王治文，何大軍，龔國(guó)彬，朱兵

某電動(dòng)自行車絕緣性能分析及優(yōu)化

王治文，何大軍，龔國(guó)彬，朱兵

（重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司 國(guó)家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（重慶），重慶 401122）

建立電動(dòng)自行車機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的連接模型，提供了利用該連接模型分析電動(dòng)自行車絕緣性能影響因素的分析思路。采用該分析思路找到影響試驗(yàn)車輛絕緣性能的根源，并采取了有效的改進(jìn)措施。

電動(dòng)自行車；絕緣性能；分析；優(yōu)化

前言

絕緣性能是電動(dòng)車輛最重要的性能之一，其屬于電動(dòng)車輛的電安全性能，直接關(guān)系到使用者的人身財(cái)產(chǎn)安全。電動(dòng)車輛的絕緣性能備受關(guān)注，因而許多標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了規(guī)定，如GB 18384.3中規(guī)定了電動(dòng)汽車的絕緣性能，GB 24155中規(guī)定了電動(dòng)摩托車的絕緣性能，而GB 17761中則規(guī)定了電動(dòng)自行車的絕緣性能。

GB 17761中“電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”和“淋水涉水試驗(yàn)”兩個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目與電動(dòng)自行車的絕緣性能直接相關(guān)[1]。其中，“電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”是反應(yīng)絕緣保護(hù)層受持續(xù)性高電壓沖擊后絕緣性能的保持能力[2]；“淋水涉水試驗(yàn)”模擬車輛在大雨天氣行駛和通過深積水路面后絕緣性能的保持能力。

本文以一新型電動(dòng)自行車為研究對(duì)象，按GB 17761- 2018的規(guī)定對(duì)其進(jìn)行“電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”和“淋水涉水試驗(yàn)”測(cè)試。初始測(cè)試時(shí)，兩項(xiàng)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過建立機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的連接模型（下稱連接模型），分析出問題所在，并提出合理的改進(jìn)措施，該車的絕緣性能得到有效提升。本文的案例可為電動(dòng)自行車絕緣性能優(yōu)化起到一定的借鑒作用。

1 問題描述及連接模型建立

試驗(yàn)車輛的車架為鋁合金材料，表面噴涂防銹蝕油漆，車架及油漆涂層的絕緣性能較差。車架本體即組成電池組盒，電機(jī)和電機(jī)控制器均通過螺栓直接與車架相連，電池和電機(jī)控制器之間安裝空氣開關(guān)。除此之外，控制器上引出多條線路，分別控制喇叭、剎車、側(cè)支架、前后大燈等。

試驗(yàn)過程中，首先進(jìn)行“電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”再進(jìn)行“淋水涉水試驗(yàn)”，兩項(xiàng)試驗(yàn)先后出現(xiàn)了不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況。因兩項(xiàng)試驗(yàn)相同的度量參數(shù)為車輛的絕緣性能，本文采取建立連接模型的方式，將分析對(duì)象指向絕緣性能。

通過建立如圖1所示的連接模型，對(duì)各線路上的絕緣電阻值進(jìn)行分析，既可清晰地呈現(xiàn)分析對(duì)象，又可更加徹底地解決問題。

圖1中各部件之間的電阻表示二者之間的導(dǎo)通關(guān)系，該關(guān)系主要分為兩種：第一種是導(dǎo)線連接，正常情況下為導(dǎo)通狀態(tài)；第二種為接觸連接，正常情況下為絕緣狀態(tài)，這種情況下，當(dāng)絕緣措施不佳時(shí)，就形成了導(dǎo)通狀態(tài)，影響整車的絕緣性能。本文主要研究第二種連接情況，判斷其絕緣性能，通過分析電阻值的大小判斷其連接是否正常。

圖1 連接模型

標(biāo)準(zhǔn)中要求測(cè)量車輛線路的正極或負(fù)極（蓄電池后端）與車架、車把、電機(jī)之間的絕緣電阻。因電機(jī)、車把、車架處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此模型中可忽略車把和電機(jī)部分，而直接考查車輛正極或負(fù)極與車架之間的電阻即可。

2 連接模型分析

根據(jù)連接模型可知，測(cè)量車輛線路的正極或負(fù)極到車架的絕緣電阻時(shí)，共需要考慮7條線路，將其單獨(dú)拆解之后可表示為如圖2所示的獨(dú)立線路。

圖2 分析線路拆解

從上圖可以看出，7條線路存在公共部分，即車輛線路的正極或負(fù)極到電機(jī)控制器的部分。該段線路為導(dǎo)線連接，正常情況下處于導(dǎo)通狀態(tài)，即R0和R1很小，不在考查范圍之內(nèi)。導(dǎo)致車輛絕緣性能較差的原因主要來自電機(jī)控制器后端的連接狀態(tài)。

促使線路1成為可能影響該車絕緣性能的原因有兩個(gè)：其一，電機(jī)控制器外殼與內(nèi)部線路未絕緣，而由于電機(jī)外殼與車架直接接觸，即R2較小，從而使整個(gè)線路處于通路狀態(tài)；其二，該線路的絕緣導(dǎo)線的絕緣保護(hù)層受到損壞，從而使試驗(yàn)車輛線路的正極或負(fù)極直接與車架或電機(jī)控制器外殼接觸，即形成了如圖3所示的情況，此時(shí)R2'較小。

圖3 線路1的絕緣情況

通過測(cè)量試驗(yàn)車輛正極或負(fù)極與電機(jī)控制器外殼之間的絕緣電阻值，可考查上述前一種可能性；通過斷開除線路1的其他6條線路中電機(jī)控制器后端的連接，再測(cè)量試驗(yàn)車輛正極或負(fù)極與車架之間的電阻值，可考查第二種可能性。

促使線路2成為影響該車絕緣性能的原因的可能性有一個(gè)：電喇叭與車架之間形成了通路，即R4的阻值較小。通過斷開除線路2的其他6條線路中電機(jī)控制器后端的連接，再測(cè)量試驗(yàn)車輛正極或負(fù)極與車架之間的電阻值，可考查該種可能性。

采用與上述相同的方法考查其他線路對(duì)該車絕緣性能的影響情況。

3 試驗(yàn)車輛的絕緣性能解析

采用上述分析方法對(duì)該試驗(yàn)車輛的絕緣性能進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，線路1和線路5是影響該車絕緣性能的兩個(gè)原因。

3.1 絕緣保護(hù)層對(duì)絕緣性能的影響

線路1中體現(xiàn)絕緣性能相關(guān)參數(shù)是R2'。因絕緣保護(hù)層受到損壞，外露導(dǎo)線可能與車架直接接觸，從而導(dǎo)致整車絕緣性能較差。值得注意的是，由于導(dǎo)線的接觸位置隨機(jī)性較強(qiáng)，若非較明顯的破損，很難進(jìn)行有效的改進(jìn)。因此，為避免導(dǎo)線受損影響絕緣性能，通常需要對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)處理。

3.2 側(cè)支架對(duì)絕緣性能的影響

許多車輛在側(cè)支架處安裝了霍爾傳感器，避免車輛在停靠狀態(tài)下不小心觸發(fā)了加速裝置，防止車輛意外啟動(dòng)。

線路5中體現(xiàn)絕緣性能的參數(shù)是R10。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)側(cè)支架打開時(shí)，車輛線路的正極或負(fù)極到車架之間的絕緣電阻值正常；當(dāng)側(cè)支架收起時(shí)，線路的正極或負(fù)極與車架處于通路狀態(tài)。這正好說明了影響二者之間絕緣性能的是霍爾傳感器，其原因是：霍爾傳感器通過磁場(chǎng)產(chǎn)生電信號(hào)。當(dāng)側(cè)支架打開時(shí)，位于車架上的固定磁鐵和側(cè)支架上的磁鐵靠近，磁場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)生電信號(hào)；當(dāng)側(cè)支架收起時(shí)，兩塊磁鐵分離，并最終使得磁場(chǎng)消失，斷開電信號(hào)。

R10代表了霍爾傳感器內(nèi)部線路與車架之間的絕緣電阻值，其影響方式類似于線路1的絕緣保護(hù)層。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，霍爾傳感器位于側(cè)支架的部分受到損壞，使得當(dāng)霍爾傳感器接通時(shí)，車輛線路的正極或負(fù)極與車架將處于通路狀態(tài)。

3.3 空氣開關(guān)對(duì)絕緣性能的影響

在“淋水涉水試驗(yàn)”中發(fā)現(xiàn)，空氣開關(guān)對(duì)該試驗(yàn)車輛的絕緣性能有影響。

雖然“電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”和“淋水涉水試驗(yàn)”均直接與車輛的絕緣性能相關(guān)，但二者的影響因素卻并不完全相同。前者的影響因素主要來自材料和結(jié)構(gòu)的絕緣特效，而后者的影響因素還包括組件的防水性能。

在“電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”階段，對(duì)影響該車絕緣性能的所有因素進(jìn)行了徹底地分析，并進(jìn)行了有效地改進(jìn)。最終試驗(yàn)顯示，該車線路的正極或負(fù)極與車架、電機(jī)、手把之間的絕緣電阻值可達(dá)100MΩ。但進(jìn)行“淋水涉水試驗(yàn)”后，該車的絕緣性能急劇下降，且不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛靜置一段時(shí)間后，其絕緣阻值有顯著提高，而再次淋水后絕緣阻值又大幅降低，說明了防水性能差是導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因。對(duì)“電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”中出現(xiàn)問題的線路進(jìn)行排查，未發(fā)現(xiàn)有異常，說明存在防水問題的線路位于電機(jī)控制器之前，進(jìn)而將矛頭指向空氣開關(guān)。該車的空氣開關(guān)由于結(jié)構(gòu)原因，在淋水之后與車架之間形成了通路，使得絕緣性能無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，通過更換空氣開關(guān)或?qū)⒖諝忾_關(guān)進(jìn)行防水改造后可解決該問題。

4 總結(jié)

通過建立電動(dòng)自行車部件及電氣系統(tǒng)連接模型的方式，分析了電動(dòng)自行車的絕緣性能。通過建立該模型，簡(jiǎn)化了分析過程，并提高了分析效率及準(zhǔn)確性。

利用該模型分析得出影響該車絕緣性能的因素為電氣線路的絕緣保護(hù)層、側(cè)支架傳感器和空氣開關(guān)，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)措施，有效地提高了該車的絕緣性能。

[1] GB 17761-2018, 電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2018.

[2] 郭艷萍.電氣強(qiáng)度試驗(yàn)影響因素與設(shè)備的確認(rèn)方法研究[J].微電機(jī), 2013,46(9).

Analysis and Optimization of insulation performance of An Electric Bicycle

Wang Zhiwen, He Dajun, Gong Guobin, Zhu Bing

( Chongqing Vehicle Test & Research Institute Co., Ltd, China National Motorcycle quality Supervision & Testing Center(Chongqing), Chongqing 401122 )

This paper establish a connection model between mechanical system and electrical system of an electrical bicycle, and provide an analytical approaches in analyzing the insulation performance of an electrical bicycle when using this model. Then, main factors affecting insulation performance of the test vehicle are found, and effective optimizations are adopt as well.

electric bicycle; insulation performance; analysis; optimization

U484

A

1671-7988(2019)13-173-03

U484

A

1671-7988(2019)13-173-03

王治文，就職于重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司國(guó)家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（重慶）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.057