安全报告|提高电动客车绝缘性能打造高安全电动客车

跟着人们对能源平安与情况掩护意识的逐渐增强，电动车将逐步成为社会的主要出行方式。因为政策支撑及市场需求，电动车使用范围在近几年成长敏捷。然而，电动车的平安技术仍旧亟待进步，各类电动车平安变乱连续呈现在人们的视线中，这也引起了国度对付电动车平安机能的高度看重。本文将对电动客车的绝缘电阻及其影响因素进行阐发验证，并对照解析了几种主流车辆绝缘电阻监测计划，末了提出优化设计。

一、绝缘电阻先容

（一） 绝缘电阻的界说

GB/T 3048.5—2007《电线电缆电机能实验办法第5部门：绝缘电阻实验》中给出了绝缘电阻的界说，即它是在必定前提下，处于两个导体之间的绝缘资料的电阻，而排除外面电流后由体积导电所肯定的绝缘电阻部门称为体积电阻[1]。在电动客车上，装备各线束绝缘机能的利害对车辆的平安运行有侧重年夜影响。而权衡绝缘机能的主要尺度便是绝缘电阻。

零部件绝缘电阻的丈量一样平常采纳绝缘电阻表法，直接读取15s和60s时的绝缘电阻值，把施加电压60s、15s时的电阻R60、R15的比值R60/R15 作为吸收比。或读取1min和10min的绝缘电阻，把施加电压10min、1min时的绝缘电阻R10、R1的比值R10/R1称为极化指数。绝缘电阻、吸收比和极化指数的丈量是评价电气装备绝缘质量最根本的办法。绝缘电阻高，吸收比拟低，是绝缘优越的表示。

（二）经由过程绝缘电阻的电流

直流电压加到电力装备的绝缘介质上时，会有一个随光阴逐渐减小，末了趋于稳固的电流经由过程。这个电流可视为由电容充电电流、吸收电流和透露电流三部门构成，如图1所示[2]。

图1 经由过程绝缘电阻的电流身分

（1）电容充电电流

直流电压作用到电力装备的绝缘介质上，加压刹时相称于电容充电，发生一个随光阴敏捷衰减的充电电流，如图1(a)中的i1所示。电容充电电流现实是因为在电场作用下介质分子的快速极化进程形成的位移电流，因为这一极化进程瞬时快速完成，因而充电电流i1刹时即逝。

（2）吸收电流

因为分歧介质电机能的差别发生吸收征象而引起的电流，称为吸收电流，如图1(a)中的i2所示。

（3）透露电流

当直流电压加到被试品时，绝缘介质内部或外面会有带电离子，这些离子做定向移动形成电流，称为透露电流。如图1(a)中的i3,其数值即是总电流i趋于稳固后的数值I。图1（b）是等效电路图，总电流i=i1+i2+i3,电流稳固后用I表现。

绝缘电阻R的读数在加电压初期是随光阴变化的。最初总电流i具有最年夜数值，这时电阻R最小。因为电容充电电流i1很快衰减，吸收电流也随光阴衰减，是以总电流i随加压光阴t的延伸而逐渐衰减，电阻与电流成反比，是以测得的绝缘电阻R是随加压光阴的延伸而逐渐上升的。末了，当充电电容电流i1和吸收电流i2都衰减到趋近零，总电流i趋于稳固，即是透露电流i3。

（三）绝缘电阻的要求

期近将公布的电动车三年夜平安强制尺度中，均对绝缘电阻有着具体的要求，由此可见，绝缘电阻是平安范畴中最紧张的参数之一。

GB《电动客车平安要求》中要求：整车渡水实验完成后10min内，整车绝缘电阻值应年夜于1MΩ。

GB《电动汽车平安要求》中要求：

（1）在最年夜事情电压下，直流电路绝缘电阻的最小值应年夜于100Ω/V，交流电路应年夜于500Ω/V。假如直流和交流的B级电压电路可导电的衔接在一路，则应满意绝缘电阻年夜于500Ω/V。

（2）车辆充电插座的绝缘电阻，包含充电时传导衔接到电网的电路，当充电接口断开时应不小于1 MΩ。

（3）车辆应有绝缘电阻监测功效，在车辆B级电压电路接通且未与外部电源传导衔接时，可以或许连续或者间歇地检测车辆的绝缘电阻值，当该绝缘电阻值小于制作商划定的阈值时，应经由过程一个显著的旌旗灯号（例如：声或光旌旗灯号）装配提示驾驶员。

GB《电动汽车用动力蓄电池平安要求》中要求：电池包或体系在进行完随意率性机能实验后其绝缘电阻值均不得小于100Ω/V。

二、绝缘电阻的模子

绝缘电阻并非必定是直观存在的一种“电阻”，纵然是两个在空间上互相分别的导体，它们中央也存在着绝缘电阻，这是一种对导电机能优劣的鉴定参数而并非是对“客观什物”的描写。是以，电动车上所有的电器与车身地之间都存在着绝缘电阻。但一样平常环境下，绝缘电阻多用于考量高压电器的电气平安机能，由于额定电压在人体平安电压36V以内的低压电器纵然绝缘电阻很小，也不会因低压泄电而对人体造成危害。

动力电池组正、负极接线端子及其衔接线束对外壳分离存在绝缘电阻，外壳对车身地存在绝缘电阻，这些电阻等效为电池直流正负母线对地绝缘电阻RN及RP（图2）；直流装备正、负极接线端子及其衔接电缆对车身地也存在绝缘电阻，这些绝缘电阻又以串、并联的情势等效为电气装备正、负极对车身地的等效绝缘电阻RN1及RP1；同理，交流装备中，也可获得三相线对地等效绝缘电阻RA、RB、RC[3]。

由此可见，整车的绝缘电阻是由车上所有的高压零部件的绝缘电阻配合决议的，其模子为所有电阻的并联模子。同理，每个电池包的绝缘电阻，由此中包括的所有电芯的绝缘电阻决议，而整个电池体系的绝缘电阻，由此中包括的所有电池包的绝缘电阻决议（图3）。

是以，要想做好整车绝缘电阻的设计与管控，最紧张的办法之一，便是保证零部件的绝缘电阻相符响应的要求。

三.绝缘电阻的影响因素

（一）温度影响

就一样平常环境而言，绝缘介质的绝缘电阻和吸收比是随温度的上升而降落的。

缘故原由一是:温度升高后加快了绝缘介质内部电子和离子的热活动；

缘故原由二是:在低温前提下,绝缘介质中的水分是与其它介质慎密联合的,当温度升高后,水分子就向电磁场南北极延长,因而增长了绝缘介质的电导机能,故绝缘电阻就呈指数纪律降落了。

有材料注解：一样平常的绝缘体温度每变化8～10℃，其绝缘电阻就会变化一倍的量。

为验证温度对车辆绝缘阻值影响，针对车辆高下温试验进行了数据采集，详情如下（上方为绝缘阻值曲线，下方为温度曲线）。

（1）在进行温升试验时（如图4），我们可以清晰地看到，跟着温度的上升（下方彩色曲线），车辆的绝缘阻值在逐渐降落（上方赤色曲线）；

（2）在进行温降试验时（如图5），我们可以清晰地看到，跟着温度的迟缓降落，车辆的绝缘阻值在逐渐上升；

（3）在进行温度轮回试验时（图6），我们可以清晰地看到，跟着温度的上下颠簸，车辆的绝缘阻值也出现出相反的颠簸趋向。

图6 某电动车高下温试验的温度轮回数据图

由上述记载中车辆绝缘阻值与零部件（电池、IGBT、电机绕组等）温度对应环境来看，车辆绝缘阻值出现随零部件温度升高而低落、随温度低落而升高的趋向，根本与理论同等。

但因为最高温升有限（至90℃左右），车辆绝缘阻值降落最年夜仅几十KΩ，是以，在有限温度规模内，温度对整车绝缘阻值影响不年夜。

（二）湿度影响

跟着情况湿度的赓续增长，电气装备绝缘资料上面的水分会越来越多，这将会年夜年夜进步资料电导率，从而使得装备的绝缘电阻和耐压强度低落。湿度主要影响外面透露电流：绝缘外面吸附潮气，形成水膜，水中含有的消融杂质或绝缘物内含有的盐类、酸类物资会被水分化电离，进而进步了导电率，使绝缘电阻显著低落。是以，绝缘体受潮后绝缘电阻会变小。

同时，相对绝缘介质而言，水的介电常数较年夜，增年夜了介质（如空气）的导电性，使容性耦合易于产生且击穿电压低落。下面举出两个实例。

例1：雨后丈量得出的氧化锌避雷器绝缘电阻仅为3000MΩ，但在外面干燥的环境下，绝缘电阻会上升到10000MΩ以上。

例2：某电雷管临盆中测试绝缘电阻不及格的产物，将其寄存于盛有硅胶的密闭干燥器中48ｈ后，测试绝缘电阻均及格，将其暴露放到库房中一个月，测其绝缘电阻又规复到本来的不及格程度。

是以，对付绝缘电阻的要求必要划定在特定温度、湿度等前提下进行丈量。

针对雨天是否会对车辆绝缘阻值造成明显影响，笔者分离在好天、雨天对某电动客车进行了绝缘阻值的测试。

参照GB《电动汽车平安要求》6.2.1　整车绝缘电阻测试”所述双表法对车辆进行测试（图7）。主要丈量对象为万用表及电阻箱。详细测试步调如下：

图7 双表法测试对象

（1）先测试整车正、负极对地的电压U+、U-；

（2）因为泄电传感器中激励电源会周期性变向，导致测试电压颠簸，是以必要先断失落泄电传感器；

（3）在电压高的一端并上R0=1MΩ的电阻箱，再测试正、负极对地的电压U+’、U-’；

（4）依据公式：R=R0×（U+’/U-’-U+/U-）式1

可以求得整车绝缘电阻R的阻值。

经由过程测试可知，该车绝缘电阻为6MΩ左右，同时好天、雨天绝缘阻值无显著变化。

阐发缘故原由为：雨水仅在车身外部（未进入至后舱等电器布置空间），且雨水尚将来得及蒸发至车内空气中，是以未造成空气介电常数增年夜。

（三）磁场影响

跟着外界磁场变强，对绝缘阻值影响越年夜。假如情况中的外磁场较强，则应斟酌交变磁场发生的影响。在交流电路中，因为每个线圈都能发生交流磁场，以是，各元件之间因为磁场合发生的影响会造成较年夜的影响。例如，一台变压器的绝缘电阻为3700MΩ，但在强磁场下（例如阁下有电抗器），其绝缘电阻只有800MΩ。

（四）电场影响

当运行电压不正常，电压升高，游离电子在电场中游离速率进步，游离电子与晶格结点原子相撞，发生电击穿。

因为绝缘体之间可能形成电容，导致交流电通路，进而激发电流透露或影响电器元件。电场的影响可表示为导体间电容透露电流，这种电容性泄电会导致绝缘电阻值产生变化。

永劫间直流电压作用下，纵然电压远低于局部放电肇端电压，绝缘介质（如电缆绝缘层）内部进行电化学进程使介质老化，从而影响绝缘机能。

（五）经久及靠得住性

绝缘老化：资料随使用水平实时间变化而产生老化，导致绝缘机能产生弗成逆降落征象（击穿强度低落、介质损耗增长）。

为验证资料老化对车辆绝缘阻值的影响，经由过程车辆监控后台年夜数据对照同批次车辆在分歧行驶里程下的绝缘电阻，并以此树立散点热力求进行阐发（图8）。经由过程图像可知，几万公里的运营里程对车辆的绝缘电阻没有显著影响，该项对照实验仍需历久监控能力树立较为直观的影响趋向。

图8 行驶里程-绝缘电阻的散点热力求

四、现行绝缘监测计划

（一） 电桥检测法

（1）均衡桥检测法（图9）：

绝缘机能优越的环境下，正、负母线对地的绝缘电阻可以以为是相等的，正、负端子可作为两个桥臂，地可以作为一个桥臂，另外，可以在正、负母线之间串联两个等值的较年夜的电阻，两电阻之间是一个桥臂，如许就组成了一个均衡电桥电路。在地与串联的两电阻之间串上电流表，在绝缘优越的环境下，流过两桥臂之间的电流为零，一旦一端绝缘降落，电桥便失去均衡，电流表便有电流流过。

毛病：对构建的电路的准确度要求很高，另外，在正、负极绝缘机能同时低落时，电桥仍旧坚持均衡无电流，丈量禁绝确。同时并联均衡桥使车辆绝缘阻值降落。

（2）不屈衡桥检测法：毛病是车身地中性点偏移，且车辆绝缘阻值降落。在这里不作赘述。

（二）旌旗灯号注入法

（1）交流旌旗灯号注入法（图10）：将旌旗灯号经由过程电池的一端注入，将霍尔检测传感器加在负载上。正常环境下，负载线流入和流出的电流年夜小相等，传感器无旌旗灯号输出，当电池的正、负母线与地相接呈现绝缘故障时，部门交流电流经由过程接地电阻与地形成回路，负载线上流入和流出电流不再相等，传感器发出电压旌旗灯号警报。

该办法的长处是不低落绝缘阻值也不会使中性点偏移，可以或许检测出正、负母线绝缘电阻同时降落时的环境；毛病是交流旌旗灯号的注入不仅增年夜了直流供电体系的纹波系数，影响供电质量，并且交流旌旗灯号受到电路散布电容的影响，终极的检测精度不是很高。国网技术规范已提出，绝缘检测装配不宜对直流电源体系注入交流旌旗灯号。

（2）直流旌旗灯号注入法：经由过程PWM 旌旗灯号节制隔离变压器，分离给电池正、负母线与车体之间注入高压直流旌旗灯号，进行绝缘电阻的丈量。这种办法应用直流高压进行绝缘电阻的检测，可以或许进步检测的精度，然则刹时的高电压对付电路的冲击很年夜，电路布局繁杂，且PWM波的稳固性也存在问题。

（三）一种常用的绝缘监测原理阐发及优化

业内一种常用的绝缘监测计划使用低压直流旌旗灯号注入法。监测原理如下(图11)：R1为1MΩ，V1为双向48V电压源，切换频率为1Hz。R2为采样电阻，年夜小为3.6kΩ。U为泄电传感器内部正反向切换电压源，经由过程正反向切换48V电压源，算出R1\R2\Rx回路中的电流，进而计算出Rx：

图11 直流旌旗灯号注入法原理图

电压正向时，

Rx=（V1+V3）/I1-(R1+R2) 式2

电压反转时，

Rx=（V1-V3）/I2-(R1+R2) 式3

联合上述两个式子可知：

Rx=2V1/(I1+I2)-R1-R2 式4

此中I1和I2由泄电传感器MCU丈量，I1和I2经由过程V2/R2求得，上式中V3为等效绝缘电阻两头电压。

由上述原理阐发及现实测试成果可得出：

a.车辆现实绝缘阻值为高压正极绝缘阻值、高压负极绝缘阻值、泄电传感器电阻三者的并联值，而泄电传感器检测的仅为高压正负极绝缘阻值两者的并联值，比现实整车绝缘阻值要年夜，可能无法准确的起到泄电掩护的作用；

b.该检测原理只能检测到绝缘阻值降落但并不克不及区分是高压正极接地照样高压负极接地。同时泄电传感器电阻自身的接地风险为整车多提供了一种泄电工况；

c.一样平常环境下，正极绝缘电阻与负极绝缘电阻年夜小同等，使车身地电位处于电压平台中性点（0V左右），但因为泄电传感器电阻与负极绝缘电阻并联，导致现实整车负极绝缘电阻年夜幅降落，使得负极分压变小，导致车身地电位向负极偏移。以电平台560V为例，表示情势如下：正极共模电压为500V而负极共模电压仅为-60V（地电位为中性点时应为正负280V左右）；

d.从Y电容储能角度来说，因为W=0.5CU²，地电位的偏移造成的正极共模电压上升使正极储存电能呈指数上升，晦气于车辆电平安及尺度律例中0.2J的储能阈值；

e.充电时，车身地与远端电网地相接，因为电网地电位为0而车身地电位为负，则衔接刹时会有瞬时电冲击（N线、pe线）将车身地电位拉高至0，同时正负极两头的分压因为地电位变化而转变（负极分压增年夜正极分压减小），正极Y电容放电给负极Y电容充电，形成环流，可能造成三相不屈衡；

图12 充电地电位示意图

f.在现实环境中，因为车辆高压电器与车身地之间存在较年夜的寄生电容，会影响绝缘监测体系的计算成果。在一致绝缘电阻前提下，寄生电容年夜会导致电容充电光阴较长，是以在检测周期较短的环境下泄电传感器MCU检测到的电流I包括了电容充电电流而并非只是单一的透露电流，是以（I1+I2）的丈量数值会偏年夜，导致计算得出的RX小于车辆现实绝缘电阻值。

针对以上问题，提出以下步伐进行优化：

(1)经由过程计算将泄电报警的阈值进行恰当进步，经由过程足够的冗余来打消由泄电传感器电阻带来的数值误差；

(2)增年夜泄电传感器电阻同时在正极与车身地之间也接入一致年夜小的年夜电阻，在保证车身地电位为中性点时也不会对车辆绝缘电阻由较年夜影响；

(3)在管控零部件及整车Y电容（包括寄生电容）年夜小的同时，调整检测周期，使电容充电电流趋近于0便可保障绝缘阻值的检测精度。在现实测试中，对付Y电容较年夜的车辆使用永劫检测周期得出的绝缘阻值要显著年夜于短时检测周期得出的绝缘阻值。

五、结论

本文经由过程对绝缘电阻进行简单的先容，阐发了绝缘电阻的作用及相关影响因素，并对实车案例进行了测试及验证。无论是对付人体平安照样车辆电气机能，绝缘电阻都起着十分紧张的作用，必要工程师在产物和车辆的设计到临盆的全性命周期中都十分看重。在后续事情中晋升绝缘电阻在各类极度恶劣情况中的稳固性，具有重年夜意义。

参考文献

[1] GB/T 3048.5—2007，电线电缆电机能实验办法 第5部门: 绝缘电阻实验[S].

[2] 刘廷敏. 电力变压器的绝缘电阻丈量与阐发研讨[J]. 《电子测试》,2017(14).

[3] 史慧玲 魏学哲 戴海峰. 电动汽车电池包单点及多点绝缘模子及检測办法[J]. 《机电一体化》，2013(08).

[4] 林泽荣. 变压器制作中绝缘电阻偏低的缘故原由解析[J]. 《科技与立异》,2015(07).

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