探究电动汽车绝缘监测的原理与必要性

　　一、前言

　　当前，能源危机和环境污染与日俱增，发展高效、节能、零排放的清洁型纯电动汽车已成为国内外汽车工业发展的必然趋势。相比传统燃油车，电动汽车内含有高压部件，包括电机控制器、动力电池、电动压缩机和 DC/DC 等。这些高压部件都会涉及到绝缘问题，且电动汽车工作环境复杂，振动、温度、湿度以及部件老化等都会使整车绝缘性能下降。动力电池正负极通过绝缘层与底盘构成电流回路，当整车绝缘下降时，整车漏电电流就会增大，漏电电流达到一定值时，就会危及乘客安全以及整车电气系统的正常运行。因此，实时监测电动车辆高压系统对车辆的电气绝缘性能，确保车辆在绝缘状态下运行，对保证乘客人身安全、电气设备正常工作以及车辆安全运行具有重要意义。

　　二、相关标准法规

　　有关国内、国外的电动汽车电气安全防范相关标准法规有很多，汇总如表 1所示，这些法规标准对于安全要求大致相近，主要以高压动力电池防护为核心，衍生出相关防护条款，各标准法规都有详细的电动汽车绝缘阻抗的测量方法介绍以及相关规范说明，标准中对于绝缘性能评估都有一个评判关键指标-绝缘强度（Ω/V），国外标准大都采用≥500Ω/V，国内其采用≥100Ω/V。其中，GB/T 18384.3-2015 电动汽车安全要求 第 3 部分：人员触电防护中 6.7 规定在最大工作电压下，直流电路绝缘强度≥100Ω/V；SAE J1766 中 4.4.3 规定在系统标称电压下，直流电路绝缘强度≥500Ω/V。

　　表 1 标准法规

　　标准名称标准号

　　EN1987-1、1987-2、1987-3

　　FMVSS/CMVSSNo.305

　　GB18384.1、18384.2、18384.3

　　ISO6469-1、6469-2、6469-3、23273-3

　　SAEJ1766/2344

　　JISD5305-1、D5305-2、D5305-3

　　有关电动汽车零部件电气安全防范国内相关标准包括 GB/T 18488.1-2015、 GB/T 24347-2009 以及 GB/T 31467.3 等。其中 GB/T 18488.1-2015 中 5.2.7.3 规定驱动电机控制器的冷态与热态绝缘阻抗均不小于 1MΩ（以 540V 电压平台为例，对应绝缘强度接近 2000Ω/V）。GB/T 24347-2009 中 5.6 规定 DC/DC 绝缘强度≥500Ω/V。GB/T 31467.3 中 5.1.5 规定动力电池包绝缘强度≥100Ω/V。从上述国标分析可得，各个零部件对绝缘强度的要求相差较大，有的甚至接近整车的绝缘强度要求。实际上，整车高压系统包含多个部件，主要包括电机、电机驱动器、动力电池、PDU、电动压缩机、DC/DC、制动以及转向控制器等。如果各个零部件厂商按照国标对绝缘强度要求规定 100Ω/V，那么整车各零部件总的绝缘阻抗远就会低于 100Ω/V，整车绝缘阻抗不满足国标绝缘要求。

　　结合国内零部件指标现状，在对整车绝缘强度指标设定时，整车绝缘强度应高于国标之要求，各零部件的绝缘强度应高于整车一个等级。这样，整车总的绝缘强度才不至于超标，才能确保车辆的安全。这也是国外标准为何将整车绝缘强度指标定为≥500Ω/V，远高于国内指标的缘由。

　　三、绝缘监测原理

　　绝缘监测工作原理主要包括电流传感法、对称电压测量法、桥式电阻法、低频信号注入法等。其中低频信号注入法应用最为广泛，系统拓扑图见图 1。在其内部产生一个正负对称的方波信号，通过绝缘阻抗监测仪连接端子与直流高压系统和底盘之间的绝缘电阻 RF 构成测量回路，通过对采样电阻上分压的采集，计算得出 RF 大小。

　　图 1 低频信号注入法系统拓扑

　　实际车辆正常运行时，测出的绝缘阻抗包含直流以及交流成分。交流成分与整车系统的分布电容、杂散电感有关。不同零部件构成的系统等效的阻抗特性会不同，也会随着测试工况、测试环境而有所差异。电动车系统中，电机在不同转速下对应的电频率不同，因此系统容抗、感抗会随着测试转速不同而变化。电机绕阻对电机壳体的分布电容也会随着转速以及环境温度的变化等而发生变化。因此，系统本身的阻抗特性是会随着系统的运行而时刻发生改变，所测出的绝缘阻抗值成动态特性。

　　四、绝缘强度区域

　　一般将绝缘强度区域分为五个，包括高安全区域、安全区域、一般漏电告警区域、严重漏电告警区域以及高危害区域；绝缘强度监测区域包括安全区域、一般漏电告警区域、严重漏电告警区域三个区域。见图 2 所示。

　　图 2 阻抗监测区域定义

　　各区域定义如下：

　　高危区域：车辆绝缘严重受损、危及人身安全。

　　严重告警区：红色区域，存在绝缘问题；

　　一般告警区：黄色区域，此区域存在轻微漏电现象；

　　安全区域：绿色区域，不存在绝缘问题。

　　高安全区域：绝缘极好。

　　其中严重漏电阀值区与一般漏电阀值区为临界区域，在此区域内可以通过软件算法设计，根据国家标准及整车的指标进行报警设计。业内不同厂家对监测区域中严重漏电阀值、一般漏电阀值的设定值不一样。例如：某国内知名电动汽车制造商对监测区域中漏电阀值分别设定为 1MΩ、5MΩ；也有零部件厂商对其值分别设定为 200 kΩ、500 kΩ。

　　根据上述文中提到绝缘阻抗包含直流以及交流成分，现从这两方面以 540V（一般电压范围为 420V-630V）系统电压为例，对 1MΩ、5MΩ漏电阀值进行评估分析。

　　（1） 直流成分

　　对应的直流漏电流分别约为 0.5mA、0.1mA。其指标远高于 IEC/TR2 60497-1中提到人体没有任何感觉的阀值直流电流为 10mA 的指标之要求。

　　（2） 交流成分

　　GB/T 18488.1-2015 中 5.2.8 规定系统最大电压 Umax＞500V，系统耐电压至少需满足（2Umax+1000）V（AC）。对应的交流流漏电流分别为（2*630V+1000V）/1MΩ、（2*630V+1000V）/5MΩ即为 2.5mA、0.5mA。其指标也高于 IEC/TR2 60497-1中提到人体没有任何感觉的阀值交流电流为 2mA 的安全指标之要求。

　　实际对整车绝缘阻抗漏电阀值评估时，应综合考虑交、直流成分，保证整车电气绝缘性能，满足电动汽车安全需求，如果绝缘阻抗漏电阀值设置过低会降低车辆安全监测预警裕度，故应对漏电进行提前报警（增大漏电阀值）更为合理。

　　五、绝缘监测精度

　　一般绝缘阻抗监测仪的监测范围为 0-30 MΩ，监测范围较宽。在这么宽的监测范围内要保证绝缘阻抗监测仪全量程范围的精度很难。绝缘阻抗监测仪为监测设备，而不是精准的测量仪器，只需保证监测区的绝缘强度监测数据的准确性、满足测量精度之指标要求即可。

　　实际在进行绝缘监测产品设计时，既要考虑宽范围量程，又要考虑如何在宽范围量程条件下保证产品的监测精度。因此需要在这两方面取舍。对于图 2 中高危害区和高安全区，对于这两个区域的监测精度要求可以放低。重点应该对图 2中严重漏电阀值区与一般漏电阀值区之间的区域的监测精度严格把控。

　　六、结论

　　本文以国际、国内相关电动汽车绝缘阻抗标准法规为依据，从监测原理、监测区域以及监测精度角度探讨和分析了电动汽车绝缘阻抗监测问题，得出以下结论，这对于整车厂或零部件厂商进行绝缘监测设计提供参考。

　　（1） 整车绝缘强度应该高于国标 100Ω/V 要求，建议不低于 500Ω/V 为佳；

　　（2） 为了保证整车电气绝缘性能，对漏电应该提前进行报警更为合理；

　　（3） 重点保证漏电阀值附件区域监测精度，其它区域能够准确识别即可。