探究電動(dòng)汽車絕緣監(jiān)測(cè)的原理與必要性

　　一、前言

　　當(dāng)前，能源危機(jī)和環(huán)境污染與日俱增，發(fā)展高效、節(jié)能、零排放的清潔型純電動(dòng)汽車已成為國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。相比傳統(tǒng)燃油車，電動(dòng)汽車內(nèi)含有高壓部件，包括電機(jī)控制器、動(dòng)力電池、電動(dòng)壓縮機(jī)和 DC/DC 等。這些高壓部件都會(huì)涉及到絕緣問(wèn)題，且電動(dòng)汽車工作環(huán)境復(fù)雜，振動(dòng)、溫度、濕度以及部件老化等都會(huì)使整車絕緣性能下降。動(dòng)力電池正負(fù)極通過(guò)絕緣層與底盤(pán)構(gòu)成電流回路，當(dāng)整車絕緣下降時(shí)，整車漏電電流就會(huì)增大，漏電電流達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)危及乘客安全以及整車電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)車輛高壓系統(tǒng)對(duì)車輛的電氣絕緣性能，確保車輛在絕緣狀態(tài)下運(yùn)行，對(duì)保證乘客人身安全、電氣設(shè)備正常工作以及車輛安全運(yùn)行具有重要意義。

　　二、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)

　　有關(guān)國(guó)內(nèi)、國(guó)外的電動(dòng)汽車電氣安全防范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)有很多，匯總?cè)绫?1所示，這些法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于安全要求大致相近，主要以高壓動(dòng)力電池防護(hù)為核心，衍生出相關(guān)防護(hù)條款，各標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)都有詳細(xì)的電動(dòng)汽車絕緣阻抗的測(cè)量方法介紹以及相關(guān)規(guī)范說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于絕緣性能評(píng)估都有一個(gè)評(píng)判關(guān)鍵指標(biāo)-絕緣強(qiáng)度（Ω/V），國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)大都采用≥500Ω/V，國(guó)內(nèi)其采用≥100Ω/V。其中，GB/T 18384.3-2015 電動(dòng)汽車安全要求 第 3 部分：人員觸電防護(hù)中 6.7 規(guī)定在最大工作電壓下，直流電路絕緣強(qiáng)度≥100Ω/V；SAE J1766 中 4.4.3 規(guī)定在系統(tǒng)標(biāo)稱電壓下，直流電路絕緣強(qiáng)度≥500Ω/V。

　　表 1 標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)

　　標(biāo)準(zhǔn)名稱標(biāo)準(zhǔn)號(hào)

　　EN1987-1、1987-2、1987-3

　　FMVSS/CMVSSNo.305

　　GB18384.1、18384.2、18384.3

　　ISO6469-1、6469-2、6469-3、23273-3

　　SAEJ1766/2344

　　JISD5305-1、D5305-2、D5305-3

　　有關(guān)電動(dòng)汽車零部件電氣安全防范國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括 GB/T 18488.1-2015、 GB/T 24347-2009 以及 GB/T 31467.3 等。其中 GB/T 18488.1-2015 中 5.2.7.3 規(guī)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的冷態(tài)與熱態(tài)絕緣阻抗均不小于 1MΩ（以 540V 電壓平臺(tái)為例，對(duì)應(yīng)絕緣強(qiáng)度接近 2000Ω/V）。GB/T 24347-2009 中 5.6 規(guī)定 DC/DC 絕緣強(qiáng)度≥500Ω/V。GB/T 31467.3 中 5.1.5 規(guī)定動(dòng)力電池包絕緣強(qiáng)度≥100Ω/V。從上述國(guó)標(biāo)分析可得，各個(gè)零部件對(duì)絕緣強(qiáng)度的要求相差較大，有的甚至接近整車的絕緣強(qiáng)度要求。實(shí)際上，整車高壓系統(tǒng)包含多個(gè)部件，主要包括電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、動(dòng)力電池、PDU、電動(dòng)壓縮機(jī)、DC/DC、制動(dòng)以及轉(zhuǎn)向控制器等。如果各個(gè)零部件廠商按照國(guó)標(biāo)對(duì)絕緣強(qiáng)度要求規(guī)定 100Ω/V，那么整車各零部件總的絕緣阻抗遠(yuǎn)就會(huì)低于 100Ω/V，整車絕緣阻抗不滿足國(guó)標(biāo)絕緣要求。

　　結(jié)合國(guó)內(nèi)零部件指標(biāo)現(xiàn)狀，在對(duì)整車絕緣強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)定時(shí)，整車絕緣強(qiáng)度應(yīng)高于國(guó)標(biāo)之要求，各零部件的絕緣強(qiáng)度應(yīng)高于整車一個(gè)等級(jí)。這樣，整車總的絕緣強(qiáng)度才不至于超標(biāo)，才能確保車輛的安全。這也是國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)為何將整車絕緣強(qiáng)度指標(biāo)定為≥500Ω/V，遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)指標(biāo)的緣由。

　　三、絕緣監(jiān)測(cè)原理

　　絕緣監(jiān)測(cè)工作原理主要包括電流傳感法、對(duì)稱電壓測(cè)量法、橋式電阻法、低頻信號(hào)注入法等。其中低頻信號(hào)注入法應(yīng)用最為廣泛，系統(tǒng)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖 1。在其內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)對(duì)稱的方波信號(hào)，通過(guò)絕緣阻抗監(jiān)測(cè)儀連接端子與直流高壓系統(tǒng)和底盤(pán)之間的絕緣電阻 RF 構(gòu)成測(cè)量回路，通過(guò)對(duì)采樣電阻上分壓的采集，計(jì)算得出 RF 大小。

　　圖 1 低頻信號(hào)注入法系統(tǒng)拓?fù)?/p>

　　實(shí)際車輛正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)出的絕緣阻抗包含直流以及交流成分。交流成分與整車系統(tǒng)的分布電容、雜散電感有關(guān)。不同零部件構(gòu)成的系統(tǒng)等效的阻抗特性會(huì)不同，也會(huì)隨著測(cè)試工況、測(cè)試環(huán)境而有所差異。電動(dòng)車系統(tǒng)中，電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的電頻率不同，因此系統(tǒng)容抗、感抗會(huì)隨著測(cè)試轉(zhuǎn)速不同而變化。電機(jī)繞阻對(duì)電機(jī)殼體的分布電容也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速以及環(huán)境溫度的變化等而發(fā)生變化。因此，系統(tǒng)本身的阻抗特性是會(huì)隨著系統(tǒng)的運(yùn)行而時(shí)刻發(fā)生改變，所測(cè)出的絕緣阻抗值成動(dòng)態(tài)特性。

　　四、絕緣強(qiáng)度區(qū)域

　　一般將絕緣強(qiáng)度區(qū)域分為五個(gè)，包括高安全區(qū)域、安全區(qū)域、一般漏電告警區(qū)域、嚴(yán)重漏電告警區(qū)域以及高危害區(qū)域；絕緣強(qiáng)度監(jiān)測(cè)區(qū)域包括安全區(qū)域、一般漏電告警區(qū)域、嚴(yán)重漏電告警區(qū)域三個(gè)區(qū)域。見(jiàn)圖 2 所示。

　　圖 2 阻抗監(jiān)測(cè)區(qū)域定義

　　各區(qū)域定義如下：

　　高危區(qū)域：車輛絕緣嚴(yán)重受損、危及人身安全。

　　嚴(yán)重告警區(qū)：紅色區(qū)域，存在絕緣問(wèn)題；

　　一般告警區(qū)：黃色區(qū)域，此區(qū)域存在輕微漏電現(xiàn)象；

　　安全區(qū)域：綠色區(qū)域，不存在絕緣問(wèn)題。

　　高安全區(qū)域：絕緣極好。

　　其中嚴(yán)重漏電閥值區(qū)與一般漏電閥值區(qū)為臨界區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)可以通過(guò)軟件算法設(shè)計(jì)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及整車的指標(biāo)進(jìn)行報(bào)警設(shè)計(jì)。業(yè)內(nèi)不同廠家對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域中嚴(yán)重漏電閥值、一般漏電閥值的設(shè)定值不一樣。例如：某國(guó)內(nèi)知名電動(dòng)汽車制造商對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域中漏電閥值分別設(shè)定為 1MΩ、5MΩ；也有零部件廠商對(duì)其值分別設(shè)定為 200 kΩ、500 kΩ。

　　根據(jù)上述文中提到絕緣阻抗包含直流以及交流成分，現(xiàn)從這兩方面以 540V（一般電壓范圍為 420V-630V）系統(tǒng)電壓為例，對(duì) 1MΩ、5MΩ漏電閥值進(jìn)行評(píng)估分析。

　?。?） 直流成分

　　對(duì)應(yīng)的直流漏電流分別約為 0.5mA、0.1mA。其指標(biāo)遠(yuǎn)高于 IEC/TR2 60497-1中提到人體沒(méi)有任何感覺(jué)的閥值直流電流為 10mA 的指標(biāo)之要求。

　?。?） 交流成分

　　GB/T 18488.1-2015 中 5.2.8 規(guī)定系統(tǒng)最大電壓 Umax＞500V，系統(tǒng)耐電壓至少需滿足（2Umax+1000）V（AC）。對(duì)應(yīng)的交流流漏電流分別為（2*630V+1000V）/1MΩ、（2*630V+1000V）/5MΩ即為 2.5mA、0.5mA。其指標(biāo)也高于 IEC/TR2 60497-1中提到人體沒(méi)有任何感覺(jué)的閥值交流電流為 2mA 的安全指標(biāo)之要求。

　　實(shí)際對(duì)整車絕緣阻抗漏電閥值評(píng)估時(shí)，應(yīng)綜合考慮交、直流成分，保證整車電氣絕緣性能，滿足電動(dòng)汽車安全需求，如果絕緣阻抗漏電閥值設(shè)置過(guò)低會(huì)降低車輛安全監(jiān)測(cè)預(yù)警裕度，故應(yīng)對(duì)漏電進(jìn)行提前報(bào)警（增大漏電閥值）更為合理。

　　五、絕緣監(jiān)測(cè)精度

　　一般絕緣阻抗監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)范圍為 0-30 MΩ，監(jiān)測(cè)范圍較寬。在這么寬的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)要保證絕緣阻抗監(jiān)測(cè)儀全量程范圍的精度很難。絕緣阻抗監(jiān)測(cè)儀為監(jiān)測(cè)設(shè)備，而不是精準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x器，只需保證監(jiān)測(cè)區(qū)的絕緣強(qiáng)度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、滿足測(cè)量精度之指標(biāo)要求即可。

　　實(shí)際在進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮寬范圍量程，又要考慮如何在寬范圍量程條件下保證產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)精度。因此需要在這兩方面取舍。對(duì)于圖 2 中高危害區(qū)和高安全區(qū)，對(duì)于這兩個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)精度要求可以放低。重點(diǎn)應(yīng)該對(duì)圖 2中嚴(yán)重漏電閥值區(qū)與一般漏電閥值區(qū)之間的區(qū)域的監(jiān)測(cè)精度嚴(yán)格把控。

　　六、結(jié)論

　　本文以國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)電動(dòng)汽車絕緣阻抗標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)為依據(jù)，從監(jiān)測(cè)原理、監(jiān)測(cè)區(qū)域以及監(jiān)測(cè)精度角度探討和分析了電動(dòng)汽車絕緣阻抗監(jiān)測(cè)問(wèn)題，得出以下結(jié)論，這對(duì)于整車廠或零部件廠商進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)提供參考。

　?。?） 整車絕緣強(qiáng)度應(yīng)該高于國(guó)標(biāo) 100Ω/V 要求，建議不低于 500Ω/V 為佳；

　　（2） 為了保證整車電氣絕緣性能，對(duì)漏電應(yīng)該提前進(jìn)行報(bào)警更為合理；

　?。?） 重點(diǎn)保證漏電閥值附件區(qū)域監(jiān)測(cè)精度，其它區(qū)域能夠準(zhǔn)確識(shí)別即可。