電動汽車絕緣電阻檢測與不確定度分析

李文海 黃永博

摘要：介紹了電動汽車安全設計中核心指標絕緣電阻的測試機理，分析比對了GB/T 18384.1-2015及GB 18384-2020中采用單表法、雙表法的測試優缺點。依據現行標準，從多種測試影響因素出發，結合實車檢測對雙表法測試絕緣電阻的不確定度進行了分析。最后對電動汽車的絕緣電阻測量方法從理論和實踐兩個維度上展望。

關鍵詞：電動汽車；絕緣電阻；不確定度

中圖分類號：U472.9；G232 ?收稿日期：2023-12-04

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.021

1 前言

全球能源危機、大氣污染等問題一直是我國高度重視并積極采取措施應對的。在第七十五屆聯合國大會上，我國向國際社會莊重承諾“3060”目標。汽車工業作為支柱型產業所帶來的碳排放量、燃油消耗量、大氣污染物排放量不可小覷，大力發展新能源汽車、實現智能化、電動化改革是完成能源與交通領域綠色革命的主戰場之一。

純電動汽車具有高能效、零排放、低噪聲等優點，整車由動力電池組、電機、電機控制器、整車控制器、DC/DC、高壓配電盒等主要部件組成[1]。隨著技術發展，其采用的電機、電池等核心部件已步入800 V的平臺，對整車底盤及駕乘人員的觸電安全提出更高的要求。純電動汽車在日常復雜環境使用中，高壓動力線束的腐蝕受損會導致絕緣性能下降，從而引發動力電池組高壓導線透過絕緣層介質與底盤電平臺形成回路，危害性極大。當車輛高壓系統與底盤間多處接地點的絕緣性能嚴重下降，更會造成漏電短路，產生熱積效應，嚴重時甚至會造成整車電氣火災。

因此，作為整車開發設計電氣安全的核心指標[2]，絕緣電阻在國內外法規中均有嚴格的要求：根據高壓安全機理，電擊傷害的前提是電流達到2 mA（AC）或10 mA（DC）且電能超過0.2 J，在法規中車絕緣電阻至少大于500 Ω/V或100 Ω/V。實際整車產品研發驗證中會多次進行絕緣電阻的計算校核與測試驗證，而且應當將整車的絕緣阻值閾值設置遠大于標準要求。實時監測高壓系統對底盤的絕緣值，包括高壓動力電池組、驅動電機、電機控制器、DC/DC等部件，保證人員正常使用車輛安全運行的必要條件。

2 絕緣電阻測試原理及方法

2.1 絕緣電阻測試原理

絕緣電阻值為兩個測試點之間及其周邊連接在一起的各項關聯網絡所形成的等效電阻值。檢測絕緣電阻是為了評估電氣設備的絕緣性能。絕緣監測多采用低頻信號注入法，其基本原理是在其內部產生一個正負對稱的方波信號，通過絕緣監測儀連接端子與直流高壓系統和底盤之間的絕緣電阻構成測量回路，通過對采樣電阻上分壓的采集，計算得出絕緣電阻大小。

2.1.1 單表法

該方法是GB/T 18384.1-2015[3]中推薦使用，測量REESS即動力電池組兩側端子與電平臺之間的等效電路如圖1所示。

REESS電壓即為正負端與電平臺之間電壓之和，即：

[U1+U′1=UREESS] ??????????????????????????（1）

式中，[U1]為高壓側電壓；[U′1]為低壓側電壓；UREESS為REESS總電壓。

單表法顧名思義是采用單個萬用表分別測量REESS兩側的電壓值（圖2）。較高的一個定義為U1，較低的一個定義為[U′1]，相應的兩個絕緣電阻定義為Ri1和Ri2。

當Ri1和Ri2足夠小時，電壓表并聯后對電路帶來的電壓影響變化可以忽略。但隨著Ri1和Ri2逐漸增大，電壓表的并聯會使得被測端子阻值降低，測量電壓降低，在使用單表法測量時，前后兩次測得的電壓值U1與[U′1]之和會小于UREESS，且兩次測量是分開進行的，電路并不處于同一狀態，式（1）亦不成立，從而導致計算結果不準確。而在實際測試中，電動汽車的絕緣阻值數據往往在兆歐級別，盡管標準中有規定測量電壓的萬用表內阻值應大于10 MΩ，其并聯后對電路帶來的影響仍然不可忽略，故該測試方法無法得出準確的絕緣電阻數值。

2.1.2 雙表法

GB 18384-2020的修訂充分參考了UN GTR NO.20 的技術要求[4]，并結合國內產品的技術水平、應用場景以及測試經驗進行了修改?，F行的電動汽車安全要求標準中對于整車絕緣電阻檢測采用了雙表法，用相同的兩個電壓檢測工具同時測量REESS的兩個端子和電平臺之間的電壓。

使用雙表法測試時，其等效電路如圖3所示。雖然得出的電壓值仍為REESS兩側端子對電平臺絕緣電阻與電壓表內阻并聯后在回路中分壓后的結果，但無論Ri1和Ri2如何變化，式（1）是仍然成立的，測試中將電壓表內阻與絕緣電阻的并聯視為了一個整體，在后續公式的推導和計算中考慮了電壓表的內阻后，可得出更為準確的測量結果。

2.2 絕緣電阻測試方法

由于電動汽車的絕緣檢測功能往往會對絕緣電阻測試產生影響[5]，試驗前應將車輛的絕緣檢測功能關閉或將絕緣檢測單元從B級電壓電路中斷開。

采用并入偏置電阻的主動檢測方法，步驟如下：

a.使車輛正常上電至READY狀態，使用兩個相同且內阻值不小于10 MΩ的電壓表同時測量REESS兩端子與電平臺之間的電壓，當雙表示數穩定時，較高的一側記為U1，較低的一側記為[U′1]，其對應的絕緣電阻為Ri1和Ri2，根據標準定義，阻值較小的一側定義為絕緣電阻，即Ri2的側阻值為需要測得的絕緣電阻Ri與電壓表內阻r的并聯電路阻值，如圖4所示。

b.在電路中添置一個已知電阻R0，并聯在REESS的U1側端子與電平臺之間。再重復上述步驟中使用的兩個電壓表同時測量REESS的兩個端子與電平臺之間的電壓，讀數穩定后，測量值分別記為U2與[U′2]，如圖5所示。

3 不確定度分析

3.1 數學模型/評定方法的確定

由上文描述測試原理，根據歐姆定律可得：

[U1Ri1=U′1Ri2] ??????????????????????????????????（2）

[U2Ri1/R0=U′2Ri2] ??????????????????????????????（3）

[U1+U′1=U2+U′2=UREESS] ???????????????????（4）

式中，[U1]、[U′1]分別為REESS兩端子與電平臺間電壓的較高值與較低值，V；[U2]、[U′2]為并聯已知電阻后REESS兩端子與電平臺之間的電壓值，V；[Ri1]、[Ri2]為REESS兩端子與電平臺間的絕緣電阻與電壓表內阻并聯值，MΩ；R0為添加的已知電阻，阻值為1 MΩ。

由式（1）和式（2）消去Ri1，解方程組可將Ri2側絕緣電阻的表達式整理為

[Ri2=（U′2U2-U′1U1）] ??????????????????????????（5）

采用雙表法測量時，Ri2=（Ri/r），實際上需要測得的絕緣電阻Ri的計算公式應為：

[Ri=11R0（U′2U2-U′1U1）-1r] ????????????????????????（6）

式中，r為電壓表內阻值，為10 MΩ。

3.2 測量中的環境影響因素

在實際測試的過程中，影響絕緣電阻測試結果的環境因素較多，主要方面包括有溫度、濕度及放電時間，在試驗時應盡量消除這些因素的影響。

3.2.1 溫度

溫度會影響絕緣材料的電導率，一般來說，溫度升高會使得絕緣介質內部的極化加劇，電導率增加，使得絕緣電阻值降低。在試驗時，應記錄環境溫度，同時為了避免引入溫度修正系數使得計算復雜化，應盡量保證在恒定環境溫度下進行試驗。

3.2.2 濕度

濕度同樣會影響絕緣材料的電導率，在相對濕度較大的環境中，絕緣材料會因為受潮在表面吸附大量水分，使得電導率上升，絕緣材料的整體絕緣性能及耐壓強度降低。因此，應在相對濕度較低的環境下進行絕緣檢測試驗。

3.2.3 放電時間

放電時間會影響每次試驗后的剩余電荷量。每完成一次絕緣電阻的測試后，應將被試部分進行充分的放電，且放電時間應大于充電時間。如果試驗中形成的殘余電荷未完全放盡，在重復測量時，殘余電荷會影響絕緣電阻測試儀的輸出結果，當其極性與絕緣電阻測試儀的極性相同時，測得的絕緣電阻將比真實值增大；極性與絕緣電阻測試儀的極性相反時，測得的絕緣電阻將比真實值減?。?］。因為極性相同時，絕緣電阻測試儀由于同性相斥會輸出較少的電荷量；而極性相反時，絕緣電阻測試儀需要輸出更多的電荷去中和殘余電荷。為了消除剩余電荷量對測試結果的影響，在測試前和重復試驗前，都應將被試品進行充分的放電。

3.3 不確定度分析

3.3.1 REESS兩端子與電平臺之間的電壓測量值U1、U1′

在測量過程中由于電壓表測量重復性偏差引入的不確定度，采用A類不確定度評估。

在測量過程中由于電壓表測量允許誤差引入的不確定度，采用B類不確定度評估。

3.3.2 并聯電阻后REESS兩端子與電平臺之間的電壓測量值U2、U2′

在測量過程中由于電壓表測量重復性偏差引入的不確定度，采用A類不確定度評估。

在測量過程中由于電壓表測量允許誤差引入的不確定度，采用B類不確定度評估。

3.3.3 數字修約

測量結果數字修約引起的誤差，采用B類不確定度評估。

綜上所述，電動汽車絕緣電阻檢測結果的不確定度因果關系如圖6所示。

4 實車測試

選取一輛純電動樣車，在室溫26.3 ℃，相對濕度42%條件下，依據GB 18384-2020進行雙表法測試，選用的電壓表內阻為10 MΩ，并聯電阻R0為阻值1 MΩ的色環電阻，試驗樣車基本參數如表1所示。

屏蔽樣車絕緣監控設備，然后斷開樣車高低壓電源，拆開樣車高壓配電盒，將兩個電壓表負極接在高壓配電盒接地點上，正極分別接在負載主路的總正、總負兩處［7］。測試設備連接如圖7所示。

重復測試10次并記錄數據如表2所示。

5 絕緣電阻不確定度評估

5.1 各參數標準不確定度

5.1.1 端子電壓測量值U1的標準不確定度u（U1）

在實際檢測過程中，以多次測量的算術平均值作為檢測結果，故并聯偏執電阻前端子電壓測量值U1的A類標準不確定度uA（U1）為：

[uA（U1）=0.263=0.150（V）]

試驗中使用的電壓表，它的直流電壓測量精度為±0.09%，區間服從矩形分布，取包含因子[kU1=3]，則并聯偏執電阻前端子電壓測量值U1的B類標準不確定度uB（U1）為：

[uB（U1）=0.00093=0.00052（V）]

5.1.2 端子電壓測量值U1′的標準不確定度u（U1′）

在實際檢測過程中，以多次測量的算術平均值作為檢測結果，故并聯偏執電阻前端子電壓測量值U1′的A類標準不確定度uA（U1′）為：

[uA（U1′）=0.163=0.092（V）]

U1′使用同款電壓表，直流電壓測量精度為±0.09%，區間服從矩形分布，取包含因子kU1′=[3]，則并聯偏執電阻前端子電壓測量值U1′的B類標準不確定度uB（U1′）為：

[uB（U1′）=0.00093=0.00052（V）]

5.1.3 端子電壓測量值U2的標準不確定度u（U2）

在實際檢測過程中，以多次測量的算術平均值作為檢測結果，故并聯偏執電阻前端子電壓測量值U2的A類標準不確定度uA（U2）為：

[uA（U204）=0.163=0.023（V）]

使用的電壓表直流電壓測量精度為±0.09%，區間服從矩形分布，取包含因子kU2=[3]，則并聯偏執電阻前端子電壓測量值U2的B類標準不確定度uB（U2）為：

[uB（U2）=0.00093=0.00052（V）]

5.1.4 端子電壓測量值U2′的標準不確定度u（U2′）

在實際檢測過程中，以多次測量的算術平均值作為檢測結果，故并聯偏執電阻前端子電壓測量值U2′的A類標準不確定度uA（U2′）為：

[uA（U2′）=0.093=0.052（V）]

U2′使用同款電壓表，直流電壓測量精度為±0.09%，區間服從矩形分布，取包含因子kU2′=[3]，則并聯偏執電阻前端子電壓測量值U2′的B類標準不確定度uB（U2′）為：

[uB（U1）=0.00093=0.00052（V）]

5.1.5 數字修約

本次試驗中Ri=246.81（MΩ），Q修約到0.1（MΩ），區間服從矩形分布，包含因子krep=[3]，區間半寬arep=0.05（MΩ），則標準不確定度為：

[urep=0.053=0.029（MΩ）]

5.1.6 靈敏系數

c（U1）=3.8943 MΩ/V，為電壓測量值U1的靈敏系數，計算公式如下：

[c（U1）=?Ri?Ui=11+R20r2（U2′U2-U1′U1）2-2R0r（U2′U2-U1′U1）·R0U1′U12=3.8943（MΩ/V）]

c（U1′）=-3.9348 MΩ/V，為電壓測量值U1′的靈敏系數，計算公式如下：

[c（U1′）=?Ri?U1′=11+R20r2（U2′U2-U1′U1）2-2R0r（U2′U2-U1′U1）·R0U1′U12=3.9348（MΩ/V）]

c（U2）=-0.0032 MΩ/V，為電壓測量值U2的靈敏系數，計算公式如下：

[c（U2）=?Ri?U2=11+R20r2（U2′U2-U1′U1）2-2R0r（U2′U2-U1′U1）·R0U1′U12=243.1778（MΩ/V）]

c（U2′）=-0.0032 MΩ/V，為電壓測量值U2′的靈敏系數，計算公式如下：

[c（U2′）=?Ri?U2′=11+R20r2（U2′U2-U1′U1）2-2R0r（U2′U2-U1′U1）·R0U1′U12=2.1643（MΩ/V）]

不確定度匯總見表3。

5.2 不確定度評估

取包含因子k=2，則擴展不確定度U=2×5.6 MΩ=11.2 MΩ。

該樣車的絕緣電阻檢測在環境溫度為23.6 ℃時的結果為Ri=246.8 MΩ，其擴展不確定度為U=11.2 MΩ，k=2。

即Ri=（246.8±11.2）MΩ；k=2。

[Uc=c（U1）2u（U1）2+c（U1′）2u（U1′）2+c（U2）2u（U2）2+c（U2′）2u（U2′）2+c（B）2urep2=c（U1）2uA（U1）2+uB（U1）2+c（U1′）2uA（U1′）2+uB（U1′）2+c（U2）2uA（U2）2+uB（U2）2+c（U2′）2uA（U2′）2+uB（U2′）2+c（B）2urep2=5.6 MΩ]

6 結語

新能源汽車的絕緣性能是整車電氣化設計的基本要求，也是車輛安全性的重要工作之一，通過準確實時監測高壓系統對底盤的絕緣性保證車輛設備正常運作和汽車安全運行。本文重點介紹了現行強標中電動汽車絕緣電阻的測試方法，驗證分析了其原理及優缺點，并通過實車測試過程進行了不確定度分析。電動汽車的絕緣檢測在雙表法測試要求下，測試時間較長，受到影響因素較多，最終的結果波動較大。在今后的研究中應該進一步的優化測試方法，提高測試的穩定性。

參考文獻：

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[6]王德平，張天強.電動汽車安全性設計[M].北京：機械工業出版社，2020.

[7]吳志新，周華，王芳.電動汽車及關鍵零部件測評與開發技術[M]. 北京：科學出版社，2019.

作者簡介：

李文海，男，1989年生，工程師，研究方向為新能源汽車產品準入檢測及試驗。