姜俊昭，雷斌，高峰，郭瑞玲

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津市 300300)

0 引言

隨著電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)的不斷提升以及市場保有量的不斷增加，人們對電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)安全問題愈發(fā)重視。相對于傳統(tǒng)汽車，純電動(dòng)汽車具有大容量高壓動(dòng)力電池、高壓電機(jī)系統(tǒng)、DC/DC及其他高壓附件設(shè)備。其整體電氣化程度高，工作電壓一般為200～500 V(直流)，遠(yuǎn)高于人體能承受的36 V安全電壓。另外，電路系統(tǒng)工作時(shí)的瞬時(shí)峰值電流能達(dá)到數(shù)百安，當(dāng)高壓線路發(fā)生絕緣失效、電流溢出甚至短路等情況時(shí)，電動(dòng)汽車會(huì)發(fā)生功能故障，嚴(yán)重危害駕乘人員的生命安全[1]。因此，電動(dòng)汽車高壓安全性是評價(jià)電動(dòng)汽車品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

ECE R100、ISO6469、GB/T 18384、EVS GTR等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對電動(dòng)汽車高壓安全性做了相應(yīng)要求及測試方法指導(dǎo)。本文作者依據(jù)國標(biāo)GB/T 18384-2015《電動(dòng)汽車安全要求》，通過開展電動(dòng)汽車安全要求比對試驗(yàn)，統(tǒng)一了對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的理解，規(guī)范了高壓電安全相關(guān)條目的測試方法。進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)測試規(guī)律，探討影響測試結(jié)果的敏感因素。其中重點(diǎn)推導(dǎo)了絕緣電阻計(jì)算公式的成立條件，針對端電極對電底盤電壓衰減的問題提出了一種改良的絕緣電阻測量方法，最后通過不同并接電阻條件下的一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 測試項(xiàng)目

現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 18384-2015《電動(dòng)汽車安全要求》總體分為三部分內(nèi)容：第1部分《車載可充電儲能系統(tǒng)(REESS)》從電源的角度規(guī)定了標(biāo)記與標(biāo)識、REESS的絕緣電阻、電氣間隙和爬電距離、有害氣體和其他有害物質(zhì)排放、REESS產(chǎn)生的熱量、REESS過電流斷開的要求[2]；第2部分《操作安全和故障防護(hù)》從車輛功能防護(hù)的角度，規(guī)定了操作安全(驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源接通和斷開程序、車輛和外部電源的物理連接、行駛、反向行駛、駐車、電磁兼容)、失效防護(hù)、用戶手冊、標(biāo)識和緊急響應(yīng)的要求[3]；第3部分《人員觸電防護(hù)》從人員防護(hù)的角度規(guī)定了正常情況、單點(diǎn)失效情況及暴雨涉水等特殊情況下的安全防護(hù)。主要包含：高壓警告標(biāo)記、B級電壓電線的標(biāo)記、基本防護(hù)方法、單點(diǎn)失效防護(hù)、觸電防護(hù)替代方法、絕緣要求、遮攔/外殼的要求、絕緣電阻要求、絕緣協(xié)調(diào)要求、電位均衡要求、車輛充電插座的要求、防水以及用戶手冊的要求[4]。

針對上述測試項(xiàng)目，以上汽某純電動(dòng)轎車為測試對象，重點(diǎn)就電位均衡、整個(gè)B級電壓電路絕緣電阻、車輛充電插座絕緣電阻的要求進(jìn)行了一系列比對試驗(yàn)。文中將參與比對試驗(yàn)的6個(gè)測試機(jī)構(gòu)定義為A、B、C、D、E、F，然后通過統(tǒng)計(jì)各機(jī)構(gòu)的測試數(shù)據(jù)，計(jì)算測量值的相對偏差來進(jìn)行結(jié)果滿意度評價(jià)。

1.1 電位均衡

1.1.1 一般要求

電位均衡即為等電勢的要求，是指屬于高壓部件外露的導(dǎo)電部件(如外殼或者遮攔)互相導(dǎo)通地連在一起，并統(tǒng)一連接到車輛電平臺上。所有組成電位均衡電流通路的組件(導(dǎo)體及連接部分)應(yīng)能承受單點(diǎn)失效情況下的最大電流[5]。電位均衡通路中任意兩個(gè)可以被人同時(shí)觸碰到的外露可導(dǎo)電部分之間的電阻應(yīng)不超過0.1 Ω。

1.1.2 測試方法

電位均衡阻值的測試需要在任何兩個(gè)外露導(dǎo)電部分施加一個(gè)測試直流電，其電流值不小于1 A，電壓小于60 V，且測試持續(xù)時(shí)間不小于5 s。被測路徑應(yīng)隔離在其他電位路徑外，這些導(dǎo)電部分應(yīng)分別包括B級電壓組件的外殼以及分別連接到車輛電平臺或遮攔/外殼的連接件等。試驗(yàn)中測試所用設(shè)備為微電阻測試儀，兩個(gè)探針分別連接外露可導(dǎo)電部件的外殼遮攔與電平臺，并滿足人體能夠同時(shí)觸碰的測點(diǎn)距離要求，測試過程如圖1所示。

圖1 電位均衡測試

1.1.3 測試結(jié)果分析

電位均衡的阻值通常非常小(小于0.1 Ω)，易受環(huán)境影響，因此很小的波動(dòng)就容易導(dǎo)致較大偏差。為綜合分析不同機(jī)構(gòu)的測試結(jié)果，采用相對偏差作為評價(jià)依據(jù)，如公式(1)所示

式中：X為各機(jī)構(gòu)測試數(shù)據(jù)的平均值；d為測試結(jié)果的絕對偏差，d=xi-X；xi為第i組試驗(yàn)結(jié)果。

分別計(jì)算各機(jī)構(gòu)的偏差Rd值，當(dāng)Rd≤5%，則評定測試結(jié)果為滿意，否則為不滿意。在環(huán)境艙內(nèi)外分別進(jìn)行電位均衡測試，分析測試結(jié)果的一致性與差異性，測試值如表1所示。

表1 電位均衡連續(xù)性試驗(yàn)

通過觀察各試驗(yàn)組在兩種測試環(huán)境下的電位均衡值，可以看到測得的阻值均為mΩ級，遠(yuǎn)小于國標(biāo)要求的值。另外對比看出，環(huán)境艙內(nèi)測得的阻值基本較常規(guī)測量值小。進(jìn)一步觀察各組測試結(jié)果的相對偏差，發(fā)現(xiàn)有4組環(huán)境艙外的測試偏差大于5%，結(jié)果不滿意。而環(huán)境艙內(nèi)的測試偏差均小于5%，結(jié)果滿意。通過對比可以看出，環(huán)境艙內(nèi)的測試結(jié)果波動(dòng)性遠(yuǎn)小于環(huán)境艙外。

綜上，從滿足國標(biāo)的角度看，環(huán)境艙內(nèi)外的差別不會(huì)引起電位均衡測試發(fā)生質(zhì)的改變，但是保持相同的測試環(huán)境更有利于檢測結(jié)果的一致性。

1.2 整個(gè)B級電壓電路絕緣電阻

1.2.1 一般要求

B級電壓電路絕緣電阻的測量是整個(gè)GB/T 18384-2005《電動(dòng)汽車安全要求》標(biāo)準(zhǔn)中的重要測試項(xiàng)目。首先根據(jù)最大工作電壓U，將電氣元件或電路分為以下等級，如表2所示。

表2 電壓等級

對于A級電壓等級的電路，不需要進(jìn)行觸電防護(hù)。對于B級電壓電路中的帶電部件，需要有防護(hù)措施，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)至少大于100 Ω/V，交流電路應(yīng)至少大于500 Ω/V。為滿足以上要求，依據(jù)電路的結(jié)構(gòu)和組件的數(shù)量，整個(gè)電路中每個(gè)組件應(yīng)有更高的絕緣電阻。另外高壓電路兩端到汽車電底盤之間的絕緣電阻一般不同(Ri1和Ri2)，如圖2所示?？紤]高壓安全性，取較低的絕緣電阻值作為整個(gè)電路的絕緣電阻。

圖2 絕緣電阻

1.2.2 測試方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，測試時(shí)車輛部件需要達(dá)到露點(diǎn)狀態(tài)，REESS絕緣電阻監(jiān)控系統(tǒng)必須處于關(guān)閉狀態(tài)。并將電力系統(tǒng)負(fù)載連接到B級電壓電源，整個(gè)高壓回路連接在一起，通過外接電阻切換法[6]，間接測量回路與汽車電底盤之間的絕緣電阻Ri。具體步驟如下：

(1)確認(rèn)測試點(diǎn)。明確整個(gè)B級電壓電路絕緣電阻試驗(yàn)的測量點(diǎn)，將正負(fù)極母線引出，便于一定濕度下的測試。另外統(tǒng)一測量點(diǎn)也有利于比對試驗(yàn)的一致性分析。

(3)使車輛上電，保證車輛上所有電力、電子開關(guān)處于激活狀態(tài)。

(4)測量高壓回路的兩個(gè)端子和車輛電平臺之間的電壓。較高的一個(gè)定義為U1，較低的一個(gè)定義為U′1，相應(yīng)的兩個(gè)絕緣電阻定義為Ri1和Ri2=Ri，如圖3所示。

圖3 絕緣電阻測試

(5)添加一個(gè)已知電阻R0與Ri1并聯(lián)，即加在較高電壓一側(cè)與電平臺之間。再次測量兩端電壓，分別為U2和U′2，如圖4所示。

(6)計(jì)算絕緣電阻Ri。根據(jù)上述測量電壓值，可以間接計(jì)算Ri，推導(dǎo)過程如下：

根據(jù)基爾霍夫定律，圖3所示電路滿足如下關(guān)系：

圖4 絕緣電阻測試(并R0)

從而：

圖4所示電路滿足如下關(guān)系：

將式(3)代入式(4)中，可得：

從而：

另外，設(shè)U1+U′1=U2+U′2，替代式(6)中的U′2，可求得：

進(jìn)一步整理：

由推導(dǎo)過程可知，公式(6)與公式(8)等價(jià)的前提條件是U1+U′1=U2+U′2。這一點(diǎn)在測試過程中需重點(diǎn)關(guān)注，國標(biāo)中只提到將測試的電壓值及已知并聯(lián)電阻代入公式(6)或(8)均可計(jì)算得絕緣電阻值。但實(shí)際測試過程中，經(jīng)常發(fā)生電壓下降的現(xiàn)象，即某極對電底盤電壓呈持續(xù)衰減狀態(tài)，導(dǎo)致分電壓之和遠(yuǎn)小于總電壓，且U1+U′1≠U2+U′2，此時(shí)代入不同公式計(jì)算出的結(jié)果是有差異的。對這樣的現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)中并未給出說明或解決方案。

由于電動(dòng)汽車自身電路特征、測試萬用表的內(nèi)阻分壓、電容放電等原因，會(huì)導(dǎo)致某電極對電底盤電壓持續(xù)或快速衰減，甚至能衰減至很小。結(jié)合國標(biāo)GB/T 18384-2015中外接并聯(lián)電阻的間接測量思路，文中提出一種改良的絕緣電阻測量方法，即通過搭建平衡橋來解決兩端電極對電底盤電壓下降的問題，具體步驟為

(1)在電路對電底盤間(正極對電底盤及負(fù)極對電底盤)分別并聯(lián)1個(gè)阻值相等的千歐級電阻R，比如100 kΩ。

(2)按照第1.2.2節(jié)中所述國標(biāo)GB/T 18384-2015中對B級電壓電路絕緣電阻的測試要求及方法進(jìn)行完整電路的絕緣阻值測試，并將測量電壓值代入公式(6)或公式(8)，計(jì)算得到當(dāng)量阻值R′。

(3)考慮平衡橋并聯(lián)電阻R的影響，通過公式(9)可計(jì)算得所需的整車B級電壓電路絕緣電阻Ri。

對多款試驗(yàn)樣車進(jìn)行不同并接電阻條件下的一系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方法的有效性，其中并接電阻型式及試驗(yàn)過程如圖5所示。

對絕緣電阻的測量計(jì)算值以及電壓穩(wěn)定程度等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3所示。R表示搭建平衡橋時(shí)的并接電阻值，Ub是總電壓，可以看到不并聯(lián)電阻時(shí)(第一行數(shù)據(jù))，兩端電壓很不穩(wěn)定，測量值快速下降；并聯(lián)電阻值為50～200 kΩ時(shí)電壓穩(wěn)定，測試效果好；但隨著阻值進(jìn)一步增加，兩端電壓和的差值逐漸增大；一旦阻值達(dá)到兆歐級，兩端電壓開始上下跳動(dòng)，很難準(zhǔn)確測量。因此，并聯(lián)電阻值的選擇是關(guān)鍵因素：阻值選擇得當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)測量電壓穩(wěn)定；并聯(lián)電阻阻值過大，尤其是大到與電壓表內(nèi)阻值相當(dāng)或超出時(shí)，會(huì)影響測量準(zhǔn)確度；電阻阻值太小則會(huì)引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 絕緣電阻測試

表3 不同橋接電阻下的對地絕緣電阻測試結(jié)果

綜上，將測得的電壓值及已知電阻代入公式(6)與公式(9)或公式(8)與公式(9)，便可得到待測絕緣電阻Ri。

1.2.3 測試結(jié)果分析

按照第1.2.2節(jié)中所述的測試方法，分別在環(huán)境艙內(nèi)以及艙外常溫下對整個(gè)B級電壓電路的絕緣電阻進(jìn)行測量，統(tǒng)計(jì)測試數(shù)據(jù)與偏差計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 整個(gè)B級電壓電路絕緣電阻的測量

根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果對各機(jī)構(gòu)在兩種情況下的絕緣電阻測試值進(jìn)行規(guī)律分析，可以發(fā)現(xiàn)絕緣阻值均達(dá)到了國標(biāo)的要求，且遠(yuǎn)大于國標(biāo)要求的最低值(測量值接近國標(biāo)要求值的30倍)。另外看到環(huán)境艙內(nèi)露點(diǎn)條件下測得的絕緣阻值較常規(guī)測量值小。對環(huán)境艙內(nèi)外的測量值進(jìn)行相對差值計(jì)算，結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹讲煌h(huán)境下的測試值變化率不大，即環(huán)境艙內(nèi)測試值較艙外值雖有所減小，但減小幅度不大，均低于2%。從這一規(guī)律來看，可以考慮取消進(jìn)環(huán)境艙測試絕緣電阻的強(qiáng)制要求。進(jìn)一步觀察各組測試值的相對偏差，可以看到偏差值均小于5%，結(jié)果滿意。

圖6 不同測試環(huán)境下的變化率

1.3 車輛充電插座的絕緣電阻

1.3.1 一般要求

電動(dòng)汽車充電插座包含傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)(慢充)與非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)(快充)兩類。傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻值要求至少1 MΩ；非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻需滿足第1.2.1節(jié)中的阻值要求，并且應(yīng)有端子將車輛電平臺和外接電源的保護(hù)接地(PE)相連接。

1.3.2 測試方法

與整車B級電壓電路絕緣電阻測試方法不同，充電口電阻測試時(shí)要求車輛斷電，屬于無源測試[7]。因此直接用絕緣電阻測試儀測量電阻即可，具體如下：

(1)將車輛斷電，保證車輛上所有電力、電子開關(guān)處于非激活狀態(tài)；

(2)將絕緣電阻測試設(shè)備的兩個(gè)探針分別連接充電口高壓端子及電平臺，其中，測試設(shè)備的檢測電壓要求大于整車最大工作電壓，然后取設(shè)備穩(wěn)定時(shí)的讀數(shù)。試驗(yàn)測試過程如圖7所示。

圖7 充電插座絕緣電阻測試

1.3.3 測試結(jié)果分析

表5為車輛充電插座(傳導(dǎo)、非傳導(dǎo))絕緣電阻的測量值與相對偏差計(jì)算值?？梢钥吹絺鲗?dǎo)連接下的絕緣電阻均大于550 MΩ，符合國標(biāo)要求，且比對結(jié)果滿意。

表5 車輛充電插座絕緣電阻的測量

另外觀察非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的充電插座的絕緣電阻測量值，可以看到第一組的阻值明顯小于其他5組數(shù)據(jù)，其相對偏差也很大，達(dá)到31.65%，該測試項(xiàng)比對結(jié)果不滿意。

通過進(jìn)一步對各機(jī)構(gòu)檢測過程綜合分析，探究產(chǎn)生上述不滿意結(jié)果的原因。發(fā)現(xiàn)在測量充電插座絕緣電阻時(shí)，正向測量和反向測量差別巨大。即在使用測量表筆對非傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的充電插座測量時(shí)，正表筆對高壓線路、負(fù)表筆對電底盤的測量結(jié)果與正表筆對電底盤、負(fù)表筆對高壓線路會(huì)產(chǎn)生不一樣的阻值結(jié)果。由于A機(jī)構(gòu)取負(fù)表筆對高壓線路、正表筆對電底盤下的測量值，與其他機(jī)構(gòu)的測試方向相反，因此測試結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

基于此，建議該項(xiàng)目檢測方法應(yīng)該是正向反向均測試，然后取其中較小的值作為最終結(jié)果。

2 結(jié)論

本文作者依據(jù)國標(biāo)GB/T 18384 -2015《電動(dòng)汽車安全要求》，開展了電動(dòng)汽車安全要求比對試驗(yàn)，規(guī)范了高壓電安全相關(guān)條目的測試方法。通過對測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：

(1)電位均衡測試項(xiàng)目中，環(huán)境艙內(nèi)外的條件差別不會(huì)引起測試結(jié)果發(fā)生質(zhì)的改變，但是保持測試環(huán)境更有利于檢測結(jié)果的一致性。

(2)選配適當(dāng)阻值的電阻，通過搭建平衡橋可以解決整車B級電壓電路兩端電極對電底盤電壓下降的問題。環(huán)境艙內(nèi)露點(diǎn)條件下測得的整個(gè)B級電壓電路絕緣阻值較常規(guī)測量值小，但減小的幅度不大，低于2%。

(3)測量充電插座絕緣電阻時(shí)，正向測量和反向測量差別很大。建議該項(xiàng)目檢測時(shí)正向、反向均測試，然后取其中較小的值作為最終結(jié)果。