燃料電池絕緣電阻的測量研究

摘要：質子交換膜燃料電池由于其高能量效率和零碳環保性，可用作汽車動力來源。燃料電池發動機系統具有100～300 V的直流電壓，經DC-DC的boost電路升壓后，電壓可達到600 V，必須對其直流母線絕緣電阻值進行實驗研究及實時監測，才能確保其符合電動汽車的電氣安全條件。首先建立絕緣電阻的測量模型，然后利用絕緣電阻監測模塊在線測量絕緣電阻，得到燃料電池發動機系統在運行過程中絕緣電阻隨時間的遷變曲線，為后續在不同條件下（如電流大小、運行溫度等）研究燃料電池絕緣電阻的遷變規律，以及提高和改善其絕緣性能提供參考。

關鍵詞：燃料電池發動機；絕緣電阻；在線檢測

中圖分類號：U473 收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408019

1 前言

燃料電池汽車是電動汽車的一類，燃料電池發動機系統（燃料電池系統）的能量是通過氫氣和氧氣的化學作用產生的，而不是經過燃燒變成電能的。燃料電池發生的化學反應過程中不會產生有害產物，因此燃料電池車輛是無污染汽車[1-2]。燃料電池的能量轉換效率極高，比內燃機要高2～3倍[3]，因此從能源的利用和環境保護方面來說，燃料電池汽車是一種理想的車輛。

現有國內燃料電池汽車的發展主要采用電-電并聯的技術路線，即動力電池單元與燃料電池系統并聯一起為汽車提供動力源泉。燃料電池汽車絕緣監測工作主要由動力電池單元（BMS）來完成[4]，燃料電池系統主要通過CAN總線來獲取絕緣電阻值。但是該系統在進行臺架測試過程中無法定位出絕緣電阻故障源，使得臺架上的燃料電池系統的安全性能較低，風險極大。

根據GB/T 3805—2008《特低電壓（ELV）限值》可知安全電壓和安全電流要求，其中安全電壓值為42 V、36 V、24 V、12 V和6 V，安全電流為10 mA，但在有防止觸電保護裝置的情況下，允許人體所能通過的電流為30 mA?；谏鲜鰳藴始芭_架試驗中燃料電池系統無絕緣檢測的問題，本文分析了兩種絕緣電阻測量原理，并針對臺架設計了絕緣電阻檢測方案。

2 絕緣電阻測量模型

2.1 脈沖注入法

脈沖注入法測量絕緣電阻的原理見圖1，絕緣監測儀產生一個正負對稱的低頻方波脈沖信號[5-6]，幅值為±15 V。在燃料電池系統直流母線與汽車底盤（大地）之間注入脈沖信號。

脈沖信號通過限流電阻串[Rx]、采樣電阻[Rs]與待測正極對地絕緣電阻[Riso+]、負極對地絕緣電阻[Riso-]構成回路。利用[Rs]上的實時采樣信號，通過MCU算法即可得到待測系統對汽車底盤（大地）的絕緣電阻值[Riso+]、[Riso-]、[Riso]。絕緣電阻有兩種輸出方式：一種是輸出正極和負極分別對地絕緣電阻值[Riso+]和[Riso-]；一種是輸出正負極對地絕緣電阻的并聯值[Riso]。絕緣電阻輸出方式如圖2a、圖2b所示。

[Riso+]和[Riso-]分別是指電池組正極BUS+對汽車底盤（大地）和電池組負極BUS-對汽車底盤（大地）的絕緣電阻值，方便區分正負極對地絕緣故障。正負極對地絕緣電阻的并聯值[Riso]是指所有絕緣電阻的并聯值，其故障接地位置通過電壓[V1]和[V2]表示：[V1]為電池組正極BUS+對接地點的電壓，[V2]為接地點對電池組負極BUS-的電壓，[V1+V2]為電池組直流電壓值[VDC]，通過讀取[V1]的數據，方便查找確定電池組內部的絕緣故障點位置。

2.2 不平衡橋檢測法

不平衡橋檢測法的原理見圖3，圖中“上下橋臂采樣電阻”為厚膜電阻或者高精度電阻，電阻（[R11]、[R21]）阻值大小為2 MΩ左右，電阻（[R12]、[R22]）阻值大小為10 kΩ左右。

在兩組精密電阻（[R11]、[R12]和[R21]、[R22]）上下布置構成的電路上依次接入兩個MOS管開關[Swp]和[Swn]，MCU通過控制MOS管開關[Swp]和[Swn]的接合順序來調整精密電阻[R11]、[R12]和[R21]、[R22]分別接入，從而可以計算出“直流母線正極對地（底盤車架）的絕緣電阻[Rp]”和“直流母線負極對地（底盤車架）的絕緣電阻[Rn]”?！吧舷聵虮坶_關[Swp]和[Swn]”一般是光控MOS場效應管（如AQV258）。單片機（MCU）將采集到的[R11]和[R22]電壓通過內部AD轉換電路轉換，再經過內部算法處理程序，可以計算出絕緣電阻[Rp]和絕緣電阻[Rn]。

3 絕緣電阻求解

3.1 上橋臂采樣點（直流母線正極對地）的電壓

上文中介紹了兩種絕緣電阻的檢測原理，本節針對不平衡橋檢測法進行詳細的推導求解。光控MOS開關管[Swp]閉合，[Swn]斷開，參考點選取地（底盤車架），直流母線正負極流出和流入的電流，大小值為別[i1]和[i2]，[Rp]上的電流值大小為[i3]，[R12]上的電流大小為[i4]。直流母線正極對地的電壓為[Ub+]，直流母線負極對地電壓為[Ub-]，此時可以計算出動力電池的總電壓為[Ubp]，通過電路歐姆定律可以得到：

[i4=UspR12] （1）

[Ub+=Usp+R11i4=Usp（1+R11R12）] （2）

[i3=Ub+Rp] （3）

由式（1）、式（2）、式（3）可以得到直流母線正極流出的電流：

[i1=i3+i4=Ub+Rp+UspR12=Usp（1Rp+R11R11R12+1R12）]

又因[i1+i2=0]和[Ub++Ub-=0]，故可得：

[Ub-=Rni2=-Rni1=-RnUsp（1Rp+R11R11R12+1R12）] （4）

[Ub-=Ubp-Ub+=Ubp-Usp（1+R11R12）] （5）

由式（4）和式（5）聯立可以得到以下等式：

[UspR11+R12-UbpR12=RnUspR11+R12+RpRp] （6）

3.2 下橋臂采樣點（直流母線負極對地）的電壓

光控MOS開關管[Swp]斷開，[Swn]閉合，同樣參考點選取地（汽車車架），此時計算出動力電池的總電壓用[Ubn]。與“上橋臂采樣點（直流母線正極對地）的電壓”同理可計算得：

[RsnR21+R22-UbnR22=RpUsnR21+R22+RnRn] （7）

3.3 絕緣電阻計算

綜合式（6）和式（7）可以得到關于[Rp]和[Rn]的方程式，從而求解出“直流母線正極對地（汽車車架）的絕緣電阻”和“直流母線負極對地（汽車車架）的絕緣電阻”。

4 檢測結果

絕緣電阻值是判斷電氣系統絕緣性能好壞的標準，而對于燃料電池而言，檢測燃料電池的正負極母線分別對地的絕緣電阻值是很重要的。根據《GB/T 36288—2018燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》中表述：燃料電池堆在加注冷卻液而且冷卻液處于冷態循環狀態下，正負極對于地絕緣性要求分別不應低于100 Ω/V。在燃料電池系統測試過程中，選用“不平衡橋檢測法”原理的絕緣監測儀，絕緣監測設備實物如圖4所示，絕緣監測儀接入燃料電池系統的架構如圖5所示。

燃料電池系統上電后，由絕緣監測儀通過CAN報文以1 000 ms為周期間隔向燃料電池控制器（FCU）發送絕緣阻值，測試結果如下（單位為kΩ）。根據測試曲線結果可知，絕緣電阻保持在30 MΩ以上，根據燃料電池系統平臺電壓為1 000 V可知，對地絕緣性達30 000 Ω/V，符合國標要求。

5 結語

本文建立了兩種絕緣電阻的測量模型，然后利用絕緣電阻監測模塊在線測量絕緣電阻，得到燃料電池發動機系統在運行過程中絕緣電阻隨時間的遷變曲線，根據變遷曲線可知對地絕緣性達30 000 Ω/V，遠超國標GB/T 36288—2018要求的100 Ω/V，燃料電池系統可作為電動汽車動力源進行使用。

參考文獻：

[1]殷卓成，王賀段，文益，等氫燃料電池汽車關鍵技術研究現狀與前景分析[J]現代化工，2022，42（10）：18-23.

[2]許懿婧，楊國剛，萇國強PEM燃料電池冷卻方法發展現狀研究[J]電源技術，2022，46（12）：1349-1352.

[3]羅瑞瓊，朱利香，彭衛韶，等氫燃料電池能量轉換效率測試研究[J]機械工程與自動化，2022（6）：7-9.

[4]柯小軍燃料電池汽車高壓電安全設計要求[J]北京汽車，2020（6）：49-53.

[5]錢君霞，尹斌一種分布式直流絕緣檢測裝置的研究[J]絕緣材料，2004（5）：35-37.

[6]楊守建電池管理系統中一種絕緣電阻檢測方法[J]汽車實用技術2023，48（9）：6-11.

作者簡介：

袁程，男，1993年生，工程師，研究方向為儲能系統設計。