè)備連接如圖7所示。

重復(fù)測(cè)試10次并記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

5 絕緣電阻不確定度評(píng)估

5.1 各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

5.1.1 端子電壓測(cè)量值U1的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（U1）

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，以多次測(cè)量的算術(shù)平均值作為檢測(cè)結(jié)果，故并聯(lián)偏執(zhí)電阻前端子電壓測(cè)量值U1的A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA（U1）為：

[uA（U1）=0.263=0.150（V）]

試驗(yàn)中使用的電壓表，它的直流電壓測(cè)量精度為±0.09%，區(qū)間服從矩形分布，取包含因子[kU1=3]，則并聯(lián)偏執(zhí)電阻前端子電壓測(cè)量值U1的B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB（U1）為：

[uB（U1）=0.00093=0.00052（V）]

5.1.2 端子電壓測(cè)量值U1′的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（U1′）

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，以多次測(cè)量的算術(shù)平均值作為檢測(cè)結(jié)果，故并聯(lián)偏執(zhí)電阻前端子電壓測(cè)量值U1′的A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA（U1′）為：

[uA（U1′）=0.163=0.092（V）]

U1′使用同款電壓表，直流電壓測(cè)量精度為±0.09%，區(qū)間服從矩形分布，取包含因子kU1′=[3]，則并聯(lián)偏執(zhí)電阻前端子電壓測(cè)量值U1′的B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB（U1′）為：

[uB（U1′）=0.00093=0.00052（V）]

5.1.3 端子電壓測(cè)量值U2的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（U2）

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，以多次測(cè)量的算術(shù)平均值作為檢測(cè)結(jié)果，故并聯(lián)偏執(zhí)電阻前端子電壓測(cè)量值U2的A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA（U2）為：

[uA（U204）=0.163=0.023（V）]

使用的電壓表直流電壓測(cè)量精度為±0.09%，區(qū)間服從矩形分布，取包含因子kU2=[3]，則并聯(lián)偏執(zhí)電阻前端子電壓測(cè)量值U2的B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB（U2）為：

[uB（U2）=0.00093=0.00052（V）]

5.1.4 端子電壓測(cè)量值U2′的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（U2′）

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，以多次測(cè)量的算術(shù)平均值作為檢測(cè)結(jié)果，故并聯(lián)偏執(zhí)電阻前端子電壓測(cè)量值U2′的A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA（U2′）為：

[uA（U2′）=0.093=0.052（V）]

U2′使用同款電壓表，直流電壓測(cè)量精度為±0.09%，區(qū)間服從矩形分布，取包含因子kU2′=[3]，則并聯(lián)偏執(zhí)電阻前端子電壓測(cè)量值U2′的B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB（U2′）為：

[uB（U1）=0.00093=0.00052（V）]

5.1.5 數(shù)字修約

本次試驗(yàn)中Ri=246.81（MΩ），Q修約到0.1（MΩ），區(qū)間服從矩形分布，包含因子krep=[3]，區(qū)間半寬arep=0.05（MΩ），則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

[urep=0.053=0.029（MΩ）]

5.1.6 靈敏系數(shù)

c（U1）=3.8943 MΩ/V，為電壓測(cè)量值U1的靈敏系數(shù)，計(jì)算公式如下：

[c（U1）=?Ri?Ui=11+R20r2（U2′U2-U1′U1）2-2R0r（U2′U2-U1′U1）·R0U1′U12=3.8943（MΩ/V）]

c（U1′）=-3.9348 MΩ/V，為電壓測(cè)量值U1′的靈敏系數(shù)，計(jì)算公式如下：

[c（U1′）=?Ri?U1′=11+R20r2（U2′U2-U1′U1）2-2R0r（U2′U2-U1′U1）·R0U1′U12=3.9348（MΩ/V）]

c（U2）=-0.0032 MΩ/V，為電壓測(cè)量值U2的靈敏系數(shù)，計(jì)算公式如下：

[c（U2）=?Ri?U2=11+R20r2（U2′U2-U1′U1）2-2R0r（U2′U2-U1′U1）·R0U1′U12=243.1778（MΩ/V）]

c（U2′）=-0.0032 MΩ/V，為電壓測(cè)量值U2′的靈敏系數(shù)，計(jì)算公式如下：

[c（U2′）=?Ri?U2′=11+R20r2（U2′U2-U1′U1）2-2R0r（U2′U2-U1′U1）·R0U1′U12=2.1643（MΩ/V）]

不確定度匯總見(jiàn)表3。

5.2 不確定度評(píng)估

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U=2×5.6 MΩ=11.2 MΩ。

該樣車(chē)的絕緣電阻檢測(cè)在環(huán)境溫度為23.6 ℃時(shí)的結(jié)果為Ri=246.8 MΩ，其擴(kuò)展不確定度為U=11.2 MΩ，k=2。

即Ri=（246.8±11.2）MΩ；k=2。

[Uc=c（U1）2u（U1）2+c（U1′）2u（U1′）2+c（U2）2u（U2）2+c（U2′）2u（U2′）2+c（B）2urep2=c（U1）2uA（U1）2+uB（U1）2+c（U1′）2uA（U1′）2+uB（U1′）2+c（U2）2uA（U2）2+uB（U2）2+c（U2′）2uA（U2′）2+uB（U2′）2+c（B）2urep2=5.6 MΩ]

6 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車(chē)的絕緣性能是整車(chē)電氣化設(shè)計(jì)的基本要求，也是車(chē)輛安全性的重要工作之一，通過(guò)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)對(duì)底盤(pán)的絕緣性保證車(chē)輛設(shè)備正常運(yùn)作和汽車(chē)安全運(yùn)行。本文重點(diǎn)介紹了現(xiàn)行強(qiáng)標(biāo)中電動(dòng)汽車(chē)絕緣電阻的測(cè)試方法，驗(yàn)證分析了其原理及優(yōu)缺點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行了不確定度分析。電動(dòng)汽車(chē)的絕緣檢測(cè)在雙表法測(cè)試要求下，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，受到影響因素較多，最終的結(jié)果波動(dòng)較大。在今后的研究中應(yīng)該進(jìn)一步的優(yōu)化測(cè)試方法，提高測(cè)試的穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：

李文海，男，1989年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)產(chǎn)品準(zhǔn)入檢測(cè)及試驗(yàn)。