純電動(dòng)車高壓部件對(duì)車身電壓問題剖析

鄭傳琴， 王正衛(wèi)

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000； 2.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

電動(dòng)汽車盡管已普及，但用車單位對(duì)電源高壓問題卻存在許多困惑。如用萬用表測量高壓部件與車身之間的電壓的方法來判斷高壓部件的絕緣情況，發(fā)現(xiàn)高壓部件對(duì)車身電壓一般有一百多伏甚至有幾百伏，且正、負(fù)極對(duì)地電壓之和又小于電池總電壓，又測得正極壓降與負(fù)極壓降之和總小于總電壓。這個(gè)問題使很多從事純電動(dòng)車維修的人員困惑，本文就來剖析這個(gè)疑惑。

1 純電動(dòng)車高壓部件對(duì)車身電壓的分析

1.1 純電動(dòng)車高壓部件概述及絕緣性要求

純電動(dòng)車高壓部件主要包括鋰動(dòng)力電池、BMS高壓柜、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、高壓控制柜、DC/DC、DC/AC、打氣泵、轉(zhuǎn)向泵、空調(diào)、暖風(fēng)、除霜器以及高壓線等。概括起來就是1個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)加4個(gè)輔助系統(tǒng)。

純電動(dòng)車高壓部件正、負(fù)極與車身之間都應(yīng)處于絕緣狀態(tài)，絕緣值應(yīng)符合GB/T 18384.3—2015 中大于500 Ω/V的要求[1]。商用純電動(dòng)車電壓一般不超過700 V，一般企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)用絕緣檢測儀檢測到絕緣值低于0.5 MΩ時(shí)就報(bào)警，高于國標(biāo)要求。但實(shí)際絕緣值要高于此標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向泵電機(jī)、打氣泵電機(jī)三相線的絕緣值一般都大于500 MΩ[2]，風(fēng)冷鋰電池、空調(diào)、除霜器、暖風(fēng)高壓的絕緣值大于200 MΩ[3]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器絕緣值最低，大約為6～20 MΩ[4]。所以，整車高壓部件的絕緣情況受驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的影響較大，新車高壓部分絕緣電阻一般在5 MΩ左右。

1.2 純電動(dòng)車高壓部件對(duì)車身電壓的理論分析

純電動(dòng)車高壓部件總正、總負(fù)與車身的電壓滿足歐姆定律，絕緣電阻分壓的等效電路如圖1所示(圖中，R1為電動(dòng)車總負(fù)載；虛框?yàn)橛萌f用表測電壓狀態(tài))。其中U=700 V(電池總電壓)；R2、R3各≈5 MΩ(正、負(fù)高壓線對(duì)車身絕緣電阻)。

根據(jù)歐姆定理，R2、R3所分電壓為：

UR2=U·R2/(R2+R3)=350 V=UR3(R2=R3)

圖1 絕緣電阻分壓等效電路及萬用表測壓原理圖

因此，在滿足絕緣性要求的純電動(dòng)車上，高壓部件正極、負(fù)極理論上對(duì)車就有電壓存在，而且正、負(fù)極壓降之和為電池總電壓。即高壓部分正、負(fù)極對(duì)車身存在高電壓屬正常現(xiàn)象，電壓大小與總正、總負(fù)極相應(yīng)絕緣電阻之比有關(guān)。但用萬用表實(shí)際測量時(shí)，總正、總負(fù)極電壓之和與電池總電壓不一樣，這是因?yàn)橛萌f用表測量時(shí)存在干擾。

2 萬用表測電壓的干擾

2.1 萬用表測電壓原理

用萬用表測量電壓時(shí)，其內(nèi)部接線原理如圖2所示[5]。在萬用表內(nèi)串有一個(gè)電阻Rg，相當(dāng)于在萬用表表針放置的被測兩點(diǎn)間串聯(lián)了一個(gè)電阻Rg，而且Rg隨電壓擋位不同電阻值也不同。當(dāng)測量電壓在200 mV以下時(shí)，不串聯(lián)電阻；當(dāng)測量電壓在200 mV～2 V擋，串聯(lián)9 kΩ電阻；當(dāng)測量電壓在2～20 V擋，串聯(lián)99 kΩ電阻；當(dāng)測量電壓在20～200 V擋，串聯(lián)1 MΩ電阻；當(dāng)測量電壓在200～2 000 V時(shí)，串聯(lián)10 MΩ電阻。

圖2 萬用表測電壓內(nèi)部原理圖

很明顯，在用萬用表測量高壓部件對(duì)車身電壓時(shí)，萬用表內(nèi)接電阻存在很大干擾。

2.2 萬用表干擾情況分析

2.2.1 單萬用表測量干擾情況

當(dāng)用一只萬用表接在圖1的A點(diǎn)(正極)與車身之間測量電壓時(shí)，根據(jù)電阻并聯(lián)原理[6]，正極有效電阻R效為(對(duì)應(yīng)于測量電壓的一般數(shù)據(jù)，Rg為10 MΩ):

R效=Rg·R2/(Rg+R2)=10×5/(10+5) =10/3 MΩ

則

UR2=UR效/(R效+R3)=700×10/3/(10/3+5)≈279.8 V

同樣，將萬用表接在圖1的B點(diǎn)(負(fù)極)與車身之間測量電壓時(shí)，可得UR3=UR2≈279.8 V。U總=UR2+UR3=279.8 V+279.8 V=559.6 V<700 V。

因此，用一只萬用表測量電壓時(shí)，在萬用表內(nèi)阻干擾下，總正、負(fù)極測量值之和比總電壓小，但不是實(shí)際電壓，實(shí)際電壓之和應(yīng)為電池總電壓。

2.2.2 雙萬用表測量干擾情況

如用兩個(gè)一樣的萬用表在圖1的A點(diǎn)(正極)與車身間、B點(diǎn)(負(fù)極)與車身間同時(shí)進(jìn)行電壓測量，則有：

R正效=Rg·R2/(Rg+R2)=10/3 MΩ=R負(fù)效(R2=R3)

UR2=UR正/(R正+R負(fù))=350 V=UR3(R正效=R負(fù)效)

即U總=UR2+UR3=350 V+350 V=700 V

可見，采用雙萬用表可消除萬用表干擾，正、負(fù)極壓降之和等于總電壓，且為實(shí)際壓降。

2.3 風(fēng)冷鋰電池對(duì)車身電壓測量

1)單萬用表測量。風(fēng)冷鋰電池絕緣電阻一般比較大，即圖1中R2、R3一般都在200 MΩ以上，用一只萬用表測量電池對(duì)車身電壓時(shí)， 若U=700 V,R2=R3都取200 MΩ，Rg=10 MΩ，則用上述方法算得：

UR2≈33.3 V=UR3
U總=UR2+UR3=33.3 V+33.3 V=66.6 V<700 V

所以，當(dāng)絕緣電阻比萬用表內(nèi)阻Rg大得多時(shí)，萬用表上顯示電壓會(huì)很小，當(dāng)正、負(fù)絕緣電阻趨近于∞，萬用表顯示電壓趨近于0，但并非實(shí)際電壓。無論絕緣電阻有多大，高壓部分總正、總負(fù)實(shí)際壓降之和應(yīng)為電池總電壓。

2)雙萬用表測量。如果用兩個(gè)一樣的萬用表在風(fēng)冷鋰電池正、負(fù)極同時(shí)測上述電池對(duì)車身電壓,同樣可得：

UR2=350 V=UR3
U總=UR2+UR3=350 V+350 V=700 V

可見，在絕緣電阻很大的情況下，采用雙萬用表仍可消除萬用表干擾，總正、總負(fù)極壓降之和等于總電壓，且為實(shí)際壓降[7]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按實(shí)車配置制作了一個(gè)純電動(dòng)車高壓模型，并采用單、雙表法對(duì)高壓部件、鋰電池與車身間電壓進(jìn)行測量驗(yàn)證[8]。

3.1 檢測高壓部件

1)單表法測量。采用單表法測量整車正、負(fù)電壓的條件：鑰匙打到start擋,整車上高壓，鋰電池電壓U=611 V，整車高壓部件正極絕緣電阻R2=5.4 MΩ，負(fù)極絕緣電阻R3=4.3 MΩ，同上理論計(jì)算得：

UR2≈274.2 V，UR3≈218.2 V

U總理=274.2 V+218.2 V=492.4 V

實(shí)際測量值見表1。

表1 整車電壓單表測量值 V

此時(shí)U總測=U正測+U負(fù)測=273.9 V+220.3 V=494.2 V<611 V，與理論分析相符。

2)雙表法測量。雙表測量的條件及有關(guān)參數(shù)與上述單表測量相同，同樣理論計(jì)算可得：

UR2=329 V，UR3=282 V
U總理=329 V+282 V=611 V

實(shí)際測量值見表2。

表2 整車電壓雙表測量值 V

此時(shí)U總測=U正測+U負(fù)測=331.5 V+279.3 V=610.8 V≈611 V，與理論分析相符。

3.2 檢測鋰電池

1)單表法測量。將鋰電池連接BMS的高壓線拆除，采用單表法分別測量鋰電池正、負(fù)極對(duì)車身電壓。檢測條件：鋰電池電壓U=611 V，鋰電池正極絕緣電阻R2=320 MΩ，負(fù)極絕緣電阻R3=410 MΩ。用上述方式理論計(jì)算可得：

UR2≈14.1 V，UR3≈14.3 V
U總理=14.1 V+14.3 V=28.4 V

實(shí)際測量值見表3。

表3 鋰電池電壓單表測量值 V

此時(shí)U總測=U正測+U負(fù)測=14.05 V+14.26 V=28.31 V<611 V，與理論分析相符。

當(dāng)絕緣電阻與萬用表內(nèi)串電阻差別比較大時(shí)，用單表法所測電壓就比較小,與理論分析相符。

2)雙表法測量。雙表測量的條件與單表法測量相同，同樣方法理論計(jì)算可得：

UR2≈303.9 V，UR3≈307.1 V
U總理=303.9 V+307.1 V=611 V

實(shí)際測量結(jié)果見表4。

表4 鋰電池電壓雙表測量值 V

此時(shí)U總測=U正測+U負(fù)測=303.5 V+307.1 V=610.6 V≈611 V，與理論分析相符。

即使絕緣電阻與萬用表內(nèi)串電阻差別比較大，用雙表法所測電壓一樣也比較大，也與理論分析相符。

4 結(jié) 論

1)對(duì)于絕緣電阻符合要求的純電動(dòng)汽車，高壓部件總正、總負(fù)極與車身之間存在電壓，且實(shí)際電壓之和就是總電壓。

2)無論絕緣電阻是大還是小，采用單表法測量時(shí)干擾大，測量值與實(shí)際值差別大；采用雙表法測量時(shí)干擾小，測量值與實(shí)際值差別小。因此，在測純電動(dòng)車高壓部件與車身電壓時(shí)應(yīng)采用雙表法測量。