【摘要】針對(duì)電動(dòng)汽車絕緣電阻計(jì)算結(jié)果誤差較大的問題，對(duì)電動(dòng)汽車整車、子系統(tǒng)、部件的絕緣電阻定義與測(cè)試方法進(jìn)行研究，分析得到目前通用的系統(tǒng)絕緣電阻計(jì)算方法誤差較大的原因，并提出了新的正負(fù)極獨(dú)立計(jì)算的絕緣電阻計(jì)算方法，該方法與測(cè)試原理相對(duì)應(yīng)，在通用計(jì)算方法基礎(chǔ)上進(jìn)行正、負(fù)極絕緣電阻的單獨(dú)計(jì)算，適用于電動(dòng)汽車中有電源系統(tǒng)、無電源系統(tǒng)的計(jì)算及有電源系統(tǒng)與無電源系統(tǒng)的混合計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法誤差遠(yuǎn)低于通用計(jì)算方法。
主題詞：絕緣電阻，高壓系統(tǒng)，電動(dòng)汽車
1 前言
電動(dòng)汽車的能源系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車完全不同，能源和動(dòng)力系統(tǒng)高電壓的特點(diǎn)使電動(dòng)汽車的高壓絕緣性能成為需要研究的關(guān)鍵問題[1]。電動(dòng)汽車的絕緣電阻直接反映高壓系統(tǒng)與電平臺(tái)之間的絕緣性能，直接影響駕乘人員的觸電安全。作為高壓安全設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)，絕緣電阻在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中均有嚴(yán)格的要求，并需要在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)始終滿足。
整車生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)流程中會(huì)多次進(jìn)行絕緣電阻的計(jì)算校核與測(cè)試驗(yàn)證。在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，需要通過計(jì)算各部件的絕緣電阻核算整車的絕緣電阻，以保證產(chǎn)品在滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求的前提下留有一定的安全冗余，冗余量一般是法規(guī)要求值的5～10 倍或更高[2]。在進(jìn)行整車絕緣電阻測(cè)試時(shí)，有時(shí)由于在上電情況下無法一次測(cè)試出包含所有高壓總成的系統(tǒng)絕緣電阻，也需要根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果和總成測(cè)量值計(jì)算系統(tǒng)絕緣電阻[3]。在這種情況下，絕緣電阻的計(jì)算成為影響測(cè)試結(jié)果的一個(gè)重要因素。
目前通用的絕緣電阻計(jì)算方法存在計(jì)算誤差較大、不適合有電源與無電源系統(tǒng)混合計(jì)算的問題，為此，本文提出一種正負(fù)極獨(dú)立計(jì)算的高壓絕緣電阻計(jì)算方法，并進(jìn)行驗(yàn)證。
2 電動(dòng)汽車絕緣電阻概述
2.1 電動(dòng)汽車絕緣電阻的分類
電動(dòng)汽車的絕緣電阻可以分為3個(gè)層級(jí)：高壓總成的絕緣電阻；由若干高壓部件組成的高壓子系統(tǒng)的絕緣電阻，可分為有電源系統(tǒng)和無電源系統(tǒng)絕緣電阻；整車高壓系統(tǒng)絕緣電阻，由幾個(gè)互相隔離的子系統(tǒng)組成[4]。
其中，總成絕緣電阻是保證整車絕緣電阻滿足安全要求的基礎(chǔ)。高壓子系統(tǒng)的絕緣電阻主要用于確定整車絕緣電阻值，因?yàn)橐话阏嚫邏合到y(tǒng)中各子系統(tǒng)不在同一回路內(nèi)，其絕緣電阻并不會(huì)彼此影響，最低的絕緣電阻決定了整個(gè)系統(tǒng)的安全性，因此整車的絕緣電阻為幾個(gè)子系統(tǒng)中絕緣電阻最小的子系統(tǒng)的絕緣電阻。
2.2 電動(dòng)汽車絕緣電阻要求
目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中對(duì)絕緣電阻的要求基本一致，對(duì)每個(gè)獨(dú)立的高壓回路進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)別的絕緣電阻要求?；谌梭w直流安全電流10 mA、交流安全電流2 mA的限制，對(duì)于直流電路的絕緣電阻要求≥100 Ω/V，交流電路絕緣電阻要求≥500 Ω/V，直流和交流混合電路絕緣電阻要求≥500 Ω/V[3]。
2.3 電動(dòng)汽車絕緣電阻測(cè)試方法
依據(jù)絕緣電阻的分類，絕緣電阻的測(cè)試包括總成級(jí)測(cè)試、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試與整車級(jí)測(cè)試。
按照測(cè)試方法本身的分類，可以分為不含電源的總成/系統(tǒng)測(cè)試和動(dòng)力電池本身及包含電源的系統(tǒng)測(cè)試。對(duì)于不含電源的總成及系統(tǒng)，由于本身不具有電壓源，需要采用可以提供測(cè)試電壓的設(shè)備，如絕緣表或者絕緣耐壓測(cè)試儀；對(duì)于動(dòng)力電池或包含動(dòng)力電池的高壓系統(tǒng)，由于其本身具有電壓，如采用有電源測(cè)試設(shè)備，會(huì)造成測(cè)試電壓疊加而影響測(cè)試結(jié)果，因此需要采用可借助本身電壓進(jìn)行測(cè)試的方法，目前常用的方法是GB 18384—2020中規(guī)定的測(cè)試方法，常稱為“五步法”。
各種情況下的絕緣電阻測(cè)試方法如表1所示。
表1 電動(dòng)汽車絕緣電阻類別與測(cè)試方法
2.3.1 不含電源的總成/系統(tǒng)的測(cè)試
不含電源的總成/系統(tǒng)的測(cè)試通常在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，一般采用絕緣耐壓測(cè)試儀或絕緣表，試驗(yàn)電壓需要調(diào)至不低于被測(cè)總成所在高壓系統(tǒng)的最高工作電壓。測(cè)試時(shí)需將高壓總成所有高壓端子連接在一起作為一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，將所有低壓端子和總成的可導(dǎo)電外殼或電平臺(tái)連接在一起作為另一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，其中，HV+表示高壓正極，HV-表示高壓負(fù)極，Ri為總成的絕緣電阻。將絕緣耐壓測(cè)試儀的2 個(gè)測(cè)試表筆分別連接于2 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，施加不小于系統(tǒng)最高電壓的測(cè)試電壓，待測(cè)試值穩(wěn)定后讀取即可[3]。
圖1 高壓部件絕緣電阻測(cè)試連接示意
該方法將所有高壓回路并聯(lián)在一起是為了避免高壓部件中的一些開關(guān)在非上電狀態(tài)下處于斷開狀態(tài)，從而導(dǎo)致部件內(nèi)部分高壓回路無法測(cè)試到的情況。
2.3.2 動(dòng)力電池本身及包含電源系統(tǒng)的測(cè)試方法
五步法測(cè)試需要整車在上電狀態(tài)下進(jìn)行，將動(dòng)力電池作為測(cè)試電源，通過電壓檢測(cè)裝置測(cè)試被測(cè)系統(tǒng)高壓正極、負(fù)極對(duì)地串入電阻前、后的高壓正極、負(fù)極對(duì)地電壓并帶入公式計(jì)算出被測(cè)系統(tǒng)中絕緣電阻較小的一極的絕緣電阻，如圖2所示，其中Ri+為正極絕緣電阻，Ri-為負(fù)極絕緣電阻[3]。測(cè)試動(dòng)力電池本身與測(cè)試有電源系統(tǒng)的區(qū)別在于動(dòng)力電池是否連接了其他高壓負(fù)載，測(cè)試方法完全一致。
圖2 正極與負(fù)極絕緣電阻示意
五步法測(cè)試時(shí)將高壓正、負(fù)極中絕緣電阻較小的一極的絕緣情況作為動(dòng)力電池/有電源系統(tǒng)的絕緣情況。
2.3.3 整車絕緣電阻測(cè)試方法
電動(dòng)汽車中互相獨(dú)立的高壓子系統(tǒng)需要分別進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，測(cè)試方法可以依據(jù)其是否包含電源來確定，測(cè)試后所得的各子系統(tǒng)絕緣電阻中的最小值即為整車絕緣電阻。
3 絕緣電阻計(jì)算方法研究
3.1 通用絕緣電阻計(jì)算方法及其缺點(diǎn)
目前通用的高壓系統(tǒng)絕緣電阻計(jì)算方法是將高壓系統(tǒng)中包含的所有高壓部件的絕緣電阻進(jìn)行并聯(lián)，進(jìn)而得到系統(tǒng)的絕緣電阻：
式中，Rj(j=1,2,…,n)為編號(hào)為j的高壓部件的絕緣電阻；n為系統(tǒng)中高壓部件數(shù)量。
理論上此方法的原則與思路正確，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)于整車高壓系統(tǒng)主回路，絕緣電阻理論計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)低于實(shí)際測(cè)試結(jié)果。
3.2 正負(fù)極獨(dú)立計(jì)算的絕緣電阻計(jì)算方法
絕緣電阻的層級(jí)及絕緣電阻測(cè)試方法是通用計(jì)算方法在進(jìn)行高壓主回路絕緣電阻計(jì)算中結(jié)果誤差大的根本原因。
有電源系統(tǒng)與無電源系統(tǒng)測(cè)試方法的關(guān)鍵性區(qū)別如表2所示。通用計(jì)算方法在進(jìn)行高壓主回路系統(tǒng)的絕緣電阻測(cè)試時(shí)，將2種測(cè)試方法得到的絕緣電阻同時(shí)作為系統(tǒng)絕緣電阻計(jì)算的參數(shù)輸入，因此造成了系統(tǒng)絕緣電阻的誤差。而在進(jìn)行無電源系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)，通用的公式是完全適用的。簡(jiǎn)而言之，通用的計(jì)算方法不適用于不同測(cè)試方法得到的絕緣電阻結(jié)果的混合計(jì)算。
表2 電動(dòng)汽車絕緣電阻各類別測(cè)試結(jié)果所代表的含義
針對(duì)誤差產(chǎn)生的原因，本文提出一種正、負(fù)極獨(dú)立計(jì)算的絕緣電阻計(jì)算方法，著重考慮絕緣電阻針對(duì)有電源和無電源總成/系統(tǒng)的2種測(cè)試方法的異同點(diǎn)，對(duì)高壓系統(tǒng)的絕緣電阻兩極進(jìn)行分別計(jì)算，如圖3、圖4所示，其中高壓系統(tǒng)正、負(fù)極絕緣電阻計(jì)算公式分別為：
圖3 高壓系統(tǒng)正極絕緣電阻示意
圖4 高壓系統(tǒng)負(fù)極絕緣電阻示意
式中，Rj+、Rj-(j=1,2,…,n)分別為編號(hào)為j 的高壓部件的正、負(fù)極絕緣電阻。
選取Ri+與Ri-中較小的一個(gè)作為系統(tǒng)/子系統(tǒng)的絕緣電阻值。
需要注意的是，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要帶入的總成的絕緣電阻為正極與負(fù)極分別對(duì)地的絕緣電阻值，但也應(yīng)考慮總成內(nèi)部是否存在開關(guān)，進(jìn)行單極測(cè)試時(shí)是否會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。
3.3 正、負(fù)極獨(dú)立計(jì)算方法驗(yàn)證
由于通用計(jì)算方法主要在進(jìn)行高壓主回路計(jì)算時(shí)的誤差較大，以高壓系統(tǒng)主回路作為試驗(yàn)對(duì)象。首先測(cè)試包括動(dòng)力電池在內(nèi)的所有高壓總成絕緣電阻，及除動(dòng)力電池外的其他總成的正、負(fù)極的單極絕緣電阻；然后測(cè)試高壓系統(tǒng)主回路的絕緣電阻，用于計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的對(duì)比；最后對(duì)比通用的絕緣電阻計(jì)算方法和正、負(fù)極獨(dú)立計(jì)算方法與實(shí)際測(cè)量值的匹配情況。
選取某車型高壓主回路進(jìn)行2 種方法的對(duì)比驗(yàn)證。被測(cè)車輛高壓系統(tǒng)最高工作電壓403 V，主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，其高壓主回路包含動(dòng)力電池、充電機(jī)集成DC/DC、高壓配電盒、逆變器集成電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)及4根高壓電線束總成。
圖5 試驗(yàn)車高壓系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
3.3.1 總成絕緣電阻測(cè)試
針對(duì)主回路總成的特性差異，需采用不同的方法進(jìn)行測(cè)試。
動(dòng)力電池總成因自身帶有電源，其絕緣電阻的測(cè)試采用五步法，且為了進(jìn)行后續(xù)正、負(fù)極獨(dú)立計(jì)算方法的驗(yàn)證，對(duì)動(dòng)力電池總成的正極和負(fù)極的絕緣電阻均進(jìn)行了測(cè)試；測(cè)試前動(dòng)力電池需滿電；測(cè)試前通過軟件控制屏蔽了電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）內(nèi)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置。測(cè)試所用的電壓檢測(cè)裝置為同品牌同型號(hào)的萬用表，其內(nèi)阻均為10 MΩ。
進(jìn)行第1組數(shù)據(jù)測(cè)試，測(cè)試絕緣電阻較小側(cè)的絕緣電阻，具體步驟為：
a.用2個(gè)相同的電壓檢測(cè)裝置同時(shí)測(cè)量動(dòng)力電池的正、負(fù)極與電平臺(tái)間的電壓，較高的一個(gè)為U1，較低的一個(gè)為
；
b.將阻值為1 MΩ的電阻R0并聯(lián)在動(dòng)力電池的電壓較高的一極與外殼之間；
c.用2 個(gè)電壓檢測(cè)裝置同時(shí)測(cè)量動(dòng)力電池的正、負(fù)極與電平臺(tái)之間的電壓，并聯(lián)電阻側(cè)測(cè)量值為U2，另外一側(cè)測(cè)量值為
。
再進(jìn)行第2組數(shù)據(jù)測(cè)試，測(cè)試絕緣電阻較大側(cè)的絕緣電阻。步驟與第1 組相同，其中動(dòng)力電池的正、負(fù)極與電平臺(tái)之間的電壓較高的一個(gè)為
，較低的一個(gè)為U1。
并聯(lián)電阻側(cè)測(cè)量值為U2，另一側(cè)測(cè)量值為
。
2組測(cè)試結(jié)果如表3所示，GB 18384—2020中的絕緣電阻公式為：
表3 動(dòng)力電池測(cè)試結(jié)果
式中，r為萬用表的內(nèi)阻。
由式（4）計(jì)算可得電池的絕緣電阻R+≈13.64 MΩ，R-≈13.70 MΩ。
高壓電線束測(cè)試中，因?yàn)槠洳痪哂薪饘偻鈿ぃ瑹o法找到高壓測(cè)試點(diǎn)外的另一個(gè)有效的測(cè)試點(diǎn)，因此將高壓電線束的絕緣層部分浸入導(dǎo)電溶液。將導(dǎo)電溶液作為另一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖6所示[5]。使用絕緣測(cè)試設(shè)備測(cè)試彼此連接的端子與線束外表面間的絕緣電阻。
圖6 高壓線束絕緣電阻測(cè)試
其他各高壓部件的絕緣電阻采用絕緣耐壓測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)電壓采用系統(tǒng)最高工作電壓403 V。分別針對(duì)單獨(dú)正極、單獨(dú)負(fù)極、所有高壓端子并聯(lián)進(jìn)行了3組測(cè)試。試驗(yàn)前已確認(rèn)總成內(nèi)沒有未激活的開關(guān)，其單極絕緣電阻為有效值。
完成以上試驗(yàn)后，高壓直流回路內(nèi)所有總成的絕緣電阻情況如表4所示。
表4 系統(tǒng)中所有總成的絕緣電阻測(cè)試結(jié)果 GΩ
3.3.2 整車絕緣電阻測(cè)試
整車測(cè)試在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)過程中被測(cè)車輛處于靜置狀態(tài)。因采用動(dòng)力電池作為測(cè)試電壓源，為提高測(cè)試準(zhǔn)確性及與總成測(cè)試的一致性，在測(cè)試前已將動(dòng)力電池充滿。為防止整車原有絕緣檢測(cè)裝置的干擾，測(cè)試前通過CAN工具屏蔽車輛自身的絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
測(cè)試點(diǎn)選擇被測(cè)主回路末端的逆變器連接點(diǎn)，測(cè)試連接完成后將點(diǎn)火開關(guān)置于“ON”擋，使車輛處于高壓上電狀態(tài)，并保證車輛上所有高壓系統(tǒng)相關(guān)部件處于激活狀態(tài)，之后的測(cè)試方法與動(dòng)力電池絕緣電阻相同。同樣，為了與計(jì)算出的正、負(fù)極絕緣電阻進(jìn)行分別對(duì)比，也進(jìn)行了2組測(cè)試，分別為兩極中較小的絕緣電阻與較大的絕緣電阻，具體測(cè)試結(jié)果如表5所示。
表5 高壓主回路絕緣電阻測(cè)試結(jié)果
帶入式（4）可得Ri+≈2.48 MΩ，Ri-≈2.53 MΩ。選取正、負(fù)極中較小的2.48 MΩ作為高壓系統(tǒng)主回路的絕緣電阻。
3.3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算方法對(duì)比分析
總成絕緣電阻中有6 個(gè)部件的絕緣電阻數(shù)量級(jí)達(dá)到GΩ 級(jí)別，本次驗(yàn)證的目的主要為2 種計(jì)算方法的對(duì)比，對(duì)測(cè)試誤差不做過多要求，因GΩ 級(jí)別對(duì)計(jì)算影響過小，可認(rèn)為是無窮大，在計(jì)算中可忽略。
先采用通用的絕緣電阻計(jì)算方法進(jìn)行該直流高壓回路絕緣電阻的計(jì)算：
計(jì)算可得Ri≈1.35 MΩ。再采用正、負(fù)極獨(dú)立計(jì)算的絕緣電阻計(jì)算公式進(jìn)行高壓主回路的絕緣電阻計(jì)算：
計(jì)算可得Ri+≈2.46 MΩ，Ri-≈2.47 MΩ。則取2 個(gè)值中較小的2.46 MΩ為系統(tǒng)的絕緣電阻。
將2 種計(jì)算方法得出的絕緣電阻值與實(shí)測(cè)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其中通用計(jì)算方法的誤差為46%，正、負(fù)極獨(dú)立算方法的誤差為1%，顯然正、負(fù)極獨(dú)立計(jì)算方法的誤差遠(yuǎn)小于通用計(jì)算方法。
4 結(jié)束語
本文研究了電動(dòng)汽車絕緣電阻的計(jì)算機(jī)理，針對(duì)不同系統(tǒng)和層級(jí)的絕緣電阻測(cè)試方法進(jìn)行了梳理，并分析了通用計(jì)算方法與整車實(shí)測(cè)絕緣電阻差異的根本原因，提出了正、負(fù)極獨(dú)立計(jì)算的絕緣電阻計(jì)算方法，并通過臺(tái)架及實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確度，結(jié)果表明，該方法的計(jì)算精度遠(yuǎn)高于通用的絕緣電阻計(jì)算方法。該方法適用于有電源系統(tǒng)、無電源系統(tǒng)及有電源系統(tǒng)與無電源系統(tǒng)的混合計(jì)算，可以提高電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)初期的絕緣電阻校核及整車絕緣電阻測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
[1]于洋,呂惠,黃俊芳.電動(dòng)汽車絕緣電阻精確測(cè)量方法研究與驗(yàn)證[J].北京汽車,2018(6):43-46.
YU Y,LÜ H,HUANG J F.Research and Verification of Accurate Measurement Method for Insulation Resistance of Electric Vehicles[J].Beijing Automotive Engineering,2018(6):43-46.
[2]鄭傳琴,王正衛(wèi).純電動(dòng)車高壓部件對(duì)車身電壓?jiǎn)栴}剖析[J].客車技術(shù)與研究,2020,42(2):31-33+51.
ZHENG C Q,WANG Z W.Analysis on High Voltage Problems Between High Voltage Components and Vehicle Body of Electric Vehicles[J].Bus &Coach Technology and Research,2020,42(2):31-33+51.
[3]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.電動(dòng)汽車安全要求:GB 18384—2020[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2020.
Ministry of Industry and Information Technology of the People’s Republic of China.Electric Vehicles Safety Requirements:GB 18384—2020[S].Beijing:Standards Press of China,2020.
[4]王德平,張?zhí)鞆?qiáng).電動(dòng)汽車安全性設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2020.
WANG D P,ZHANG T Q.Electric Vehicles Safety Design[M].Beijing:China Machine Press,2020.
[5]吳志新,周華,王芳.電動(dòng)汽車及關(guān)鍵零部件測(cè)評(píng)與開發(fā)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2019.
WU Z X,ZHOU H,WANG F,et al.Testing and Evaluation Technology for Electric Vehicles and Key Components[M].Beijing:Science Press,2019.
來源：期刊（汽車技術(shù)）作者：張?zhí)鞆?qiáng)1，2 宋芳1，2（1.中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）
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