电动汽车,绝缘检测方法

电动汽车,绝缘检测方法

1绝缘相关概念

什么是绝缘?工程上一般意义的绝缘是指,为了隔离人、其他带电或者不带电结构,在带电器件表面包裹一层不导电物质的做法。不导电的物质被叫做绝缘材料。

比较不同绝缘材料或者系统绝缘能力的高低有几个参数:绝缘电阻、漏电流,一般用于表示绝缘测试结果。



绝缘电阻,绝缘介质所具有的电阻值,是衡量介质绝缘性能好坏的物理量,在常见的测量方式中,则表现为带电器件与壳体、大地等参考平台之间的电阻值,由于数值较大,单位常用“兆欧”表示。

漏电流,谈电气系统绝缘性能时,所指漏电流是系统内流过绝缘材料表面的电流,数值越大,说明系统绝缘性能越差,一般单位为“mA”。

2 电气绝缘失效的危害

电动汽车,与传统车相比,电子电气系统的比例大大增加。并且,电动汽车动力系统是以往不曾在汽车上使用过的高压系统,动辄几百伏的电压平台。因此电气绝缘是电动汽车高压安全的重要项目。根据相关标准中对人体安全电流的要求(DC 10mA,AC 2mA),GB-T 18384-2015 电动汽车 安全要求中规定,绝缘电阻最低要求:直流100Ω/V,交流500Ω/V。


电气系统如果出现绝缘失效,视程度不同,会造成累进的后果。系统中只有一个点绝缘出现故障,暂时对系统不会产生明显影响;出现多点绝缘失效,则漏电流会在两点之间流转,在附近材料上积累热量,遇到适当情形,可能会引发火灾。同时,影响电器的正常工作;最严重的情形,可能发生人员触电。当然,汽车的电气都在底盘等乘车人员一般无法触及的地方,最可能遇到触电危险的,可能是生产和维修人员。

电气系统绝缘失效的常见原因,除了设计和制造问题以外,一般包括:热老化,光老化,低温环境下的材料脆裂,固定不当引起的摩擦损伤等等。

3 电动汽车上的电气系统

电动汽车高压系统的电源动力电池包。系统中的负载电气包括:电机及电机控制器,空调、转向助力、刹车助力等。

在绝缘监测系统中,电动汽车上的电气系统按照电源和负载划分成两部分,绝缘阻值分别测量计算。



4 动力电池包对地绝缘检测方法

动力电池包,是有源系统,测量绝缘电阻的过程中,可以利用自身的电源。而普通的材料测量绝缘,则需要借助测量仪器的电源进行。

动力电池系统的绝缘电阻测量,主要有两类方法。一类是交流信号注入法,另一类是外接电阻法。交流信号注入法,指给动力电池正负极之间注入一定频率的低压交流信号,通过测量系统反馈,获得系统的绝缘电阻。缺点是,测试信号在系统中形成波纹干扰,影响系统正常工作。

外接电阻法,在正负极之间接入一系列电阻,利用电路中设置开关的通断,可以获得两个状态下电阻上的电压值,通过列出电路状态方程,两个方程联立接触动力电池正极对地和负极对地的电阻值,判断电池正负极对地绝缘情况。下面是4种外接电阻测量法的图示。

方法1



对称接入电路两组电阻,其中R1、R2、R3、R4为500k欧姆大电阻,R和R’是200欧姆小电阻。通过开关S的闭合和断开,调整R1的接入和切出,两次测量电池包正负极对地电压值。按照基尔霍夫定律,列出两次电路的方程,联立求解,求出电池包正负极对地的电阻。

方法2



与方法1思路类似,只是电阻的具体接法不同,且端电压测量的是外接电阻两端电压。同样可以根据开关S通和断两种情况,列出两个方程,求解电池包正负极对地电阻值。


方法3



与方法1思路类似,如上图所示。状态1,全部断开两个开关S1、S2,用电压表测量正负极对地电压;状态2,开关设置在外接小电阻电路上,闭合S1断开S2,再次测量正极对地和负极对地电压。这种方法,是当前被讨论最多的一种。

方法4



先分别测量电池包正负极端子对同一个电压平台电压;比较选取电压小的那一侧,并联一个已知阻值的电阻R0;再次分别测量正负极端子对电压平台电压;由此可以计算出电池包正负极中对电压平台电阻较小一侧的电阻值。


5 高压负载的绝缘性能检测

高压负载的绝缘性包含两个部分,一部分是高压负载对电气平台的绝缘性能,另一部分是高压负载对低压电路的绝缘性能。为了避免不相干因素的影响,测量需要遵守如下原则:

首先,确保与动力电池电源处于断开状态;

其次,断开电路中所有电源、辅助电源;

再次,测量点应全面覆盖所有外壳、框架;

最后,确保全部待测高压负载导电件完整连接。



测量方法,在高压负载的端子与车辆地之间或者高压端子与低压电路之间施加较高直流电压,检测两部分之间的漏电流,进而计算出绝缘电阻。测试情形如上图所示。


附录:动力电池包绝缘测试中,交流测试漏电流大于直流测试结果的问题

理想的绝缘材料是不导电的,认为绝缘材料内不具备自由导电粒子。当现实中的绝缘材料,导电和不导电具有相对性。两端加载的电压较低时,内部能够自由运动的带电粒子极少;随着电压的上升,导电粒子逐步增加,宏观上表现出来的就是泄漏电流越大。

考察正常工作状态的电气绝缘特性,此时的漏电流指有电源的电气工作过程中,电气的带电部分与不带电部分之间通过绝缘材料流过的电流。

漏电流由两部分组成,一部分是通过绝缘材料中带电粒子被电场驱动而产生的漏电流,另一部分是电气结构中存在的耦合电容通过充放电过程的推移而表现出来的漏电流,两部分的和构成了我们工作状态的泄漏电流或者测试过程中的漏电流。

由于耦合电容性质的漏电流的存在,其大小与加载电场的频率成正比,频率越高,漏电流越大。如果使用直流电压进行测试,等效电容一旦充满则电容特性引起的电流消失,因此直流耐压测试表现为初期短暂的电流上升,然后下降并趋于稳定。在动力锂电池系统中,电芯明天具有电容特性,因此交流耐压测试的漏电流就必然都大于直流测试的结果。



参考文献

1 王锦忠,电动汽车绝缘性能检测装置的研制;

2 张进,电动汽车动力电池绝缘检测系统的设计与实现;

3 魏帮顶,电动汽车电气绝缘检测方法探讨;

4 黄勇,电动汽车电气绝缘检测方法的研究;

5 樊晓松,动力电池系统高压电绝缘设计与测试;

6 田杨,基于ARM单片机电动汽车绝缘检测系统研究;


(图片来自互联网公开信息)

编辑于 2018-01-06