电动汽车高压系统绝缘状态在线监测方法

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摘要

哈尔滨工业大学电气工程系、郑州宇通客车股份有限公司的研究人员张超、杜博超、崔淑梅、郑维、韩守亮，在2019年第12期《电工技术学报》上撰文，为了提高电驱动系统的高压安全性，设计适用于电驱动系统的在线绝缘电阻监测装置。

对该装置在电驱动系统运行过程中产生共模干扰的原因进行分析，并提出能够在线提取绝缘电压特征量的连续零矢量状态绝缘电阻检测法，解决在电驱动系统运行过程中受到电磁干扰而无法进行绝缘监测的问题，实现在静态和动态两种情况下高压系统与车体之间绝缘性能的监测。

通过实验验证了该方法的抗干扰能力且具有较高的检测准确度，对于保证电驱动系统的高压安全起到了重要作用。

相对于车载低压系统和车体绝缘，电动汽车的电驱动系统具有高电压和大电流的动力电路。电驱动系统与工业电机系统相比工作环境较为恶劣，高压系统的绝缘状态也会受到环境因素的影响。

例如，在电应力和热应力的作用下高压系统绝缘材料的性能会发生变化，从而导致电缆的绝缘强度下降；化学液体附着在绝缘材料表面而产生的氧化和分解等化学反应会改变材料的化学结构进而导致绝缘老化；汽车的振动造成电缆的磨损以及低温环境下绝缘材料变硬变脆，会使绝缘材料物理结构发生改变，导致发生绝缘失效故障。绝缘失效不仅会对电气系统的运行产生影响，更严重的是会发生人体触电的危险。

对于绝缘故障，目前的电动汽车主要采用的是被动式触电防护措施，而对于绝缘状态监测这类主动式防护措施尚处在研发及样车实验阶段。目前已经有几种适用于电驱动系统的绝缘在线检测方法。

例如：平衡电桥法是在正负母线上构建一个由等效电阻组成的电桥，当绝缘电阻发生不对称时，电桥失去平衡进而产生绝缘警告。平衡电桥法电路设计简单便于实现，但在检测功能上只能实现直流系统接地故障检测，不能确定对地绝缘电阻的大小，在发生正负极母线绝缘电阻同时下降的情况时无法检测。切换电桥法通过开关切换改变母线对地的绝缘电阻状态，计算出正负母线对地的绝缘电阻值，而电阻阻值的选取对检测结果的准确度影响较大，而且可能会出现母线对地绝缘电阻降低的风险。

上述两种在线检测方法在电驱动系统运行过程中，受到高压设备产生的电磁干扰会降低检测精度，出现误报绝缘故障的情况。

为了提高绝缘在线监测的抗干扰能力，文献[7]通过隔离变压器分别给正负母线与地之间注入700V直流高压，并通过测量分压电阻压降，对比分压比来计算正负母线对地绝缘电阻，同时也解决了电桥法在电源开路状态下无法检测绝缘电阻的问题。

文献[8]考虑到直流注入信号发生电路对系统电路的干扰，采用切换桥式法和高压信号注入法结合的方式，在开路时采用高压信号注入法，电驱动系统工作时采用切换电桥法，虽然可以实现实时检测，但仍然存在电磁干扰对测量的影响。

还有利用信号发生器向直流母线中注入2～10Hz信号的低频信号检测法，向直流母线中注入幅值相等的变频信号，通过建立各频率的方程，得出精度较高的母线对地绝缘电阻，而获得这样的结果需要对检测信号进行小波变换和信号提取等复杂的运算，对检测系统的处理器性能要求较高。

直流漏电流检测法可以不向直流母线中注入任何信号，直流量的测量结果不受母线对地寄生电容的影响，实现了母线漏电流的隔离检测。但是漏电流传感器在电动汽车复杂的电磁环境下产生的温漂和零漂问题，也会降低绝缘电阻的测量准确度，在应用中还需进一步改进。

鉴于此，本文提出了一种结构简单且抗干扰能力强的绝缘在线监测方法。

图1  高压系统结构

图9  绝缘检测实验平台

结论

本文通过对电动汽车电驱动系统实际运行状态分析，提出了一种电动汽车电驱动系统绝缘检测方法，实现了对绝缘电阻的在线提取，提出了零矢量状态下绝缘检测方法，避免了电驱动系统中共模干扰的影响。通过实验验证了该方法在电驱动系统运行过程中对绝缘状态进行监测的可行性和准确性。

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