吳東來(lái) 丁李輝

摘 要：電動(dòng)汽車作為新能源汽車的典型代表，將有助于解決我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展與能源緊缺的問(wèn)題，制約電動(dòng)汽車發(fā)展的問(wèn)題之一是絕緣性檢測(cè)問(wèn)題，傳統(tǒng)檢測(cè)方法抗干擾能力弱，而電壓注入式絕緣檢測(cè)法能有效解決傳統(tǒng)方法存在的不足，具有較高的可靠性，值得推廣。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；絕緣性檢測(cè)；電壓注入式

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平和消費(fèi)觀念發(fā)生了很大變化，這極大的促進(jìn)了汽車行業(yè)的發(fā)展。汽車行業(yè)是能源消耗性產(chǎn)業(yè)，汽車行業(yè)的發(fā)展雖然方便了人們的生活，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時(shí)也加劇了能源的消耗、引發(fā)了環(huán)境問(wèn)題。因此，汽車行業(yè)發(fā)展、能源緊缺和環(huán)境污染之間的問(wèn)題成為要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。發(fā)展新型能源動(dòng)力性汽車，將是汽車行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。電動(dòng)汽車由此得到了人們的廣泛關(guān)注，對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，影響其發(fā)展和推廣的因素是多方面的，但安全性是其中較為重要的一個(gè)因素，加強(qiáng)絕緣性檢測(cè)，提高電動(dòng)汽車安全性能成為要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 電動(dòng)汽車絕緣性檢測(cè)方法分析

2.1 絕緣性檢測(cè)重要性分析

電動(dòng)汽車是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電裝置，該裝置主要有電動(dòng)機(jī)、逆變器、動(dòng)力電池組、直流變換、直流傳輸母線等部件組成，任何一個(gè)部件都不可避免的要涉及絕緣問(wèn)題。電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中溫度、濕度會(huì)發(fā)生變化，而腐蝕性氣體以及外力作用都會(huì)加速絕緣性能的降低，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。絕緣層和底盤通過(guò)電源正負(fù)線連接構(gòu)成漏電流回路，底盤電位一旦上升，就會(huì)降低低電壓器和車輛控制器的工作性能，危及乘駕人員的安全。當(dāng)高壓電路和底盤之間多點(diǎn)絕緣性下降嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)造成熱積累效應(yīng)，可能引發(fā)電動(dòng)汽車火災(zāi)。因此，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的檢測(cè)高壓電氣系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車底盤的絕緣性，能為車輛的正常行駛和乘客的安全提供保障。

2.2

無(wú)源接地檢測(cè)法

2.2.1

檢測(cè)原理

傳統(tǒng)絕緣性檢測(cè)多為無(wú)源接地檢測(cè)，檢測(cè)方法是將一系列電阻接入直流正負(fù)母線和車體搭鐵之間，然后利用開(kāi)關(guān)或者繼電器改變連入阻值的大小，連入電阻值發(fā)生變化，則被測(cè)電阻的電壓也會(huì)相應(yīng)改變，最后利用電學(xué)關(guān)系式計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻。

如圖 1所示，圖中 Ub表示串聯(lián)電池組的總電壓， Rn和 Rp則表示電池正負(fù)母線與車體之間的絕緣電阻，其余 U1和 U2表示對(duì)應(yīng)電阻 R和 R兩端的電壓， S表示電子開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān) S與 R4并聯(lián)， S的斷開(kāi)和閉合能改變電路中總電阻，則電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，根據(jù)歐姆定律，R與 R的分壓就會(huì)發(fā)生變化，即通過(guò) S的斷開(kāi)和閉合，可改變 R與 R的分壓。 S斷開(kāi)和 S閉合狀態(tài)下，電流中對(duì)應(yīng)不同的電流，根據(jù)歐姆定律可列出不同狀態(tài)下的等式方程，方程聯(lián)立后可得到 Rn和 Rp的值。

S斷開(kāi)和 S閉合狀態(tài)下的方程分別為 1和 2。

2.2.2 方法評(píng)價(jià)

以上就是電動(dòng)汽車常用的無(wú)源檢測(cè)法的檢測(cè)原理，可直接計(jì)算母線對(duì)車體的絕緣阻值。該法的不足之處是檢測(cè)電路在動(dòng)力電池組正負(fù)母線和車體之間連接了電阻，檢測(cè)裝置的接入不僅降低了車體的絕緣性能，還增加了電池的自放電率，一定程度上造成了能量損失。當(dāng)正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻相等時(shí)，無(wú)法計(jì)算出絕緣電阻；若電池組總電壓過(guò)低或電池組出現(xiàn)開(kāi)路故障，也無(wú)法對(duì)絕緣電阻進(jìn)行精確測(cè)量。

2.3

電壓注入式絕緣檢測(cè)法

2.3.1

檢測(cè)原理

電壓注入式絕緣檢測(cè)是通過(guò)隔離變壓器分別給正負(fù)母線和車體之間注入 700V的直流高壓，在利用高精度 AD芯片測(cè)量分壓電阻的壓降，最后通過(guò)對(duì)比分壓計(jì)算正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻。其原理如圖 2所示。

電阻 R1-R8與正負(fù)母線之間的連接可以通過(guò)開(kāi)關(guān) S1和 S2的通斷實(shí)現(xiàn)，而開(kāi)關(guān) S3和 S4為高速 MOS管，微處理器發(fā)出信號(hào)后可對(duì)其開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，在變壓器副邊形成高達(dá) 700V的直流高壓。測(cè)量方法可按照下面的流程進(jìn)行：

首先，將開(kāi)關(guān) S1和 S2關(guān)閉，斷開(kāi) S3和 S4，然后測(cè)量 R4和 R6兩側(cè)的電壓，記作 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兩式聯(lián)立，可得正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻的比值：n=Rn/Rp=U2/U4.

器源邊與 12V電壓源形成脈沖電流，高壓信號(hào)可在副邊處感應(yīng)，高壓直流信號(hào)的獲取需要將源信號(hào)通過(guò)阻容濾波；此時(shí)導(dǎo)通二極管，該高壓就能加載在負(fù)端絕緣電阻 Rn上。測(cè)量 R3和 R4兩側(cè)的電壓，分別記作 U1和 U2。負(fù)端母線對(duì)地電壓 URn為：

（6） URn=（R1+R3）×U1 /R3；再結(jié)合戴維南定理可得：

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

當(dāng) R1阻值較大時(shí)，上式還可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

（8）U2 /R4=URn/Rn=（Ub-URn）/Rp上述方程中，3、5、6、8聯(lián)立化簡(jiǎn)后可得電池正負(fù)母線對(duì)車體的絕緣電阻：Rp=Rn/n。

上述推導(dǎo)過(guò)程的前提是正負(fù)母線帶電；若正負(fù)母線不帶電，則可用類似電子搖表測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，具體操作如下：閉合 S1和 S2，在車體和正負(fù)母線之間注入高壓；測(cè)量 U2、 U4后，能獲得漏電流，然后進(jìn)一步計(jì)算正負(fù)母線對(duì)車體的電阻。

2.3.2 方法評(píng)價(jià)

電壓注入式絕緣檢測(cè)法測(cè)量絕緣電阻時(shí)，需要在正負(fù)母線和車體之間引入電阻回路，這無(wú)疑會(huì)降低電池組和車體之間的絕緣等級(jí)；而在引入電路與電池組正負(fù)母線之間加入電子開(kāi)關(guān)，就能減少影響。在需要檢測(cè)時(shí)，閉合開(kāi)關(guān) S1和 S2，測(cè)量結(jié)束后則繼電器就會(huì)處于斷開(kāi)狀態(tài)，保障正負(fù)母線與測(cè)量回路之間的獨(dú)立性。

相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)緣接地檢測(cè)法而言，電壓注入式絕緣檢測(cè)法更具可靠性。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)無(wú)緣接地檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)量車體的漏電流計(jì)算母線對(duì)車體的絕緣電阻的，當(dāng)車體絕緣狀況較好時(shí)，漏電流值極小，而電動(dòng)汽車電磁輻射干擾過(guò)大，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)失真，電壓測(cè)量不準(zhǔn)確會(huì)引起絕緣故障誤報(bào)；而電壓注入式絕緣檢測(cè)法由于注入高達(dá) 700V的電壓，即便車體絕緣性能良好，也能保障車體的電流能滿足測(cè)量要求，這就保證了測(cè)量結(jié)果的可靠性。

3 檢測(cè)方法應(yīng)用

根據(jù)以上的理論分析可知，電壓注入式絕緣檢測(cè)法相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法具有較大優(yōu)勢(shì)，為驗(yàn)證以上結(jié)論是否可靠，以下將對(duì)該法的應(yīng)用性能進(jìn)行探討。

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以電壓注入式絕緣檢測(cè)法為基礎(chǔ)，針對(duì)該方法的理論特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套有源絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)受到來(lái)自主機(jī)的檢測(cè)命令式，該系統(tǒng)將開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、處理、分析和通信等功能。具體流程如圖 3所示。

3.2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為檢測(cè)電壓注入式絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：選擇 144V/6Ah鎳氫電池組，在電池組正負(fù)母線和車體之間接入電阻測(cè)試板，通過(guò)設(shè)計(jì)樣品檢測(cè)該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。絕緣檢測(cè)系統(tǒng)利用 CAN通信總線將檢測(cè)結(jié)果傳送至車載顯示屏，用戶可由顯示屏讀書(shū)直觀讀取結(jié)果。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)，調(diào)節(jié)正負(fù)母線的接地電阻。為確保測(cè)量結(jié)果的可靠性，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量五組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表 1所示。

根據(jù)表 1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，利用該系統(tǒng)檢測(cè)絕緣性時(shí)，其測(cè)量值和真實(shí)值的誤差變化范圍在 0.20%-4.10%范圍內(nèi)，低于 5%，因此具有較高的可靠性，基本滿足實(shí)際需求。

4 結(jié)論

電氣汽車絕緣性檢測(cè)問(wèn)題是關(guān)系到能否安全行車的重要問(wèn)題，也是電動(dòng)汽車發(fā)展應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文對(duì)電動(dòng)汽車傳統(tǒng)絕緣檢測(cè)方法的不足之處進(jìn)行了分析，然后在此基礎(chǔ)上提出電壓注入式絕緣電阻檢測(cè)方法，該方法解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有較高的可靠性，值得大范圍推廣。

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