新能源汽車電氣絕緣檢測和監(jiān)測方法的應(yīng)用

韓星星

(江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電汽車學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 前言

目前，能源和供應(yīng)鏈危機(jī)持續(xù)加劇，環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。純電動(dòng)汽車具有高效、節(jié)能、環(huán)保、零排放的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為國內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的方向。雖然新能源汽車在環(huán)保等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)汽車，但是由于新能源汽車是新興產(chǎn)品，所以需要不斷測試其安全性能，其中電氣絕緣檢測則是重中之重。

1 電氣絕緣檢測概述

電氣系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部件，因?yàn)椴煌瑧?yīng)用管理系統(tǒng)存在些許差別，結(jié)合實(shí)際問題對其進(jìn)行分類，具體可將電動(dòng)汽車的電氣系統(tǒng)分為低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)2個(gè)類型。

低壓系統(tǒng)具有較高的可靠性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)等大功率部件由高壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，高壓系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電氣工程設(shè)備等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、電機(jī)控制器和其他部件構(gòu)成；電力系統(tǒng)由數(shù)千節(jié)電池組成；電氣工程設(shè)備主要包含制動(dòng)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向管理系統(tǒng)、電空調(diào)設(shè)備和電加熱系統(tǒng)。如果電動(dòng)汽車的工作電壓過高，高壓系統(tǒng)和絕緣性能將對行車安全產(chǎn)生較大影響。

高壓系統(tǒng)和部件涉及到絕緣問題，對于新能源汽車(尤其是混合動(dòng)力汽車)而言，復(fù)雜的工作環(huán)境、振動(dòng)、溫度、濕度和部件老化極易影響整車的絕緣性能，導(dǎo)致其絕緣性能無法發(fā)揮出原有功效。在泄漏電荷形成回路時(shí)，電位高、電流熱會對低壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，嚴(yán)重時(shí)會引起燃燒，威脅駕乘人員的生命安全，因此必須定期進(jìn)行現(xiàn)場電氣絕緣檢測。

通常情況下，將絕緣監(jiān)測管理系統(tǒng)功能模塊安裝在動(dòng)力電池系統(tǒng)中，但部分型號的電動(dòng)汽車將絕緣監(jiān)測模塊的功能集成到電池管理系統(tǒng)(BMS)中，也有一些電動(dòng)汽車直接使用絕緣監(jiān)測模塊。絕緣監(jiān)測模塊的主要工作原理為：動(dòng)力電池的電流電路由正負(fù)極通過機(jī)箱和絕緣層形成。當(dāng)整車的絕緣能力降低時(shí)，泄漏電流會不斷增加。當(dāng)泄漏電流達(dá)到一定值時(shí)，整車電氣系統(tǒng)將不能正常工作，威脅駕乘人員的生命安全。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)的電氣絕緣性能，能夠保證駕乘人員的安全，同時(shí)使得車輛始終保持正常運(yùn)行的狀態(tài)。在國內(nèi)新能源汽車企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)中，將母線工作電壓分為直流正極母線底盤和直流負(fù)極母線底盤，以表征直流母線相對于其他車輛底盤的絕緣程度。但這種分壓方法只能表征直流正負(fù)母線對底盤的相對絕緣程度，不能判斷直流正負(fù)母線對底盤絕緣性能是否同步降低。

在分析傳統(tǒng)無邊界接地檢測方法不足的基礎(chǔ)上，提出了一種新的電壓注入型有源絕緣電阻檢測方案，徹底解決了正負(fù)母線對地對稱絕緣故障無法檢測的問題。對實(shí)際樣機(jī)的分析和研究結(jié)果表明，該方案設(shè)計(jì)能夠及時(shí)監(jiān)測到車體與高壓線路之間的絕緣系統(tǒng)故障，確保駕乘人員的安全。

2 電氣絕緣檢測的作用

新能源汽車的電氣系統(tǒng)主要由電機(jī)設(shè)備、電氣傳動(dòng)設(shè)備和電氣控制設(shè)備組成。為了更好地將電氣轉(zhuǎn)化為電能，新能源汽車需要為電氣系統(tǒng)提供更高的電壓。為了更好地保證新能源汽車的正常使用，保護(hù)車輛和駕乘人員的安全，必須持續(xù)對電壓實(shí)施絕緣檢測和監(jiān)測。采用絕緣技術(shù)消除高壓危險(xiǎn)，其核心是避免高壓對車輛和駕乘人員造成傷害。絕緣體是一種低導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)性能材料，一般的工作電壓和電流絕緣后就不能繼續(xù)傳輸，避免發(fā)生泄漏事故。

在新能源汽車的研發(fā)和使用中，絕緣體的絕緣性能受外部因素的影響，如長期使用會引起絕緣體老化。同時(shí)，電氣設(shè)備的電磁干擾也會影響新能源汽車的絕緣性能。所以，應(yīng)加強(qiáng)新能源汽車電氣絕緣檢測，以保證我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 電氣絕緣性能

通常情況下，電氣絕緣問題集中于高壓系統(tǒng)。以新能源汽車高壓系統(tǒng)為例，分析其電氣絕緣性能。新能源汽車具有雙電源結(jié)構(gòu)，由鋰離子電池組和燃料電池組并聯(lián)組合而成。根據(jù)相關(guān)要求，新能源鋰電池電壓必須為388 V，工作狀態(tài)下最高電壓不超過420 V，否則容易引發(fā)鋰電池爆炸，影響汽車的整體運(yùn)行安全。

燃料電池組具有遞減的輸出特性，當(dāng)新能源汽車電源輸出電壓由0增大至300 V時(shí)，其內(nèi)部輸出電壓將轉(zhuǎn)變?yōu)榻档蜖顟B(tài)，由300 V降低至270 V。為了保證新能源汽車正常安全運(yùn)行，需要增設(shè)斬波電路，確保燃料電池的輸出特性可以在恒定壓電和恒定功率之間相互轉(zhuǎn)換，使鋰離子電池組和燃料電池組協(xié)調(diào)工作，提高能源的利用率。其中，恒定功率和恒定電流是新能源汽車燃料電池電流輸出和最大功率受到限制的重要原因。通常情況下，在經(jīng)過變壓器穩(wěn)定電壓后，電池管理系統(tǒng)會針對電壓進(jìn)行調(diào)整，使其可用于高壓系統(tǒng)內(nèi)的鋰電池完成電壓分配。

電動(dòng)汽車高壓控制系統(tǒng)兼顧控制空調(diào)管理系統(tǒng)與自動(dòng)信息系統(tǒng)，將此類系統(tǒng)安裝于底盤部位，且每個(gè)系統(tǒng)均配置單獨(dú)的電路，但在底盤和系統(tǒng)件未連接電路時(shí)，整個(gè)高壓系統(tǒng)呈關(guān)閉狀態(tài)。

4 電氣絕緣檢測原理

新能源汽車使用的材料不同于傳統(tǒng)汽車，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面，新能源汽車的材料優(yōu)于傳統(tǒng)汽車。但考慮到新能源汽車是新興技術(shù)產(chǎn)品，為確保其安全運(yùn)行，在其投入使用前，必須經(jīng)過絕緣測試等一系列測試。新能源汽車電氣絕緣檢測和監(jiān)測的工作原理是利用絕緣子保護(hù)電路。對于整個(gè)電力系統(tǒng)，任何部分的電路泄漏都會導(dǎo)致電力事故。電氣絕緣檢測和監(jiān)測可以通過電流測量和功率測量來實(shí)現(xiàn)。電流測量方法主要是通過測試車輛高壓電源的正負(fù)極，建立阻抗網(wǎng)絡(luò)。例如，使用車身任意兩點(diǎn)和電源正負(fù)極之間的連接來讀取電流，如數(shù)值穩(wěn)定，表明新能源汽車可以投入使用。

5 電氣絕緣監(jiān)測方法

目前，各類汽車修理廠最常用的2種電氣絕緣檢測方法為電流感應(yīng)法和電源法。

5.1 電流感應(yīng)法

霍爾電流傳感法是新能源汽車中常用的高壓直流檢測方法。在新能源汽車電氣系統(tǒng)運(yùn)行中，必須確保有效的電流來完成動(dòng)力傳遞。檢測系統(tǒng)的正負(fù)電極時(shí)可以使用電流傳感器。如果電路中沒有電流泄漏，則電流中正電子和負(fù)電子的數(shù)量完全相同，通過傳感器的電流和電壓數(shù)據(jù)始終為0；反之，如果電路中存在泄漏，則正負(fù)電子的數(shù)量不同，且電流傳感器將顯示該值。根據(jù)電流的正負(fù)讀數(shù)，可以判斷新能源汽車是否存在電流泄漏。采用該方法，可以精準(zhǔn)得到電路的絕緣性能值。但因傳感器必須根據(jù)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行測試，電氣系統(tǒng)需要一直處于運(yùn)行狀態(tài)，因此該方法具有一定的局限性。

5.2 電源法

我國廣泛采用輔助供電方式，一般來說，新能源汽車會配備1個(gè)直流電壓為110 V的備用電池。電池正極需要連接高壓直流電源實(shí)施分析檢測，電池的負(fù)極應(yīng)連接到車輛外殼上，以確認(rèn)新能源汽車是否具有良好的絕緣性能。如果電絕緣體穩(wěn)定無泄漏，電池不會形成電流回路，電流為0；當(dāng)電力線絕緣層老化、環(huán)境潮濕時(shí)，電絕緣體失去功能，電池形成電流回路，通過閉合回路時(shí)會發(fā)生泄漏。利用該工作原理，將檢測器安裝在由絕緣體和電池系統(tǒng)組成的電路中，如果泄漏電流過大，報(bào)警裝置會自動(dòng)報(bào)警，并切斷內(nèi)部電源，以減少新能源汽車的損壞，確保駕乘人員的人身和財(cái)產(chǎn)安全。該檢測方法可以有效地檢測電氣系統(tǒng)在非工作狀態(tài)下的絕緣性能，但很難有效區(qū)分是由正極還是負(fù)極導(dǎo)致絕緣子泄漏。此外，該檢測方法對直流電源有嚴(yán)格要求，要求直流電流為100 A，在一定程度上增加了檢測管理難度。以上不足還需要對新能源汽車電氣系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，并在實(shí)際操作中找到解決方案。

6 電氣絕緣性能的檢測方法

通常情況下，封閉的高壓系統(tǒng)會產(chǎn)生電氣絕緣問題。電氣絕緣性能的最佳描述是電阻靜止的絕緣容量，具體可以用電阻表示：電阻較大，絕緣狀況較好；電阻較小，絕緣狀況較差。電阻可被稱為絕緣電阻，檢測絕緣電阻時(shí)可使用母線端電壓法和電阻法。在車輛底盤和直流電源鍵上連接電阻，測量電阻經(jīng)過的電流或電壓，以此為基礎(chǔ)計(jì)算獲得絕緣電阻。但傳統(tǒng)檢測方法存在一定的局限性，例如：當(dāng)母線兩端接地時(shí)，難以精準(zhǔn)得出絕緣電阻；車輛處于電磁干擾狀態(tài)時(shí)，絕緣電阻所獲得的監(jiān)測精度較低，易產(chǎn)生誤差。

新能源汽車行業(yè)正逐步探索新的檢測方法。在電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)中，利用電源的正極引線電纜和負(fù)極引線電纜對底盤的絕緣電阻進(jìn)行檢測來反映電氣系統(tǒng)的絕緣性能。在連接電阻時(shí)引入處理單元構(gòu)建阻抗電阻，利用電流和電壓傳感器測量電壓與電流。在采集處理單元中，引入了英特爾(Intel)6位單片機(jī)。同時(shí)，單片機(jī)粗略判斷通電后的和，并根據(jù)、和等效電阻的關(guān)系，通過控制三極管的通斷來改變電源正負(fù)極間的和輸出電流，計(jì)算正極絕緣電阻和負(fù)極絕緣電阻，檢測絕緣電阻是否達(dá)到閾值，將獲得的信息輸入單片機(jī)。

電氣絕緣性能的檢測如圖1所示。在實(shí)際運(yùn)行過程中，會在某一范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，但基本保持不變，三極管所生成的導(dǎo)流電壓較小，可忽略不計(jì)。如三極管T接通后，連接電阻先與并聯(lián)，再與串聯(lián)。和表示相應(yīng)的電壓和電流，然后獲得表達(dá)式=(+/)。類似的，當(dāng)三極管T接通時(shí)，可以獲得表達(dá)式=(+/)。當(dāng)和關(guān)閉時(shí)，絕緣性能極低并將所獲得的參數(shù)輸入單片機(jī)。由此可見，該檢測方法較為便捷，且易于操作，可精準(zhǔn)判斷絕緣電阻，精度也符合預(yù)期，滿足電動(dòng)汽車絕緣檢測工作的實(shí)際需求。

圖1 電氣絕緣性能的檢測示意圖

7 結(jié)語

新能源汽車將是未來汽車領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，其研究、開發(fā)和生產(chǎn)引起了廣泛的關(guān)注。新能源汽車企業(yè)可以依靠電氣系統(tǒng)來保證汽車的安全和穩(wěn)定，這對新能源汽車的推廣具有非常重要的意義。為了確保駕乘人員的安全，必須對新能源汽車電氣系統(tǒng)的絕緣性能實(shí)施有效檢測，并深入研究絕緣子，避免絕緣不合格造成泄漏事故，提高大眾對新能源汽車的接受度。

新能源汽車絕緣性能的新型檢測方法簡單，可以得到廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際檢測時(shí)，可通過該方法精準(zhǔn)判斷汽車底盤正負(fù)極絕緣性，在檢測時(shí)運(yùn)用單片機(jī)作為主要控制工具，便于編程，使檢測結(jié)果精準(zhǔn)可靠，獲得的檢測結(jié)果也有助于日常檢修和維護(hù)工作。同時(shí)，汽車維修人員也應(yīng)不斷提高技術(shù)水平，跟上時(shí)代的潮流，助力新能源汽車的發(fā)展。