一種基于電磁效應(yīng)的電動汽車故障在線監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：U469.72 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0026-0

AnElectric Vehicle Fault Online Monitoring System Based on Electromagnetic Effect*

MaJunming WuWei ZhangYoujie

【Abstract】The detection of leakage faults inthe high-voltage system of electric vehicle isactualythe testing of thehigh-voltage insulation performanceof electricvehicle.Theonlinemonitoring system forelectricvehiclefaults based onelectromagneticeffectsuseshigh-precision LinearHallEfect Sensor toequivalentlymeasure theleakagecurrentof thehigh-voltagewiring harnessof electricvehicle.Atthesame time，themethod ofsettng threshold values is used as thejudgmentconditionforthelevelof leakagefaults，achievingonlineelectricvehicleofleakageinthehigh-voltage system of electric vehicle and ultimately providing guarantees for human and vehicle safety.

【Keywords】 electromagnetic efect；equivalent threshold；linear hall effect sensor；equivalent measurement method

0 引言

隨著電動汽車市場占有率大幅提升，由電動汽車故障產(chǎn)生的安全事件也越來越引起了人們的關(guān)注。純電動汽車相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，在結(jié)構(gòu)、原理和控制系統(tǒng)等方面存在顯著差異。其動力系統(tǒng)包括電池組、電機、控制器等多個關(guān)鍵部件，這些部件的協(xié)同工作確保了電動汽車的正常運行。然而，由于電動汽車的復(fù)雜性和特殊性，其在使用過程中難免會遇到各種故障，如電池故障、電機故障、控制系統(tǒng)故障等。這些故障如果不能及時、準(zhǔn)確地診斷和處理，不僅會影響電動汽車的正常使用，還可能對行車安全構(gòu)成威脅，特別是當(dāng)前電動汽車高壓部件、線束的大量裝配，由高壓部件漏電產(chǎn)生故障的占比也呈高發(fā)態(tài)勢，因此，研發(fā)電動汽車高壓漏電故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，對于提高電動汽車的安全性具有非常重要的意義。

對電動汽車高壓系統(tǒng)漏電故障的檢測，實際上就是對電動汽車高壓系統(tǒng)電器、電路絕緣性能的檢測。電動汽車高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測的基本方法有靜態(tài)檢測方法、動態(tài)檢測方法兩種。靜態(tài)檢測方法是指車輛在未行駛狀態(tài)下進行高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測，檢測過程基于人工操作，主要有直接測量法、有源電阻測量法[1-2]，即使用絕緣電阻表測量系統(tǒng)絕緣電阻，適用于線下維修檢查。動態(tài)檢測方法是指車輛在行駛狀態(tài)下進行高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測，檢測過程基于自動檢測儀器設(shè)備診斷，與人工檢測方法相比，儀器診斷具有客觀、定量和快速的優(yōu)勢。目前動態(tài)監(jiān)測法主要用的是電橋檢測法-3]，其方法需要在汽車電控系統(tǒng)中設(shè)計專用檢測電路，加大了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度和整車電磁兼容安全風(fēng)險，同時由于電動汽車高壓系統(tǒng)用電設(shè)備種類多電路復(fù)雜，該方法不能準(zhǔn)確定位故障點，對故障維修指導(dǎo)作用有限。為此，本文設(shè)計一種基于電磁效應(yīng)的電動汽車漏電故障在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1電動汽車高壓系統(tǒng)

電動汽車的高壓系統(tǒng)是電動汽車的動力核心，它負(fù)責(zé)將電池的能量轉(zhuǎn)化為機械能，從而驅(qū)動車輛行駛。電動汽車高壓系統(tǒng)主要關(guān)鍵部件及功能如下。

1）動力電池：作為電動汽車的電能供應(yīng)核心，動力電池能夠?qū)Υ娴幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為汽車提供持續(xù)穩(wěn)定的動力。

2）驅(qū)動電機：擔(dān)任將電能轉(zhuǎn)換為機械能的角色，從而驅(qū)動汽車前進。

3）電控：電控是整個系統(tǒng)的“大腦”，它將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)化為電機所需的三相交流電，同時還負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，確保安全。

4）高壓配電箱：作為電能的分配樞紐，高壓配電箱負(fù)責(zé)將動力電池輸出的電能合理分配到汽車的各個系統(tǒng)部件中。

5）DC/DC轉(zhuǎn)換器：負(fù)責(zé)將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，為汽車的低壓系統(tǒng)（如燈光、音響等）供電。

6）車載充電器：將外部的交流電源轉(zhuǎn)換為動力電池可以接受的直流電，為電池充電提供便利。

7）高壓線束：類似于汽車的“神經(jīng)系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)將電能從高壓配電箱高效傳輸?shù)狡嚨母鱾€角落。

為方便研究，本文將電動汽車的高壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件簡化為：動力電池、高壓配電箱、電機控制器、車載充電機、高壓用電設(shè)備 1～n 。簡化后的電動汽車高壓系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2 測量原理及方法

2.1 測量原理

閉合電路歐姆定律：閉合電路的電流跟電源的電動勢成正比，跟內(nèi)外電路的電阻之和成反比。公式為 I=E/（R+r） ，I表示電路中電流， E 表示電動勢，R 表示外總電阻， r 表示電池內(nèi)阻。

霍爾效應(yīng)：當(dāng)攜帶電流的固體材料引入垂直于電流方向的磁場時，會產(chǎn)生橫向電場，從而產(chǎn)生電壓，即霍爾電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

電磁效應(yīng)：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流叫作感應(yīng)電流。

2.2 測量方法

由于高壓線束是電動汽車各高壓部件與高壓配電箱進行連接的主要載體，因此可以通過測量高壓線束的漏電流判斷電動汽車高壓系統(tǒng)漏電情況。

電動汽車高壓線束有交流高壓線束和直流高壓線束兩類，本方法以直流高壓線束為例，交流高壓電路漏電測量原理和方法與直流電路類同。

電動汽車直流高壓系統(tǒng)電路測試示意圖如圖2所示。在高壓線束上安裝線性霍爾傳感器對該系統(tǒng)漏電流進行等效測量，線性霍爾傳感器信號輸出值用VH表示。

由閉合電路歐姆定律可知，在系統(tǒng)不漏電情況下，通過高壓線束的電流矢量和為0，由霍爾效應(yīng)可知，此時高壓線束上線性霍爾傳感器的測量值 VH=0 。

電動汽車高壓系統(tǒng)漏電源與高壓系統(tǒng)絕緣電阻性能下降，即高壓用電設(shè)備與電動汽車參考地線之間存在漏電電流，此時可以在高壓系統(tǒng)中高壓用電設(shè)備與電動汽車參考地之間連接一個可變電阻器R作為等效電路，高壓系統(tǒng)漏電電流大小等于通過可變電阻器R的電流，高壓系統(tǒng)漏電等效示意圖如圖3所示。

當(dāng)高壓用電設(shè)備存在漏電情況時，由閉合電路歐姆定律可知，高壓線束通過的電流矢量和等于通過可變電阻器R的漏電電流，且其值大于0，即此時高壓線束上線性霍爾傳感器的測量值 VHgt;0 。另依據(jù)電磁感應(yīng)原理，線性霍爾傳感器信號輸出值大小與系統(tǒng)漏電電流呈線性變化關(guān)系4，因此可依據(jù)線性霍爾傳感器信號輸出值VH判斷高壓系統(tǒng)漏電電流的大小，即電動汽車高壓系統(tǒng)漏電故障的嚴(yán)重程度。

2.3 判斷依據(jù)

根據(jù)GB18384—2020《電動汽車安全要求》，汽車高壓絕緣電阻在最大工作電壓下直流電路絕緣電阻值不小于 100Ω/V ，交流電路絕緣電阻值不小于500Ω/V 。

目前絕大多數(shù)電動汽車高壓電路為交直流連接，依據(jù)實際經(jīng)驗可以將電動汽車高壓絕緣性能評估條件定義如下。

1）不漏電：絕緣阻值 gt;500Ω/V 。

2）一般漏電： 100Ω/Vlt; 絕緣阻值 ?500Ω/V 。

3）嚴(yán)重漏電：絕緣阻值 ?100Ω/V 。

3系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為解決電動汽車高壓系統(tǒng)漏電故障在線監(jiān)測難題，依據(jù)上述原理和方法設(shè)計一種基于電磁效應(yīng)原理搭建的電動汽車高壓系統(tǒng)漏電故障在線監(jiān)測裝置及系統(tǒng)。

漏電故障在線監(jiān)測裝置由在線監(jiān)測主機及多路線性霍爾傳感器組成，其中在線監(jiān)測主機包括：處理器、存儲單元、顯示單元、報警單元、信號輸入單元和CAN總線信號輸出接口等模塊。在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示。

3.2 主要功能

電動汽車高壓系統(tǒng)漏電故障在線監(jiān)測系統(tǒng)包括在線監(jiān)測軟件及在線監(jiān)測裝置兩大部分，其主要功能如下。

1）在線監(jiān)測軟件：主要功能有數(shù)據(jù)采集、故障判斷、報警顯示、CAN數(shù)據(jù)輸出等。2）在線監(jiān)測處理器：執(zhí)行監(jiān)測軟件所有操作任務(wù)。3）在線監(jiān)測存儲單元：提供監(jiān)測軟件、閾值等初始化參數(shù)、報警數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志等所需的存儲空間。4）在線監(jiān)測顯示單元：顯示漏電閾值、實時傳感器測量值、故障報警信息等。5）在線監(jiān)測信號輸入單元：接收線性霍爾傳感器的測量信號，可同時提供多路并行輸入。

6）在線監(jiān)測CAN總線輸出接口：信號輸出接口符合標(biāo)準(zhǔn)汽車CAN總線信號輸出規(guī)范。

7）線性霍爾傳感器：用于等效測量高壓線束漏電電流。

4實施方案

4.1 閾值標(biāo)定

標(biāo)定漏電閾值，即標(biāo)定一般漏電閾值 VH₁ 和嚴(yán)重漏電閾值 VH₂ 。標(biāo)定步驟如下。

首先，搭建漏電等效電路系統(tǒng)（圖3），即在高壓線束、高壓設(shè)備一側(cè)負(fù)極接入滑動變阻器R，建議滑動變阻器R的最大阻值不小于 500kΩ^[6]

其次，為避免接口處電磁干擾和提升測量精度，選擇在被測系統(tǒng)高壓線束電源輸入側(cè)距離10cm 以遠的合適位置安裝線性霍爾傳感器，傳感器輸出連接在線監(jiān)測儀信號輸人端。

最后，斷電狀態(tài)使用專用絕緣表測量汽車絕緣阻值，連續(xù)調(diào)整滑動變阻器直至絕緣表測量值為500Ω/V ，保持滑動變阻器當(dāng)前阻值，加電測量該阻值時的線性霍爾傳感器信號輸出值 VH ，標(biāo)記為一般故障閾值 VH₁ ；斷電狀態(tài)下連續(xù)調(diào)整滑動變阻器直至絕緣表測量值為 100Ω/V ，保持滑動變阻器當(dāng)前阻值，加電測量該阻值時的線性霍爾傳感器信號輸出值 VH ，標(biāo)記為嚴(yán)重故障閾值 VH₂ ；斷電拆除滑動變阻器R，閾值標(biāo)定結(jié)束。

4.2 監(jiān)測流程

在線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。其中閾值標(biāo)定只在系統(tǒng)初始安裝或系統(tǒng)硬件有變更時進行。

監(jiān)測主機加電、高壓系統(tǒng)加電，電動汽車高壓系統(tǒng)漏監(jiān)測系統(tǒng)按監(jiān)測流程開始工作。監(jiān)測主機定時采集線性霍爾傳感器測量值 VH

將 VH 與一般漏電閾值 VH₁"進行比較，如果 VHlt; VH₁"，判斷為系統(tǒng)無漏電，持續(xù)監(jiān)測直到系統(tǒng)關(guān)閉。如果 VH?VH₁"，將 VH 與嚴(yán)重漏電閾值 VH₂"進行比較，如果 VH2 ，判斷為系統(tǒng)一般漏電，此時，監(jiān)控主機進行故障報警，并生成故障代碼信號輸出到CAN接口，監(jiān)控主機持續(xù)監(jiān)測直到系統(tǒng)關(guān)閉。

如果 VH?VH₂"，判斷為系統(tǒng)嚴(yán)重漏電，此時，監(jiān)控主機進行故障報警，并生成故障代碼信號輸出到CAN接口，監(jiān)控主機持續(xù)監(jiān)測直到系統(tǒng)關(guān)閉。

5結(jié)束語

本文設(shè)計的汽車高壓系統(tǒng)漏電故障在線監(jiān)測系統(tǒng)基于電磁效應(yīng)原理和線性霍爾器件的特性，對電動汽車高壓漏電閾值進行等效標(biāo)定、實時測量、故障判斷。故障在線監(jiān)測系統(tǒng)可設(shè)計為獨立回路也可與系統(tǒng)集成，在不改變汽車原有的電器結(jié)構(gòu)的同時做到低成本、易部署、可集成。此外，由于方案選用的線性霍爾傳感器具有高精度、快速響應(yīng)和抗干擾能力強的特點，使得在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r精準(zhǔn)判斷電動汽車高壓系統(tǒng)漏電故障。

參考文獻

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（編輯楊凱麟）