【導讀】電動汽車是一個復雜的機電一體化產(chǎn)品，其中的許多部件包括動力電池、電機、充電機、能量回收裝置、輔助電池充電裝置等都會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、酸堿氣體的腐蝕、溫度及濕度的變化，都有可能造成動力電纜及其他絕緣材料迅速老化甚至絕緣破損，使設備絕緣強度大大降低，危及人身安全。
目前發(fā)電廠、變電站等場所直流高壓系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測技術(shù)有多種方式，但都存在一些缺點，如繼電器檢測方式靈敏度低，平衡電橋法在正負極絕緣同時降低時不能準確及時報警，注入交流信號法不僅會使直流系統(tǒng)紋波增大，影響供電質(zhì)量，而且系統(tǒng)的分布電容會直接影響測量結(jié)果，分辨率低。與電力系統(tǒng)直流絕緣監(jiān)測不同的是，電動汽車直流系統(tǒng)電壓等級涵蓋90～500V的寬范圍，而且運行過程中電壓頻繁變化。文中提出的利用端電壓監(jiān)測系統(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，完全適合在電動汽車上應用。
二、絕緣電阻測量
原理電動汽車的絕緣狀況以直流正負母線對地的絕緣電阻來衡量。電動汽車的國際標準[1]規(guī)定:絕緣電阻值除以電動汽車直流系統(tǒng)標稱電壓U，結(jié)果應大于100Ω/V，才符合安全要求。標準中推薦的牽引蓄電池絕緣電阻測量方法適用于靜態(tài)測試，而不滿足實時監(jiān)測的要求。
文中通過測量電動汽車直流母線與電底盤之間的電壓，計算得到系統(tǒng)的絕緣電阻值。假設電動汽車的直流系統(tǒng)電壓（即電池總電壓）為U，待測的正、負母線與電底盤之間的絕緣電阻分別為RP、RN，正、負母線與電底盤之間的電壓分別為UP、UN，則待測直流系統(tǒng)的等效模型如圖1中的虛線框內(nèi)所示。
圖1為電動汽車絕緣電阻測量原理，圖中RC1、RC2為測量用的已知阻值的標準電阻。工作原理如下:當開關(guān)S1、S2全部斷開時，測量正、負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）
當開關(guān)S1閉合、S2斷開時，則在正母線與電底盤之間加入標準偏置電阻RC1，測量正、負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、測量結(jié)果誤差分析
由上述計算公式可知，絕緣電阻RP、RN的具體數(shù)值由4個測量電壓值和已知標準電阻計算得到，最終結(jié)果的精度與電壓測量和標準電阻的精度直接相關(guān)。另外，開關(guān)動作前后，電池電壓隨汽車加、減速的變化對結(jié)果的影響也應分析。
（一） 測量參數(shù)對精度的影響
假設電池總電壓U保持不變，UP0、UN0、UPP、UNP的測量相對誤差分別為γp0、γN0、γpp、γNP，標準電阻RC1的相對誤差為γRC，待測的RP、RN的實際值為RP0、RN0，且在測量過程中保持不變，根據(jù)誤差理論的誤差絕對值合成法[3]可以得到RP、RN的相對誤差γRP、γRN分別為:
分析可知，系統(tǒng)的總誤差與標準電阻阻值和被測電阻之間的比例有直接的關(guān)系。當RC1nRP0時，系統(tǒng)的測量誤差最小。此時假設標準電阻的誤差可以忽略不計，電壓測量誤差γp0=γN0=γpp=γNP=γV，如果要求計算結(jié)果的總誤差γ≤5%，則電壓測量的誤差必須滿足γV≤1125%。
然而，電動汽車在實際長期運行過程中系統(tǒng)的絕緣電阻是變化的，而且RC1阻值不可能很小（否則直接降低了電動車的絕緣狀況），阻值可以在靜態(tài)測量時的100～500Ω/V之間選擇，因此實際誤差要更大。例如，對于標稱300V的電動汽車直流系統(tǒng)，選擇RC1=30kΩ，若要求絕緣電阻在最小值30kΩ時也滿足測量結(jié)果誤差小于5%，則必須使電壓測量誤差小于0.625%。
（二）電池電壓瞬變的影響
電動汽車的絕緣電阻一般來講是緩變參數(shù)，而測量過程很快，因此可以認為測量過程中實際待測絕緣電阻阻值保持不變。
假設利用式（3）、式（4）對應的檢測方法，在S1、S2全部斷開時電池電壓為U，U=UP0+UN0，而S1閉合、S2斷開時電池電壓為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。對于實際絕緣電阻不變的情況下，參照圖1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個電阻RP與RC1的并聯(lián)值，以下相同），該值在短暫的測量過程中可以作為恒值處理，但必須保證測量過程中對電壓UP0、UN0采樣的同時性和對UPP、UNP采樣的同時性，否則破壞了上述計算方法的正確條件。
四、系統(tǒng)設計
基于上述方法設計的系統(tǒng)，主要完成如下幾方面功能:正負母線對電底盤的電壓測量、標準偏置電阻的投切控制、報警參數(shù)設置、聲光報警電路、液晶顯示及通信。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
（一）偏置電阻的自動配置
標準偏置電阻的選擇應遵循以下原則:（1）基本不影響被測系統(tǒng)原有的絕緣性能；（2）要兼顧系統(tǒng)的測量精度要求；（3）根據(jù)系統(tǒng)電壓等級自動配置不同等級的標準阻值；（4）高精度，低溫漂系數(shù)。
系統(tǒng)的實際偏置電阻配置如表1所示。
（二）電壓測量電路
由上述分析可知，在標準偏置電阻確定的情況下，電壓檢測的精度直接決定了最終結(jié)果的精度。一般來講，電動汽車的標稱電壓在90～500V之間，運行過程中電池電壓存在一定的波動范圍，并且待測絕緣電阻也有一定的變化范圍，因此，通用型監(jiān)測系統(tǒng)的電壓測量電路必須保證在全范圍內(nèi)實現(xiàn)等精度的測量，而且正、負母線對地電壓的測量必須同時完成。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實現(xiàn)了等精度測量，主控單元與測量電路采用光電耦合器隔離。該種方法與采用LEM電壓傳感器的測量方案相比，克服了后者的溫漂、零點漂移等問題，同時避免了其需要的10mA左右的工作電流影響被測系統(tǒng)的絕緣性能的缺點。
正、負母線對地電壓的測量電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一致，其采集過程由CPU控制同時啟動轉(zhuǎn)換，滿足測量參數(shù)的同時性。
（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、性價比高、系統(tǒng)設計簡單，同時芯片支持背景調(diào)試模式和大容量存貯器擴展。FLASH存貯器具有快速編程能力，靈活的保護與安全機制，而且擦除和寫入無需外部加高電壓。
五、試驗結(jié)果
該系統(tǒng)分別在汕頭國家電動汽車試驗示范區(qū)和浙江萬向集團電動汽車開發(fā)中心的電動中巴車和電動轎車上進行了裝車運行試驗。
在汕頭的一輛中巴車上安裝系統(tǒng)時，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，因此報警值設定為11kΩ。系統(tǒng)接線完成后進入正常工作，馬上就發(fā)出聲光報警。
監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，正、負母線對車體的絕緣電阻分別僅為112kΩ和2kΩ，明顯低于標準規(guī)定的安全閾值，因此汕頭方面馬上對車進行了改造。這說明監(jiān)測系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)故障并通知使用者，提高電動車使用的安全性。
（一）試驗過程
試驗中利用CAN接口將測量參數(shù)與計算結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控筆記本電腦以記錄數(shù)據(jù)。具體試驗過程如下:首先，利用該系統(tǒng)測量試驗車輛自身固有的正負絕緣電阻RP0、RN0；然后，為了測試監(jiān)測系統(tǒng)的功能，在電動車實際運行過程中，人為地向正負母線分別并入一系列的標準電阻，改變電動車的絕緣電阻值，以測試系統(tǒng)針對不同的絕緣電阻值的測量情況。
（二）部分試驗數(shù)據(jù)
試驗準備階段，利用系統(tǒng)測量電動車的RP0、RN0，結(jié)果2個阻值都顯示為6.5MΩ。由于系統(tǒng)的測量阻值上限為6.5MΩ，當電阻的測量結(jié)果超出上限時系統(tǒng)也會顯示為上限值，因此說明試驗用電動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電阻；RNI為負母線與車體之間并入的試驗電阻；RPM為正母線絕緣電阻的測量值；RNM為負母線絕緣電阻的測量值；γP為正母線電阻測量結(jié)果與實際值的誤差；γN為負母線電阻測量結(jié)果與實際值的誤差；RPC為正母線絕緣電阻的理論計算結(jié)果；RNC為負母線絕緣電阻的理論計算結(jié)果；γPMC為正母線電阻測量結(jié)果與理論計算的誤差；γNMC為負母線電阻測量結(jié)果與理論計算的誤差。
根據(jù)上述測量數(shù)據(jù)及誤差計算可知:
（1）系統(tǒng)測量結(jié)果與理論計算的誤差γPMC、γNMC在±015%以內(nèi)。誤差主要是由計算過程的近似以及對測量參數(shù)的舍入處理造成的，兩者結(jié)果基本一致。
（2）系統(tǒng)測量結(jié)果與實際值之間的誤差γP、γN，在整個測量范圍都可以保證在±5%以內(nèi)，具有較高精度。
因此，在電動車的加速、減速、平穩(wěn)運行以及停車等不同工況下，對于不同的實際絕緣電阻狀況，系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠工作，并且能夠保證±5%的測量精度，滿足設計要求。
六、結(jié)論
絕緣電阻在線監(jiān)測方法可以完成實時在線監(jiān)測電動汽車的絕緣電阻，現(xiàn)場裝車運行試驗到目前為止一直正常運行，無論是系統(tǒng)的檢測精度還是抗干擾能力都取得了較為滿意的結(jié)果。
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