【導讀】電動汽車是一個復雜的機電一體化產品，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。
目前發電廠、變電站等場所直流高壓系統的絕緣監測技術有多種方式，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紋波增大，影響供電質量，而且系統的分布電容會直接影響測量結果，分辨率低。與電力系統直流絕緣監測不同的是，電動汽車直流系統電壓等級涵蓋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測系統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]規定:絕緣電阻值除以電動汽車直流系統標稱電壓U，結果應大于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測試，而不滿足實時監測的要求。
文中通過測量電動汽車直流母線與電底盤之間的電壓，計算得到系統的絕緣電阻值。假設電動汽車的直流系統電壓（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，則待測直流系統的等效模型如圖1中的虛線框內所示。
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、測量結果誤差分析
由上述計算公式可知，絕緣電阻RP、RN的具體數值由4個測量電壓值和已知標準電阻計算得到，最終結果的精度與電壓測量和標準電阻的精度直接相關。另外，開關動作前后，電池電壓隨汽車加、減速的變化對結果的影響也應分析。
（一） 測量參數對精度的影響
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系。當RC1nRP0時，系統的測量誤差最小。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，選擇RC1=30kΩ，若要求絕緣電阻在最小值30kΩ時也滿足測量結果誤差小于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，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、系統設計
基于上述方法設計的系統，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、報警參數設置、聲光報警電路、液晶顯示及通信。整個系統的硬件結構如圖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原有的絕緣性能；（2）要兼顧系統的測量精度要求；（3）根據系統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。
系統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，通用型監測系統的電壓測量電路必須保證在全范圍內實現等精度的測量，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，結合雙積分型高分辨率的A/D實現了等精度測量，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的絕緣性能的缺點。
正、負母線對地電壓的測量電路的結構和參數完全一致，其采集過程由CPU控制同時啟動轉換，滿足測量參數的同時性。
（三）系統核心——CPU
CPU選用Motorola推出的HCS12系列16位MCU29S12DJ64[4]，內部除中央處理單元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、系統設計簡單，同時芯片支持背景調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、試驗結果
該系統分別在汕頭國家電動汽車試驗示范區和浙江萬向集團電動汽車開發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。系統接線完成后進入正常工作，馬上就發出聲光報警。
監測發現，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。這說明監測系統可以及時發現故障并通知使用者，提高電動車使用的安全性。
（一）試驗過程
試驗中利用CAN接口將測量參數與計算結果發送給監控筆記本電腦以記錄數據。具體試驗過程如下:首先，利用該系統測量試驗車輛自身固有的正負絕緣電阻RP0、RN0；然后，為了測試監測系統的功能，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，以測試系統針對不同的絕緣電阻值的測量情況。
（二）部分試驗數據
試驗準備階段，利用系統測量電動車的RP0、RN0，結果2個阻值都顯示為6.5MΩ。由于系統的測量阻值上限為6.5MΩ，當電阻的測量結果超出上限時系統也會顯示為上限值，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，記錄相應結果，如表3所示。
表中參數意義如下: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果與實際值的誤差；γN為負母線電阻測量結果與實際值的誤差；RPC為正母線絕緣電阻的理論計算結果；RNC為負母線絕緣電阻的理論計算結果；γPMC為正母線電阻測量結果與理論計算的誤差；γNMC為負母線電阻測量結果與理論計算的誤差。
根據上述測量數據及誤差計算可知:
（1）系統測量結果與理論計算的誤差γPMC、γNMC在±015%以內。誤差主要是由計算過程的近似以及對測量參數的舍入處理造成的，兩者結果基本一致。
（2）系統測量結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，具有較高精度。
因此，在電動車的加速、減速、平穩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，系統可以穩定可靠工作，并且能夠保證±5%的測量精度，滿足設計要求。
六、結論
絕緣電阻在線監測方法可以完成實時在線監測電動汽車的絕緣電阻，現場裝車運行試驗到目前為止一直正常運行，無論是系統的檢測精度還是抗干擾能力都取得了較為滿意的結果。
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