电动汽车绝缘电阻检测方法分析及优化

PTCA(PART A :PHVS.TEST.)

IX)I：10.11973 lhjy-wl202105007电动汽车绝缘电阻检测方法分析及优化

高跃

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海201206)

摘要：为了提高电动汽车绝缘电阻检测方法的速度和检测结果的精度.提高车辆高压安全性，对比分析了常见的电动汽车动力电池及高压系统的绝缘电阻主动检测和被动检测方法的检测原理

和优、缺点，讨论了绝缘电阻检测精度的影响因素.并指出提高检测精度的措施，最终开发出了一种

集成式的电动汽车绝缘电阻在线检测方法。结果表明：绝缘电阻主动检测方法可以识别到正、负双侧同时发生绝缘失效的工况并计算出绝缘电阻值，但其耗时较长；绝缘电阻被动检测方法可以实时

判断车辆绝缘状态，但无法识别正、负两侧同时发生绝缘失效的情况，且无法准确检测出绝缘电阻值；改进后的集成式绝缘电阻检测方法可以兼顾车辆正常状态和发生绝缘故障时的绝缘电阻检测

结果的精度，提高了主动检测方法的精度.进而提高了车辆的高压安全性能。

东风小康k07二代

关键词：电动汽车；绝缘电阻；主动检测；被动检测；误差

中图分类号：U469.72 文献标志码：A文章编号：1001-4012(2021)05-0027-04

Analysis and Optimization of Insulation Resistance Detection

Method for Electric Vehicle

GAO Yue

(Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Abstract ：In order to improve the speed and accuracy of the insulation resistance detection method of electric vehicle，and improve the high voltage safety of vehicle. The detection principles, advantages and disadvantages of the com m o n active detection and passive detection methods of insulation resistance of electric vehicle power battery and high voltage system were compared and analyzed. The influence factors of insulation resistance detection accuracy were discussed，and the measures to improve the detection accuracy were pointed out. Finally, an integrated on-line detection method of electric vehicle insulation resistance was developed. The results show that the active detection method of insulation resistance can identify the insulation failure of positive and neg

ative sides at the same time and calculate the insulation resistance value, but i t takes a long time. The passive detection method of insulation resistance can judge the vehicle insulation state in real time, but can not identify the insulation failure of positive and negative sides at the same time, and insulation resistance value can not be detected accurately. The improved integrated insulation resistance detection method can give consideration to the accuracy of insulation resistance detection results in normal state and insulation fault, improve the accuracy of active detection method, and improve the high voltage safety performance of vehicle.

Keywords：electric vehicle； insulation resistance； active detection； passive detection； error

为了提高电动汽车驱动电机的功率.进而提高驱动电机的工作效率，现代电动汽车的动力电池组工作电压基本被提高到了 300 V以上，远远高于人

收稿日期：2021-02-22

作者简介：高跃（1982_)，女，T.程师，主要从事发动机开发、新体安全电压。由于工作过程中动力电池、驱动电机等高压零部件会受到机械振动、酸碱腐蚀、高低温等因素的影响，高压部件存在绝缘失效的风险，可能导致车辆故障、人员伤害、车辆起火等重大安全事故:1:。为避免如上风险，实时检测整车高压系统绝缘电阻的变化趋势，在发现绝缘电阻异常时及时切

能源驱动系统开发丁.作，*****************

高跃：电动汽车绝缘电阻检测方法分析及优化

高压正极

绝缘电阻I

绝缘I 电阻I HVDC -高压负极

S 1

偏置电阻^—4

Chassis

底盘地

S 2

^ I

偏置电阻|

二t /p 正极电压

R \

CPU

单片机

•负极电压

图1

高压系统绝缘电阻主动检测电路示意图

Fig. 1 Diagram of active detection circuit for

insulation resistance of high voltage system

霍夫定律联立方程，可以计算出整车绝缘电阻值为

尺i »=尺丨s o -=尺bias X (U m 〇/(J p 〇 —)。问理，如果％小于UN ，则可以计算得到= i ?l s o + =

尺 bias X

q7奥迪报价( L /p 〇/U "N 。—L /p /{J N )

。

1.2被动检测方法

被动检测方法不需要额外的检测电路，只需要实时的读取正、负母线电压值并对正、负电压值进行判断，即可得到绝缘电阻的变化趋势。由图1可知，分压电阻阻值与尺2+尺4相等，车辆系统正极对地和负极对地的绝缘电阻在正常情况下也是对称的，因此，电池组总电压被对称分布在正、负高压母线上。在车辆正常情况下.高压系统正极对地电压L /P 与负极对地电压l /N 的比值基本等于1。当车辆某一极对地绝缘电阻发生变化时，会导致两极对地电压不再对称分布，即UP /l /N 将大于1或小于1。因为高压系统正、负极电压可以通过电压检测单元实时检测，无需额外增加控制电路，因此.通过该比值进行绝缘电阻异常状态的检测的响应更快，可满足实时检测并报警的功能安全要求。对于该电压比例的报警阈值可以根据整车系统进行设计。

1.3

主动检测方法和被动检测方法优、缺点对比

通过对两种绝缘电阻检测方法原理的分析.得到该两种检测方法的优、缺点，如表1所示。可见主动检测方法耗时比被动检测方法的长，但是可以得到准确的电阻值，并可以识别到双侧同时发生绝缘失效的情况；被动检测方法虽然无法得到准确阻值，但是可以实时检测单侧绝缘失效。为了能满足上报绝缘电阻值和提高故障检测响应实时性的要求.通常将两种绝缘电阻检测方法联合使用。

断高压系统•通知驾驶员并准确地检测和上报整车绝缘电阻值将具有重要意义。为了进一步提高绝缘电阻在线检测的实时性和检测精度.笔者对现有常规检测方法进行了分析.确定了影响绝缘电阻检测精度的因素，并基于分析结果开发出了一种集成式的绝缘电阻在线检测方法。

1常规绝缘电阻检测方法

1.1主动检测方法采用主动检测方法进行绝缘电阻检测时，需要

为其开发对应的检测电路.通过场效应管(M ()S )开关等主动控制并入已知阻值的标准偏置电阻或注人电流等方式实现母线电压的偏移变化:2]，然后检测变化后的母线电压，计算得到车辆的绝缘电阻值。

目前电动汽车主要采用的是固定偏置电阻的主动式检测方法.且常见的主动绝缘电阻检测方法大多是根据GB/T 18384 — 2020《电动汽车安全要求第1部分：车载可充电储能系统（REESS )》的技术要求进行检测a 。该主动检测方法可以识别和计算车辆正极对地或负极对地的绝缘电阻值，当绝缘电阻值较低时也可以较为准确地计算绝缘电阻的阻值并及时上报报警信息。但是因为整车高压回路中电容等因素的存在，接入偏置电阻后，直流母线电压需要较长的时间才可以达到新的稳定值。因此，计算绝缘电阻值需要的时间较长，无法做到实时监控。对于突发的绝缘电阻异常情况无法及时报警并切断高压系统，不能完全满足功能安全的要求。

图1为高压系统绝缘电阻主动检测电路示意图，其中尺和为待测车辆正、负极对地的绝缘电阻.私和見为正极对地分压平衡电阻，尺2和尺，为负极对地分压平衡电阻。通过分压电阻，将动力电池包的正极和负极电压固定在对称值上，比如当电池包系统电压是380 V 时，正、负极电压均为190 V 。

开关S 1和S 2的闭合和断开通过M O S 自动实现，其计算时间也在毫秒级内。在控制偏置电阻的开关S 1和S 2均断开时，通过正、负极电压分压电路中的一部分电压U ，和U 2检测电池组的正、负极电压和(^，并比较UP 和队的大小关系，在较大电压的一侧，应闭合对应的偏置电阻开关以并入偏置电阻，然后检测偏置后的电压并计算绝缘电阻值。以正极电压较大的情况，即t /P 大于为例，闭合S 1开关以并联接人正极的偏置电阻i ? b ,a s，再次同时检测正、负极电压.得到和。，基于基尔

动力电池组

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表1

绝缘电阻主动检测方法和被动检测方法的优、缺点

Tab. 1 Advantages and disadvantages of active and passive detection methods for insulation resistance

检测方法检测速度检测结果失效工况电路设计

主动检测方法

10 s 以上

可得到绝缘

电阻具体阻值

可覆盖单边

失效、双边失效及双边对称失效需要单独设计电路

被动检测

方法

毫秒级

无法得到绝缘电阻具体阻值

无法检测到双边对称失效工况

无需额外设计电路

2绝缘电阻主动检测方法的检测精度

2.1绝缘电阻主动检测误差

新版GB/T 38661 — 2020《电动汽车用电池管

理系统技术条件》中增加了对电动汽车绝缘电阻值检测结果精度的要求，为满足该标准的要求.就需要到提高绝缘电阻检测精度的方法，进一步提高人车安全性。

绝缘电阻的检测过程相对较短，因此假设电池

包总电压U 保持不变。{^，(^，^^，{^。的检测相对误差分别为A I >，A N ，A P 0，A N 。，标准偏置电阻尺b i a s 的相对误差为。据误差理论的误差绝对值合成法可以得到尺,》〇的相对误差a r 和a k 分别为

4 1S O + I S O —A r .^ =^R |)ja s + (A p +A

p 〇

m 〇

(l +R h l J /R ^) (1)

A R i s o _ =A R W a s + (Ap + A n ) y . R b ia s /尺十

(A p 〇+A n 〇)X (1+ i ^b ia s / /i ?i s <r )-)

(2)

根据以上分析可知，绝缘电阻检测相对误差主要与标准偏置电阻检测误差、电压检测误差和标准偏置电阻与待测电阻的比值有关。根据对绝缘电阻检测相对误差分析，可通过如下两种方式提高绝缘电阻的检测精度。

(1)

海南马自达

选用精度高、温度漂移小、阻值适合的偏置

悦动图片电阻，以降低偏置电阻和待测高压系统绝缘电阻的

比值，进一步降低偏置电阻的相对误差h b l a s 。

(2) 4组电压检测结果的精度均会影响到最终检测结果的精度，所以应提高电压检测精度。

2.2偏置电阻选型设计

系统检测的总误差与标准偏置电阻和待测电阻的比值有直接关系。当只b ia s 《i ?,s )时，系统检测的误差最小。但是.过低的偏置电阻也会导致整车高压系统绝缘电阻的阻值显著降低，带来额外的失效风险，同时过小的偏置电阻也会带来巨大的电压偏

移。因此.偏置电阻的选型设计应遵循两个原则，(1) 偏置电阻不会显著降低原有系统的绝缘性能；(2) 可以提高绝缘电阻的检测精度，且能兼顾到整车正常状态下高绝缘电阻和故障状态下低绝缘电阻两种情况。

部分文献1]建议选型设计时参考系统标称电压，其电阻选型依据一般为1〇〇〜500

对于

标称电压在360 V 的电动汽车来说，偏置电阻为

180 k f l 时已经小于部分厂家设定的绝缘电阻报警阈值的下限。因此判断该偏置电阻的选型方法不合理，容易触发车辆发生绝缘电阻值低的误报警事件。

2.3电压检测精度的提升

电压检测精度的提升主要考虑两个方面，一方面是提高电压检测电路方面的检测精度.比如采用低温度漂移的电阻分压电路，增加多阶低通滤波电路，采用双积分、高分辨率的模数转换电路，主控单兀和检测电路采取光电隔离等措施；另一•方面，在问样大小的电压检测误差的前提下，被测电压数值越大，则带来的相对误差就越小，因此，对于并入偏置电阻前后检测得到的4组电压值，需要设计合适的电路，既要保证有足够的电压偏移量，以提高检测精度，又需要保证电压偏移后的母线电压

绝对值不能过低，以减小电压采样误差带来的影响。

以1 V 的电压采样误差为例进行说明，通过调整偏置电阻的阻值.对不同目标绝缘电阻的高压系统进行计算，可以得到不同偏置电阻电路对应的相对误差曲线。图2为偏置电阻对绝缘电阻检测结果产生的误差，横轴表示待测高压系统的真实绝缘电阻值；纵轴表示1 V 采样误差带来的相对误差，1 V 采样误差越大，表明检测误差越大；不同曲线为不同偏置电阻在不同待测绝缘电阻值下的误差。由图2可见，当待测系统绝缘电阻的

阻值大于1.8 Mf )时，检测电路采用2,3,4 Mf )的偏置电阻得到的车辆绝缘电阻值误差较小.而当待测车辆发生绝缘故障，即绝缘电阻偏小时，采用小阻值的偏置电阻则有利于降低相对误差。因此，由于整车状态不同，采用可变的偏置电阻进行绝缘电阻检测，可以提高检测精度，减小误差。

3改进后的集成式绝缘电阻检测方法

为了能同时兼顾整车正常工况下较高绝缘电阻

的检测和整车故障工况下较低绝缘电阻的检测两种情况，开发了集成式的绝缘电阻检测方法。该方法

理圯麵-物理分

高跃：电动汽车绝缘电阻检测方法分析及优化

HVDC +

高压正极

绝缘

电阻I

I t /p正极电压

偏置阻

I I

绝缘

电阻

车底盘

■f —4

S 2\ \S 4

u 2

HVDC -高压负极

R '

偏置电阻

I I I

%负极电压

图3改进后的高压系统绝缘电阻检测电路示意图 Fig. 3

Improved circuit diagram of insulation resistance

detection for high voltage system

采用该改进后的检测方法进行检测时，根据

待测车辆绝缘电阻的状态及被动检测结果，控制软件会自动并联接人合适的偏置电阻进行阻值检测。在车辆运行过程中，实时进行被动式绝缘电阻检测，实时比较正、负极母线电压。当被动检测方法发现正、负电压比值与1相差过大，则说明车辆发生了较严重的绝缘失效故障.车辆绝缘电阻阻值降低，则会并联接入较小的偏置电阻采用主动式绝缘电阻检测方法进行检测。而当正、负电压比值接近1，说明车辆基本处于正常状态，则会并联接人较大的偏置电阻采用主动式绝缘电阻检测方法进行检测。

0 1 2

3 4

绝缘电阻值/MD

图2

不同的偏置电阻对检测结果误差的影响

Fig. 2

Influence of different bias resistor on detection result ermr

是在图i 主动检测电路的两个绝缘电阻上分别增加一个可变阻值的偏置电阻，改进后的检测电路见

图3，同时，为了缩短整体检测的时间，又增加了被动检测。当被动式检测发现正、负电压比值与1的差异较大，即车辆有绝缘失效趋势时.才会触发绝缘电阻的主动式检测，可以大大降低绝缘电阻主动检测的计算频次，进而做到快速响应并报警。

+ 4MfJ 偏置电阻

--3MD 偏置电阻 —2MD 偏置电阻

1 Mfi 偏置电阻一 0.5 MQ 偏置电阻

实车测试结果

通过对整车手动并入固定阻值的电阻来模拟不

同的车辆状态，然后采用并人固定阻值的偏置电阻和可变的偏置电阻两种方法进行绝缘电阻的检测，结果如表2所示。可见对于固定偏置电阻的方案，

在偏置电阻较高(2 M fl )的情况下，整车绝缘电阻值较高时检测误差较小，而偏置电阻较的情况下，则在整车绝缘电阻值较低时检测误差较小。两种方案都无法兼顾车辆正常时的高绝缘电阻和车辆绝缘时的低绝缘电阻两种情况，与图2的分析结果一致。而采用集成式绝缘电阻检测方法，即采用可变的偏置电阻则可以兼顾该两种情况，绝缘电阻的检测结果精度较高，从而确保车辆正常状态和发生绝缘故障时都可以被及时而准确地检测，提高车辆高压电的使用安全性能。

表2

不同检测方案的实车测试结果

Tab. 2 Real vehicle test results of different detection schemes

检测方案

实际阻值/'MQ 6.000 3.000 1.0000.5000.200固定2 MQ 实测阻值/M O 5.871

2.9370.9720.4520.163偏置电阻

误差/%

2.15

2.10 2.809.6018.50固定0.5 M fl 实测阻值/M n 5.697 2.8740.9740.4890.192偏置电阻误差/%

5.05

4.20 2.60 2.20 4.00可变偏置

实测阻值/M n 5.870

2.9400.9730.4900.193电阻

误差/%

2.17

2.00

2.70

2.00

3.50

结论

电动汽车绝缘电阻主动检测方法可以识别到

正、负双侧同时发生绝缘失效的工况并检测出绝缘电阻值，但其检测过程需要一定时间，整体检测耗时较长。

绝缘电阻被动检测方法可以通过正、负极电压的比值对车辆绝缘状态进行实时判断，响应速度快，但无法识别到正、负两侧同时发生绝缘失效的情况，且无法得到准确的绝缘电阻值。

改进后的集成式绝缘电阻检测方法.增加了被动式绝缘电阻检测，通过实时比较车辆正、负母线电压

的比值来快速实时地判断车辆的绝缘状态；在主动绝缘电阻检测方法的基础上引人了可变偏置电阻的设计理念，可以同时提高车辆正常状态和车辆发生绝缘故障状态下的绝缘电阻检测结果的精度，进而提高车辆的高压安全性能。

CPU

单

动力电池组

洛栾高速(下转第34页

)

陈毓，等：气孔对不同M I G 焊铝镁合金焊缝凝固裂纹敏感性的影响

J D

孔，图5a )可以看到气孔聚集形成微观热裂纹，该两种现象均表明凝固裂纹与气孔有一定关系，因此

基于气孔形核理论，结合焊缝内部的气孔形貌，对气孔与凝固裂纹之间的关系进一步分析。由于微观热裂纹是具有曲率或锥度的沟槽，气孔形核所需的形核功小于平坦界面沟槽的[14]，因此裂纹尖端优先形成气孔并长大，然后裂纹中间位置出现气孔，最后晶体平面出现气孔。图4a )中明显可见气孔产生于裂纹尖端，图5c )和图5d )中可见裂纹尖端和裂纹中部也分布有气孔，因此判断焊缝微观热裂纹促进了气孔的产生，导致焊缝中气孔数量的增加。

双脉冲MIG 焊的振荡作用使气孔具有聚集到微观热裂纹附近的效果，气孔长大使裂纹边缘由平直线变为如图5d )中的不同曲率的弧线，此时由于气孔不停聚集，使气孔内部气压大于外部，液态低熔点共晶化合物无法流人枝晶间隙，枝晶间隙持续受到凝固收缩引起的拉应力作用，从而导致双脉冲MIG 焊焊缝凝固裂纹敏感性大于单脉冲MIG 焊的。

结论

(1) 5052铝镁合金脉冲M IG 焊接时，随单脉冲

电流的增加，焊缝凝固裂纹敏感性增大，焊缝区气孔数量由于初始氢溶解度增大而增多；双脉冲M IG 焊增加了焊缝凝固裂纹敏感性，但焊缝区的气孔数量比单脉冲焊的少。

(2)

双脉冲M IG 焊焊缝凝固裂纹敏感性比单

脉冲M IG 焊的大，是因为双脉冲电流的振荡作用使气孔更容易移动，使得气孔在微观热裂纹处优先形核和聚集，当微观热裂纹处的气孔不能释放和溢出时，将会导致此处气孔内部气压增大并阻止液态低熔点共晶化合物填充微观热裂纹，导致焊缝凝固裂纹敏感性增大。

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