【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其中的許多部件包括動(dòng)力電池、電機(jī)、充電機(jī)、能量回收裝置、輔助電池充電裝置等都會(huì)涉及高壓電器絕緣問題。這些部件的工作條件比較惡劣，振動(dòng)、酸堿氣體的腐蝕、溫度及濕度的變化，都有可能造成動(dòng)力電纜及其他絕緣材料迅速老化甚至絕緣破損，使設(shè)備絕緣強(qiáng)度大大降低，危及人身安全。
目前發(fā)電廠、變電站等場(chǎng)所直流高壓系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)有多種方式，但都存在一些缺點(diǎn)，如繼電器檢測(cè)方式靈敏度低，平衡電橋法在正負(fù)極絕緣同時(shí)降低時(shí)不能準(zhǔn)確及時(shí)報(bào)警，注入交流信號(hào)法不僅會(huì)使直流系統(tǒng)紋波增大，影響供電質(zhì)量，而且系統(tǒng)的分布電容會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，分辨率低。與電力系統(tǒng)直流絕緣監(jiān)測(cè)不同的是，電動(dòng)汽車直流系統(tǒng)電壓等級(jí)涵蓋90～500V的寬范圍，而且運(yùn)行過程中電壓頻繁變化。文中提出的利用端電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣狀況的方法可以較好地解決上述問題，具有較高的精度，完全適合在電動(dòng)汽車上應(yīng)用。
二、絕緣電阻測(cè)量
原理電動(dòng)汽車的絕緣狀況以直流正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻來衡量。電動(dòng)汽車的國際標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定:絕緣電阻值除以電動(dòng)汽車直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓U，結(jié)果應(yīng)大于100Ω/V，才符合安全要求。標(biāo)準(zhǔn)中推薦的牽引蓄電池絕緣電阻測(cè)量方法適用于靜態(tài)測(cè)試，而不滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。
文中通過測(cè)量電動(dòng)汽車直流母線與電底盤之間的電壓，計(jì)算得到系統(tǒng)的絕緣電阻值。假設(shè)電動(dòng)汽車的直流系統(tǒng)電壓（即電池總電壓）為U，待測(cè)的正、負(fù)母線與電底盤之間的絕緣電阻分別為RP、RN，正、負(fù)母線與電底盤之間的電壓分別為UP、UN，則待測(cè)直流系統(tǒng)的等效模型如圖1中的虛線框內(nèi)所示。
圖1為電動(dòng)汽車絕緣電阻測(cè)量原理，圖中RC1、RC2為測(cè)量用的已知阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻。工作原理如下:當(dāng)開關(guān)S1、S2全部斷開時(shí)，測(cè)量正、負(fù)母線與電底盤之間的電壓分別為UP0、UN0，由電路定律[2]可以得到
UP0/RP=UN0/RN（1）
當(dāng)開關(guān)S1閉合、S2斷開時(shí)，則在正母線與電底盤之間加入標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻RC1，測(cè)量正、負(fù)母線與電底盤之間的電壓分別為UPP、UNP，同樣可以得到
同樣，絕緣電阻在以下2種情況也可以得到: S1、S2全部斷開和S1斷開、S2閉合； （2）S1閉合、S2斷開和S1斷開、S2閉合。
三、測(cè)量結(jié)果誤差分析
由上述計(jì)算公式可知，絕緣電阻RP、RN的具體數(shù)值由4個(gè)測(cè)量電壓值和已知標(biāo)準(zhǔn)電阻計(jì)算得到，最終結(jié)果的精度與電壓測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)電阻的精度直接相關(guān)。另外，開關(guān)動(dòng)作前后，電池電壓隨汽車加、減速的變化對(duì)結(jié)果的影響也應(yīng)分析。
（一） 測(cè)量參數(shù)對(duì)精度的影響
假設(shè)電池總電壓U保持不變，UP0、UN0、UPP、UNP的測(cè)量相對(duì)誤差分別為γp0、γN0、γpp、γNP，標(biāo)準(zhǔn)電阻RC1的相對(duì)誤差為γRC，待測(cè)的RP、RN的實(shí)際值為RP0、RN0，且在測(cè)量過程中保持不變，根據(jù)誤差理論的誤差絕對(duì)值合成法[3]可以得到RP、RN的相對(duì)誤差γRP、γRN分別為:
分析可知，系統(tǒng)的總誤差與標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值和被測(cè)電阻之間的比例有直接的關(guān)系。當(dāng)RC1nRP0時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量誤差最小。此時(shí)假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差可以忽略不計(jì)，電壓測(cè)量誤差γp0=γN0=γpp=γNP=γV，如果要求計(jì)算結(jié)果的總誤差γ≤5%，則電壓測(cè)量的誤差必須滿足γV≤1125%。
然而，電動(dòng)汽車在實(shí)際長期運(yùn)行過程中系統(tǒng)的絕緣電阻是變化的，而且RC1阻值不可能很?。ǚ駝t直接降低了電動(dòng)車的絕緣狀況），阻值可以在靜態(tài)測(cè)量時(shí)的100～500Ω/V之間選擇，因此實(shí)際誤差要更大。例如，對(duì)于標(biāo)稱300V的電動(dòng)汽車直流系統(tǒng)，選擇RC1=30kΩ，若要求絕緣電阻在最小值30kΩ時(shí)也滿足測(cè)量結(jié)果誤差小于5%，則必須使電壓測(cè)量誤差小于0.625%。
（二）電池電壓瞬變的影響
電動(dòng)汽車的絕緣電阻一般來講是緩變參數(shù)，而測(cè)量過程很快，因此可以認(rèn)為測(cè)量過程中實(shí)際待測(cè)絕緣電阻阻值保持不變。
假設(shè)利用式（3）、式（4）對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，在S1、S2全部斷開時(shí)電池電壓為U，U=UP0+UN0，而S1閉合、S2斷開時(shí)電池電壓為U′，U′=U′PP+U′NP。
由式（3）、式（4）可以得到
將式（5）、式（6）分別與式（3）、式（4）比較可知，要得到正確的結(jié)果，必須保證U′NP/U′PP=UNP/UPP成立。對(duì)于實(shí)際絕緣電阻不變的情況下，參照?qǐng)D1所示電路，依據(jù)電路基本定律可以得到RN/（RP//RC1）（式中RP//RC1為2個(gè)電阻RP與RC1的并聯(lián)值，以下相同），該值在短暫的測(cè)量過程中可以作為恒值處理，但必須保證測(cè)量過程中對(duì)電壓UP0、UN0采樣的同時(shí)性和對(duì)UPP、UNP采樣的同時(shí)性，否則破壞了上述計(jì)算方法的正確條件。
四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于上述方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，主要完成如下幾方面功能:正負(fù)母線對(duì)電底盤的電壓測(cè)量、標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻的投切控制、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、聲光報(bào)警電路、液晶顯示及通信。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
（一）偏置電阻的自動(dòng)配置
標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻的選擇應(yīng)遵循以下原則:（1）基本不影響被測(cè)系統(tǒng)原有的絕緣性能；（2）要兼顧系統(tǒng)的測(cè)量精度要求；（3）根據(jù)系統(tǒng)電壓等級(jí)自動(dòng)配置不同等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)阻值；（4）高精度，低溫漂系數(shù)。
系統(tǒng)的實(shí)際偏置電阻配置如表1所示。
（二）電壓測(cè)量電路
由上述分析可知，在標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻確定的情況下，電壓檢測(cè)的精度直接決定了最終結(jié)果的精度。一般來講，電動(dòng)汽車的標(biāo)稱電壓在90～500V之間，運(yùn)行過程中電池電壓存在一定的波動(dòng)范圍，并且待測(cè)絕緣電阻也有一定的變化范圍，因此，通用型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓測(cè)量電路必須保證在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等精度的測(cè)量，而且正、負(fù)母線對(duì)地電壓的測(cè)量必須同時(shí)完成。文中采用低溫漂精密電阻分壓電路，結(jié)合雙積分型高分辨率的A/D實(shí)現(xiàn)了等精度測(cè)量，主控單元與測(cè)量電路采用光電耦合器隔離。該種方法與采用LEM電壓傳感器的測(cè)量方案相比，克服了后者的溫漂、零點(diǎn)漂移等問題，同時(shí)避免了其需要的10mA左右的工作電流影響被測(cè)系統(tǒng)的絕緣性能的缺點(diǎn)。
正、負(fù)母線對(duì)地電壓的測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一致，其采集過程由CPU控制同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，滿足測(cè)量參數(shù)的同時(shí)性。
（三）系統(tǒng)核心——CPU
CPU選用Motorola推出的HCS12系列16位MCU29S12DJ64[4]，內(nèi)部除中央處理單元CPU12外，不僅集成了FLASH、EEPROM及RAM存貯器，而且還集成CAN、BDLC、SCI、SPI和HSIO等多種接口，功能豐富，速度高、功耗低、性價(jià)比高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，同時(shí)芯片支持背景調(diào)試模式和大容量存貯器擴(kuò)展。FLASH存貯器具有快速編程能力，靈活的保護(hù)與安全機(jī)制，而且擦除和寫入無需外部加高電壓。
五、試驗(yàn)結(jié)果
該系統(tǒng)分別在汕頭國家電動(dòng)汽車試驗(yàn)示范區(qū)和浙江萬向集團(tuán)電動(dòng)汽車開發(fā)中心的電動(dòng)中巴車和電動(dòng)轎車上進(jìn)行了裝車運(yùn)行試驗(yàn)。
在汕頭的一輛中巴車上安裝系統(tǒng)時(shí)，接線人員不小心用手碰到了正母線，馬上有被電的感覺。中巴車額定電壓110V，因此報(bào)警值設(shè)定為11kΩ。系統(tǒng)接線完成后進(jìn)入正常工作，馬上就發(fā)出聲光報(bào)警。
監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，正、負(fù)母線對(duì)車體的絕緣電阻分別僅為112kΩ和2kΩ，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全閾值，因此汕頭方面馬上對(duì)車進(jìn)行了改造。這說明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并通知使用者，提高電動(dòng)車使用的安全性。
（一）試驗(yàn)過程
試驗(yàn)中利用CAN接口將測(cè)量參數(shù)與計(jì)算結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控筆記本電腦以記錄數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)過程如下:首先，利用該系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)車輛自身固有的正負(fù)絕緣電阻RP0、RN0；然后，為了測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，在電動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行過程中，人為地向正負(fù)母線分別并入一系列的標(biāo)準(zhǔn)電阻，改變電動(dòng)車的絕緣電阻值，以測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)不同的絕緣電阻值的測(cè)量情況。
（二）部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)
試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，利用系統(tǒng)測(cè)量電動(dòng)車的RP0、RN0，結(jié)果2個(gè)阻值都顯示為6.5MΩ。由于系統(tǒng)的測(cè)量阻值上限為6.5MΩ，當(dāng)電阻的測(cè)量結(jié)果超出上限時(shí)系統(tǒng)也會(huì)顯示為上限值，因此說明試驗(yàn)用電動(dòng)車的初始絕緣狀況良好。
保持RNI=2000kΩ不變，令RPI=1000kΩ，記錄RPM、RNM。然后改變RPI的阻值大小，記錄相應(yīng)結(jié)果，如表2所示。
保持RPI=2000kΩ不變，令RNI=1000kΩ，記錄RPM、RNM。然后改變RNI的阻值大小，記錄相應(yīng)結(jié)果，如表3所示。
表中參數(shù)意義如下:RPI為正母線與車體之間并入的試驗(yàn)電阻；RNI為負(fù)母線與車體之間并入的試驗(yàn)電阻；RPM為正母線絕緣電阻的測(cè)量值；RNM為負(fù)母線絕緣電阻的測(cè)量值；γP為正母線電阻測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值的誤差；γN為負(fù)母線電阻測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值的誤差；RPC為正母線絕緣電阻的理論計(jì)算結(jié)果；RNC為負(fù)母線絕緣電阻的理論計(jì)算結(jié)果；γPMC為正母線電阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差；γNMC為負(fù)母線電阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差。
根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差計(jì)算可知:
（1）系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的誤差γPMC、γNMC在±015%以內(nèi)。誤差主要是由計(jì)算過程的近似以及對(duì)測(cè)量參數(shù)的舍入處理造成的，兩者結(jié)果基本一致。
（2）系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差γP、γN，在整個(gè)測(cè)量范圍都可以保證在±5%以內(nèi)，具有較高精度。
因此，在電動(dòng)車的加速、減速、平穩(wěn)運(yùn)行以及停車等不同工況下，對(duì)于不同的實(shí)際絕緣電阻狀況，系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠工作，并且能夠保證±5%的測(cè)量精度，滿足設(shè)計(jì)要求。
六、結(jié)論
絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)方法可以完成實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車的絕緣電阻，現(xiàn)場(chǎng)裝車運(yùn)行試驗(yàn)到目前為止一直正常運(yùn)行，無論是系統(tǒng)的檢測(cè)精度還是抗干擾能力都取得了較為滿意的結(jié)果。
推薦閱讀：
