电动汽车泄露电流测试技术的研究

杨胜兵 ，徐锋 ，李珍珍 ，熊焱飞

（1.武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070；2.东风汽车公司技术中心，湖北武汉430056；3.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉430070）

0 引 言

电动汽车作为21世纪的新能源环保汽车，其市场化前景已经成为必然。随着汽油资源的消耗，电动汽车的急需要大力发展。而电动汽车安全性的分析与研究，建立电动汽车安全标准势在必行。随着全球一体化进程的不断推进，开发符合各种测试标准的电动汽车的安规测试仪也是必要的[1]。2001年，我国制定了GB/T18384.3-2001电动汽车安全要求人员触电防护，此标准规定了电动汽车在没有与外部供电电源相连时人员触电防护的要求。由于现在没有明确的电动汽车泄漏电流的标准，因此本文联系GB/T 18384.3-2001电动汽车安全要求人员触电防护标准与修订后的IEC61010标准，研究了泄漏电流，该测试系统为电动汽车泄漏电流的检测提供了技术支持。

电动汽车在充电及运行过程中可能由于高压而产生泄漏电流，对人造成伤害甚至致命。泄漏电流是指在没有故障和不另行施加电压的情况下，电器中相互绝缘的金属零件之间，或带电零件与接地零件之间，通过其周围介质或绝缘表面所形成的电流，当电流达到限定值并持续一定时间后，会对人造成伤害。因此，进行由于电动汽车高压电产生的泄漏电流测试是检验电动汽车安全性能的重要途径。

本文介绍了电动汽车泄漏电流测试的基本原理，设计了符合GB/T 18384.3-2001电动汽车安全要求——人员触电防护标准与IEC61010标准的电动汽车泄漏电流测试系统，性能稳定、重复性好。

1 泄漏电流测试原理

由于GB/T 18384.3-2001电动汽车安全要求人员触电防护标准中没有明确提出泄流电流的概念，所以本文参考IEC61010，泄漏电流的定义即在没有故障和不另行施加电压的情况下，电器中相互绝缘的金属零件之间，或带电零件与接地零件之间，通过其周围介质或绝缘表面所形成的电流，也包括当人体触及电器设备时，由设备经人体到达大地的电流或由设备经人体又回到设备的电流。流经人体的电流对人体造成的伤害主要与电流大小及持续时间有关，在限值选取中以最严酷的条件及持续时间较长条件来考虑。因此，各类电气安全标准对泄漏电流的限值都进行了规定，本文依据IEC61010中的相应规定作为电动汽车泄漏电流限值标准，标准中规定：设备的任意可触及导电部件上的泄漏的电压限值为33V有效值和46.7V峰值或70V直流；电流限值为正弦波0.5mA有效值；非正弦波或混合频率为0.5mA有效值、0.7mA峰值或2mA直流值，当频率超过1MHz时为70mA有效值，这与可能的较高频率烧伤有关[2]。

对电动汽车泄漏电流的测试，使被测电器接工作电源，工作电源的电压调到等于额定电压1.06倍，在电源的任意一极与易接触的金属部件或紧贴在绝缘材料表面的金属之间进行，金属箔面积不超过 20cm×10cm。测试的原理如图1所示[3]。

图1 泄漏电流测试原理图

由图1可知，被测电器相线A1（A）、零线B1（B）接工作电压。当开关K接通A点时，电压加在CB1之间，泄漏电流由相线A通过模拟人体网络和靠近B极的仪器外壳流入零线B1，当开关K接通B时，电压加在A1和C之间，泄漏电流由相线A1通过靠近A1极的仪器外壳和模拟人体网络流入零线B。由于电源两端与金属壳体之间绝缘材料的性质、形状、厚薄等均可能存在差异，使得开关K分别接通A、B时测得的泄漏电流值有差异，有的仪器可能相差很大，应取其中较大的数值作为测试结果。如果被测仪器不是通过隔离变压器供电，应采用绝缘性能可靠的绝缘垫与地绝缘。

由于加权的模拟人体阻抗网络频率因素曲线与实际人体感知电流阈值曲线吻合程度要高于其他的模拟人体网络，本测试所使用的模拟人体阻抗测试网络为加权的模拟人体阻抗网络（图2[4]）。

图2 加权模拟人体阻抗网络

2 系统设计

泄漏电流测试系统主要包括测试电源，交流接触器和继电器，模拟人体网络，电压跟随、量程切换、交流线性隔离电路、飞思卡尔9S12X128等部分组成，通过9S12X128实现模拟开关与采集控制卡的功能，图3为泄漏电流测试系统原理框图。

图3 泄漏电流测试原理图

泄漏电流测试中，计算机通过SSR控制交流接触器闭合，泄漏电流从仪器外壳通过测试表笔流经模拟人体阻抗网络后，通过继电器的切换，分别产生以相线和零线为电位参考点的电压信号，该信号通过电压跟随、量程选择和线性隔离电路后，转换成以系统地为参考点的电压信号，随后通过模拟开关送入计算机计算出泄漏电流值，取其中较大值与设定值进行比较，判定合格与否。

2.1 电源设计

IEC标准中规定，泄漏电流测试，需要对被测设备施加1.06倍的额定工作电压，目的是使被测仪器工作在一定的恶劣条件下测试可能会产生的泄漏电流，同时该电源还需要给被测仪器供电，因此该电源需要有足够的容量，还有一个要考虑的因素是安全性，需要在被测仪器短路的情况下起到保护仪器和电网的作用，综合以上一些因素，电源部分使用3000kW隔离变压器提供1.06倍或1.1倍的工作电压，即输入220V，输出233V或242V，这样能保证测试结果的准确性，否则，若被测仪器未能很好与大地隔离的情况下，在切换开关K与A、B点时，测得的值将过大和过小。即使被测仪器与大地绝缘，由于仍然存在一定的分布电容，同样会使测得值大和偏小。

2.2 模拟人体阻抗网络设计

模拟人体网络采用图2的线路，考虑到被测仪器如果短路，测试电压将完全加在模拟人体网络上，因此所选用的电容和电阻都需要具有一定的耐压值和功率。

具体计算如下，当短路时，测试网络的电流值可能达到

所以，考虑到要留有一定的余度，此处选择25W的电阻。以此类推，各个电阻的功率：Rs为1500Ω/25W；Rb为500Ω/5W；R1为10kΩ/5W。

电容的选用主要考虑耐压值，考虑到接触器开合时可能产生的冲击脉冲，因此选用的原则为工作电压的2～3倍，具体参数：Cs为0.22μF/630V；C1为0.22μF/630V。

2.3 线性隔离电路设计

在系统的设计过程中，被测试对象信号的隔离对整个系统的正常工作具有重要作用。信号采集部分通过模拟人体网络，使泄漏电流转化为电压信号，再通过一级放大电路输入数据采集卡，由于采样信号是以相线或零线为电位参考点，而A／D处理和计算机的电位参考点为大地，这就使得信号采集部分与信号处理部分必须进行电气隔离[5]。

设计了由线性光电耦合器和低零漂精密运算放大器组成的交流线性隔离放大电路，线性光耦合器选用一种精度高于0.1%的安捷伦HCNR201光耦合器，它有超过1500V的绝缘隔离电压，用在输出端和伺服光耦合器之间。该产品持续输入电流是40mA，瞬时电流为400mA（频率响应为140kHz）。其具体应用电路如图4所示。

图4 线性光电耦合器

2.4 测试软件流程图

泄漏电流测试分为动态测试和静态测试，当被测仪器零线和相线均闭合时，为动态测试；当其中任意一相断开时，为静态测试。动态测试时，需要切换继电器使模拟人体网络与零相和相线分别接通，取最大值为测试结果。静态测试时，若被测仪器零线断开，则切换继电器使模拟人体网络与零线接通测量，若被测仪器相线断开，则切换继电器到相线测量，取二者最大值为测量结果。测试的部分流程图如图5所示。流程图中L极为相线，N极为零线，I1，I2分别为不同状态下的泄漏电流值。

图5 测试部分流程图

3 实验结果及分析

用ZX117A型可调高压电阻箱作为被检物体，在测试回路中串接4位半数字电流表测试被测物的泄漏电流I，并与本系统测得的泄漏电流比较，以I为标准检验本系统泄漏电流测试的准确性。在本实验条件下、泄漏电流频率为50Hz，模拟人体网络的滤波作用可以忽略。

3.1 频率响应实验

由于泄漏电流一般包含高频成分，而且不同频率电流对人体的影响不同，因此测试系统应具有较好的频率响应。实验方法是在模拟人体网络上通过信号发生器施加不同频率的电压信号，将输出电压的测试值与理论值进行比较，测试结果见表1。

从表1中可以看出，模拟人体网络频率特性与理论值之间误差较小，当频率改变，采样值相应变化，符合人体特性。

3.2 泄漏电流测试准确性测试

用ZX117A型可调高压电阻箱作为被检物体，在测试回路中串接4位半数字电流表测试被测物的泄漏电流I，并与本系统测得的泄漏电流I测比较，以I为标准检验本系统泄漏电流测试的准确性。在本实验条件下、泄漏电流频率为50Hz，模拟人体网络的滤波作用可以忽略。测试数据见表2。

从表2数据中可看出，误差小于1.5%，标准差为0.005，实现测试要求。

表1 模拟人体网络频率特性表

表2 泄漏电流测试精度数据

4 小 结

该电动汽车泄漏电流测试系统符合GB/T 18384.3-2001电动汽车安全要求人员触电防护标准中对触电防护要求，符合IEC61010标准，性能稳定、重复性好；通过9S12XS128实现测试控制一体化，超标报警等功能，系统工作稳定，数据重复精度高。

[1]Kantor，Ivan1，Ali1.Air quality and environmental impacts of alternative vehicle technologies in Ontario，Canada[J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（10）：5145-5153.

[2]International Standard IEC61010-1（2001-02），Safety Requirements For Electrical Equipment For Measurement，Control And Laboratory USE-Part 1：General Requirements[S].

[3]陈丽花.泄漏电流测量[J].福建技术监督，2001（3）∶50-51.

[4]GB4706.1-1998，家用和类似用途电器的安全第一部分：通用要求[S].

[5]徐淑华，宫淑贞.电工电子技术[M].北京：电子工业出版社，2003.