新能源汽车电气绝缘检测和监测方法的应用
时间：2023-11-04 17:15:02 来源：小苹果范文网 本文已影响 人 
韩星星
(江海职业技术学院 机电汽车学院，江苏 扬州 225127)
目前，能源和供应链危机持续加剧，环境污染也日益严重。纯电动汽车具有高效、节能、环保、零排放的优点，已逐渐成为国内外汽车工业发展的方向。虽然新能源汽车在环保等方面都优于传统汽车，但是由于新能源汽车是新兴产品，所以需要不断测试其安全性能，其中电气绝缘检测则是重中之重。
电气系统是电动汽车的核心部件，因为不同应用管理系统存在些许差别，结合实际问题对其进行分类，具体可将电动汽车的电气系统分为低压系统和高压系统2个类型。
低压系统具有较高的可靠性。驱动电机等大功率部件由高压系统提供动力，高压系统研究的主要内容包括驱动系统、电力系统、电气工程设备等。驱动系统由电机、电机控制器和其他部件构成；
电力系统由数千节电池组成；
电气工程设备主要包含制动控制系统、转向管理系统、电空调设备和电加热系统。如果电动汽车的工作电压过高，高压系统和绝缘性能将对行车安全产生较大影响。
高压系统和部件涉及到绝缘问题，对于新能源汽车(尤其是混合动力汽车)而言，复杂的工作环境、振动、温度、湿度和部件老化极易影响整车的绝缘性能，导致其绝缘性能无法发挥出原有功效。在泄漏电荷形成回路时，电位高、电流热会对低压系统产生一定影响，严重时会引起燃烧，威胁驾乘人员的生命安全，因此必须定期进行现场电气绝缘检测。
通常情况下，将绝缘监测管理系统功能模块安装在动力电池系统中，但部分型号的电动汽车将绝缘监测模块的功能集成到电池管理系统(BMS)中，也有一些电动汽车直接使用绝缘监测模块。绝缘监测模块的主要工作原理为：动力电池的电流电路由正负极通过机箱和绝缘层形成。当整车的绝缘能力降低时，泄漏电流会不断增加。当泄漏电流达到一定值时，整车电气系统将不能正常工作，威胁驾乘人员的生命安全。因此，实时监测电动汽车高压系统的电气绝缘性能，能够保证驾乘人员的安全，同时使得车辆始终保持正常运行的状态。在国内新能源汽车企业的产品研发中，将母线工作电压分为直流正极母线底盘和直流负极母线底盘，以表征直流母线相对于其他车辆底盘的绝缘程度。但这种分压方法只能表征直流正负母线对底盘的相对绝缘程度，不能判断直流正负母线对底盘绝缘性能是否同步降低。
在分析传统无边界接地检测方法不足的基础上，提出了一种新的电压注入型有源绝缘电阻检测方案，彻底解决了正负母线对地对称绝缘故障无法检测的问题。对实际样机的分析和研究结果表明，该方案设计能够及时监测到车体与高压线路之间的绝缘系统故障，确保驾乘人员的安全。
新能源汽车的电气系统主要由电机设备、电气传动设备和电气控制设备组成。为了更好地将电气转化为电能，新能源汽车需要为电气系统提供更高的电压。为了更好地保证新能源汽车的正常使用，保护车辆和驾乘人员的安全，必须持续对电压实施绝缘检测和监测。采用绝缘技术消除高压危险，其核心是避免高压对车辆和驾乘人员造成伤害。绝缘体是一种低导电网络性能材料，一般的工作电压和电流绝缘后就不能继续传输，避免发生泄漏事故。
在新能源汽车的研发和使用中，绝缘体的绝缘性能受外部因素的影响，如长期使用会引起绝缘体老化。同时，电气设备的电磁干扰也会影响新能源汽车的绝缘性能。所以，应加强新能源汽车电气绝缘检测，以保证我国新能源汽车产业的可持续发展。
通常情况下，电气绝缘问题集中于高压系统。以新能源汽车高压系统为例，分析其电气绝缘性能。新能源汽车具有双电源结构，由锂离子电池组和燃料电池组并联组合而成。根据相关要求，新能源锂电池电压必须为388 V，工作状态下最高电压不超过420 V，否则容易引发锂电池爆炸，影响汽车的整体运行安全。
燃料电池组具有递减的输出特性，当新能源汽车电源输出电压由0增大至300 V时，其内部输出电压将转变为降低状态，由300 V降低至270 V。为了保证新能源汽车正常安全运行，需要增设斩波电路，确保燃料电池的输出特性可以在恒定压电和恒定功率之间相互转换，使锂离子电池组和燃料电池组协调工作，提高能源的利用率。其中，恒定功率和恒定电流是新能源汽车燃料电池电流输出和最大功率受到限制的重要原因。通常情况下，在经过变压器稳定电压后，电池管理系统会针对电压进行调整，使其可用于高压系统内的锂电池完成电压分配。
电动汽车高压控制系统兼顾控制空调管理系统与自动信息系统，将此类系统安装于底盘部位，且每个系统均配置单独的电路，但在底盘和系统件未连接电路时，整个高压系统呈关闭状态。
新能源汽车使用的材料不同于传统汽车，在保护生态环境方面，新能源汽车的材料优于传统汽车。但考虑到新能源汽车是新兴技术产品，为确保其安全运行，在其投入使用前，必须经过绝缘测试等一系列测试。新能源汽车电气绝缘检测和监测的工作原理是利用绝缘子保护电路。对于整个电力系统，任何部分的电路泄漏都会导致电力事故。电气绝缘检测和监测可以通过电流测量和功率测量来实现。电流测量方法主要是通过测试车辆高压电源的正负极，建立阻抗网络。例如，使用车身任意两点和电源正负极之间的连接来读取电流，如数值稳定，表明新能源汽车可以投入使用。
目前，各类汽车修理厂最常用的2种电气绝缘检测方法为电流感应法和电源法。
5.1 电流感应法
霍尔电流传感法是新能源汽车中常用的高压直流检测方法。在新能源汽车电气系统运行中，必须确保有效的电流来完成动力传递。检测系统的正负电极时可以使用电流传感器。如果电路中没有电流泄漏，则电流中正电子和负电子的数量完全相同，通过传感器的电流和电压数据始终为0；
反之，如果电路中存在泄漏，则正负电子的数量不同，且电流传感器将显示该值。根据电流的正负读数，可以判断新能源汽车是否存在电流泄漏。采用该方法，可以精准得到电路的绝缘性能值。但因传感器必须根据实时情况进行测试，电气系统需要一直处于运行状态，因此该方法具有一定的局限性。
5.2 电源法
我国广泛采用辅助供电方式，一般来说，新能源汽车会配备1个直流电压为110 V的备用电池。电池正极需要连接高压直流电源实施分析检测，电池的负极应连接到车辆外壳上，以确认新能源汽车是否具有良好的绝缘性能。如果电绝缘体稳定无泄漏，电池不会形成电流回路，电流为0；
当电力线绝缘层老化、环境潮湿时，电绝缘体失去功能，电池形成电流回路，通过闭合回路时会发生泄漏。利用该工作原理，将检测器安装在由绝缘体和电池系统组成的电路中，如果泄漏电流过大，报警装置会自动报警，并切断内部电源，以减少新能源汽车的损坏，确保驾乘人员的人身和财产安全。该检测方法可以有效地检测电气系统在非工作状态下的绝缘性能，但很难有效区分是由正极还是负极导致绝缘子泄漏。此外，该检测方法对直流电源有严格要求，要求直流电流为100 A，在一定程度上增加了检测管理难度。以上不足还需要对新能源汽车电气系统进行深入研究，并在实际操作中找到解决方案。
通常情况下，封闭的高压系统会产生电气绝缘问题。电气绝缘性能的最佳描述是电阻静止的绝缘容量，具体可以用电阻表示：电阻较大，绝缘状况较好；
电阻较小，绝缘状况较差。电阻可被称为绝缘电阻，检测绝缘电阻时可使用母线端电压法和电阻法。在车辆底盘和直流电源键上连接电阻，测量电阻经过的电流或电压，以此为基础计算获得绝缘电阻。但传统检测方法存在一定的局限性，例如：当母线两端接地时，难以精准得出绝缘电阻；
车辆处于电磁干扰状态时，绝缘电阻所获得的监测精度较低，易产生误差。
新能源汽车行业正逐步探索新的检测方法。在电动汽车高压电气系统中，利用电源的正极引线电缆和负极引线电缆对底盘的绝缘电阻进行检测来反映电气系统的绝缘性能。在连接电阻时引入处理单元构建阻抗电阻，利用电流和电压传感器测量电压与电流。在采集处理单元中，引入了英特尔(Intel)6位单片机。同时，单片机粗略判断通电后的和，并根据、和等效电阻的关系，通过控制三极管的通断来改变电源正负极间的和输出电流，计算正极绝缘电阻和负极绝缘电阻，检测绝缘电阻是否达到阈值，将获得的信息输入单片机。
电气绝缘性能的检测如图1所示。在实际运行过程中，会在某一范围内发生波动，但基本保持不变，三极管所生成的导流电压较小，可忽略不计。如三极管T接通后，连接电阻先与并联，再与串联。和表示相应的电压和电流，然后获得表达式=(+/)。类似的，当三极管T接通时，可以获得表达式=(+/)。当和关闭时，绝缘性能极低并将所获得的参数输入单片机。由此可见，该检测方法较为便捷，且易于操作，可精准判断绝缘电阻，精度也符合预期，满足电动汽车绝缘检测工作的实际需求。
图1 电气绝缘性能的检测示意图
新能源汽车将是未来汽车领域的重点发展方向，其研究、开发和生产引起了广泛的关注。新能源汽车企业可以依靠电气系统来保证汽车的安全和稳定，这对新能源汽车的推广具有非常重要的意义。为了确保驾乘人员的安全，必须对新能源汽车电气系统的绝缘性能实施有效检测，并深入研究绝缘子，避免绝缘不合格造成泄漏事故，提高大众对新能源汽车的接受度。
新能源汽车绝缘性能的新型检测方法简单，可以得到广泛的应用。在实际检测时，可通过该方法精准判断汽车底盘正负极绝缘性，在检测时运用单片机作为主要控制工具，便于编程，使检测结果精准可靠，获得的检测结果也有助于日常检修和维护工作。同时，汽车维修人员也应不断提高技术水平，跟上时代的潮流，助力新能源汽车的发展。
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