新型电动汽车绝缘性检测方法探究

吴东来 丁李辉

摘 要：电动汽车作为新能源汽车的典型代表，将有助于解决我国汽车行业的发展与能源紧缺的问题，制约电动汽车发展的问题之一是绝缘性检测问题，传统检测方法抗干扰能力弱，而电压注入式绝缘检测法能有效解决传统方法存在的不足，具有较高的可靠性，值得推广。

关键词：电动汽车；绝缘性检测；电压注入式

1 引言

随着我国经济的不断发展，人们生活水平和消费观念发生了很大变化，这极大的促进了汽车行业的发展。汽车行业是能源消耗性产业，汽车行业的发展虽然方便了人们的生活，促进了经济的发展，但同时也加剧了能源的消耗、引发了环境问题。因此，汽车行业发展、能源紧缺和环境污染之间的问题成为要解决的关键问题。发展新型能源动力性汽车，将是汽车行业未来发展的主要趋势。电动汽车由此得到了人们的广泛关注，对电动汽车来说，影响其发展和推广的因素是多方面的，但安全性是其中较为重要的一个因素，加强绝缘性检测，提高电动汽车安全性能成为要解决的关键问题。

2 电动汽车绝缘性检测方法分析

2.1 绝缘性检测重要性分析

电动汽车是一个复杂的机电装置，该装置主要有电动机、逆变器、动力电池组、直流变换、直流传输母线等部件组成，任何一个部件都不可避免的要涉及绝缘问题。电动汽车运行过程中温度、湿度会发生变化，而腐蚀性气体以及外力作用都会加速绝缘性能的降低，影响设备的正常运行。绝缘层和底盘通过电源正负线连接构成漏电流回路，底盘电位一旦上升，就会降低低电压器和车辆控制器的工作性能，危及乘驾人员的安全。当高压电路和底盘之间多点绝缘性下降严重时，还会造成热积累效应，可能引发电动汽车火灾。因此，准确、实时的检测高压电气系统对电动汽车底盘的绝缘性，能为车辆的正常行驶和乘客的安全提供保障。

2.2

无源接地检测法

2.2.1

检测原理

传统绝缘性检测多为无源接地检测，检测方法是将一系列电阻接入直流正负母线和车体搭铁之间，然后利用开关或者继电器改变连入阻值的大小，连入电阻值发生变化，则被测电阻的电压也会相应改变，最后利用电学关系式计算出正负母线对地的绝缘电阻。

如图 1所示，图中 Ub表示串联电池组的总电压， Rn和 Rp则表示电池正负母线与车体之间的绝缘电阻，其余 U1和 U2表示对应电阻 R和 R两端的电压， S表示电子开关。开关 S与 R4并联， S的断开和闭合能改变电路中总电阻，则电流也会发生相应改变，根据欧姆定律，R与 R的分压就会发生变化，即通过 S的断开和闭合，可改变 R与 R的分压。 S断开和 S闭合状态下，电流中对应不同的电流，根据欧姆定律可列出不同状态下的等式方程，方程联立后可得到 Rn和 Rp的值。

S断开和 S闭合状态下的方程分别为 1和 2。

2.2.2 方法评价

以上就是电动汽车常用的无源检测法的检测原理，可直接计算母线对车体的绝缘阻值。该法的不足之处是检测电路在动力电池组正负母线和车体之间连接了电阻，检测装置的接入不仅降低了车体的绝缘性能，还增加了电池的自放电率，一定程度上造成了能量损失。当正负母线对地绝缘电阻相等时，无法计算出绝缘电阻；若电池组总电压过低或电池组出现开路故障，也无法对绝缘电阻进行精确测量。

2.3

电压注入式绝缘检测法

2.3.1

检测原理

电压注入式绝缘检测是通过隔离变压器分别给正负母线和车体之间注入 700V的直流高压，在利用高精度 AD芯片测量分压电阻的压降，最后通过对比分压计算正负母线对地绝缘电阻。其原理如图 2所示。

电阻 R1-R8与正负母线之间的连接可以通过开关 S1和 S2的通断实现，而开关 S3和 S4为高速 MOS管，微处理器发出信号后可对其开关状态进行控制，在变压器副边形成高达 700V的直流高压。测量方法可按照下面的流程进行：

首先，将开关 S1和 S2关闭，断开 S3和 S4，然后测量 R4和 R6两侧的电压，记作 U2和 U4，由此得到方程式 3和方程式 4。

（3）Ub=U2+U4；（4）U2/Rn=U4/Rp两式联立，可得正负母线对地绝缘电阻的比值：n=Rn/Rp=U2/U4.

器源边与 12V电压源形成脉冲电流，高压信号可在副边处感应，高压直流信号的获取需要将源信号通过阻容滤波；此时导通二极管，该高压就能加载在负端绝缘电阻 Rn上。测量 R3和 R4两侧的电压，分别记作 U1和 U2。负端母线对地电压 URn为：

（6） URn=（R1+R3）×U1 /R3；再结合戴维南定理可得：

（7） U2 /R4=URn/Rn=（Ub-URn）/Rp + URn/（R1+R3）；

当 R1阻值较大时，上式还可进一步转化为：

（8）U2 /R4=URn/Rn=（Ub-URn）/Rp上述方程中，3、5、6、8联立化简后可得电池正负母线对车体的绝缘电阻：Rp=Rn/n。

上述推导过程的前提是正负母线带电；若正负母线不带电，则可用类似电子摇表测试方法进行测试，具体操作如下：闭合 S1和 S2，在车体和正负母线之间注入高压；测量 U2、 U4后，能获得漏电流，然后进一步计算正负母线对车体的电阻。

2.3.2 方法评价

电压注入式绝缘检测法测量绝缘电阻时，需要在正负母线和车体之间引入电阻回路，这无疑会降低电池组和车体之间的绝缘等级；而在引入电路与电池组正负母线之间加入电子开关，就能减少影响。在需要检测时，闭合开关 S1和 S2，测量结束后则继电器就会处于断开状态，保障正负母线与测量回路之间的独立性。

相对于传统无缘接地检测法而言，电压注入式绝缘检测法更具可靠性。这是因为传统无缘接地检测法是通过测量车体的漏电流计算母线对车体的绝缘电阻的，当车体绝缘状况较好时，漏电流值极小，而电动汽车电磁辐射干扰过大，导致检测信号失真，电压测量不准确会引起绝缘故障误报；而电压注入式绝缘检测法由于注入高达 700V的电压，即便车体绝缘性能良好，也能保障车体的电流能满足测量要求，这就保证了测量结果的可靠性。

3 检测方法应用

根据以上的理论分析可知，电压注入式绝缘检测法相对于传统的检测方法具有较大优势，为验证以上结论是否可靠，以下将对该法的应用性能进行探讨。

3.1 检测系统设计

本次设计以电压注入式绝缘检测法为基础，针对该方法的理论特点设计一套有源绝缘监测系统，当系统受到来自主机的检测命令式，该系统将开始对信号进行采集、处理、分析和通信等功能。具体流程如图 3所示。

3.2 检测实验设计

为检测电压注入式绝缘检测系统的运行性能，设计如下实验：选择 144V/6Ah镍氢电池组，在电池组正负母线和车体之间接入电阻测试板，通过设计样品检测该系统的准确性和可靠性。绝缘检测系统利用 CAN通信总线将检测结果传送至车载显示屏，用户可由显示屏读书直观读取结果。通过改变开关的闭合状态，调节正负母线的接地电阻。为确保测量结果的可靠性，本次实验测量五组数据，结果如表 1所示。

根据表 1实验数据可知，利用该系统检测绝缘性时，其测量值和真实值的误差变化范围在 0.20%-4.10%范围内，低于 5%，因此具有较高的可靠性，基本满足实际需求。

4 结论

电气汽车绝缘性检测问题是关系到能否安全行车的重要问题，也是电动汽车发展应解决的关键问题。本文对电动汽车传统绝缘检测方法的不足之处进行了分析，然后在此基础上提出电压注入式绝缘电阻检测方法，该方法解决了传统检测方法的不足，且经过实验验证，具有较高的可靠性，值得大范围推广。

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