电动汽车绝缘电阻测量及其误差分析

叶方标，冯赞，毛荣琴，王勇

（1.重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122；2.重庆长安汽车股份有限公司重庆长安汽车工程研究院，重庆401120）

电动汽车绝缘电阻测量及其误差分析

叶方标1，冯赞1，毛荣琴2，王勇1

（1.重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122；2.重庆长安汽车股份有限公司重庆长安汽车工程研究院，重庆401120）

为准确获得某款电动汽车车载高压可充电储能系统（REESS）和B级电力系统负载的绝缘电阻，本文分别采用无源接地式和电压注入式两种方法进行测量，并对测量结果进行误差分析。结果表明，被测车辆的绝缘电阻满足GB/T 18384.3-2015的要求，但其测量精度有待提高。

电动汽车；绝缘电阻；误差分析；

电动汽车动力电池组是由多个单体电池以一定的串联或并联方式组合而成，其电压均远远超过人体所能承受的范围[1-2]。对于动力电池、电动机、电机控制器、整车控制器等核心部件，工作中会受到粉尘、振动、潮湿和绝缘介质老化等因素的影响，导致高压部件与整车电平台的绝缘性能严重下降，进而可能引发车辆故障、人员触电、车辆起火等重大安全事故[3]。为保证乘客安全、电力系统正常工作和车辆稳定运行，准确测量[4-5]和实时监控高压系统[6-8]的绝缘性能具有非常重要的意义。

当前对电动汽车绝缘电阻的测量和实时监控均是依托GB/T 18384-2015系列标准[9-11]。为准确测量电动汽车高压系统的绝缘电阻，本文分别采用无源接地式和电压注入式两种绝缘电阻检测方法[12]对某款电动汽车车载高压可充电储能系统（REESS）和B级电力系统[9]负载的绝缘电阻进行测量，并对测量结果进行误差分析。

1 绝缘电阻测量原理及误差分析

1.1 高压REESS绝缘电阻

1.1.1 测量原理

设电动汽车高压REESS的总电压为U，其正、负端子与电平台之间的电阻分别为RP、RN，正、负端子与电平台之间的电压分别为UP、UN。REESS的等效模型如图1所示，其中RC1、RC2为测量用的已知阻值的标准电阻。采用无源接地式方法进行测量。

REESS绝缘电阻的测量可以通过三种状态中的任一种计算得到：S1和S2全部断开和S1闭合、S2断开；S1和S2全部断开和S1断开、S2闭合；S1闭合、S2断开和S1断开、S2闭合。

本文对第一种状态进行分析。当开关S1和S2全部断开时，测量正、负端子与电平台之间的电压分别为UP0、UN0，对A点由基尔霍夫电路定律[12]可以得到：

当开关S1闭合、S2断开时，在正端子与电平台之间引入标准电阻RC1，再次测量正、负端子与电平台之间的电压分别为UPP、UNP，对A点由基尔霍夫电路定律可以得到：

由式（1）和式（2）可得RP、RN

从而REESS的绝缘电阻Ri定义为RP、RN中数值较小者与最大工作电压U的比值

1.1.2 误差分析

由式（3）和式（4）可知，绝缘电阻Ri的计算值与4个电压测量值和1个标准电阻阻值密切相关。在测量过程中，电压表的耗电量相对高压REESS储能装置电量的比值很小，从而可假设总电压U值不变。设电压测量值UP0、UN0，UPP、UNP的相对误差分别为γP0、γN0，γPP、γNP，标准电阻RC1的相对误差为γC1。待测RP、RN的实际阻值为RP0、RN0，由于测量时间较短，可以假设测量过程中RP0、RN0保持不变。根据误差绝对值合成理论[12]，可得RP、RN的绝对误差为：

根据式（3）、式（4）、式（6）、式（7）可得RP、RN的相对误差γRP、γRN为

根据国标GB/T18384.1-2015[9]要求，选用标准电阻RC1的相对误差需满足γC1≤2%，且RC1与REESS的最大工作电压U之比在100～500 Ω/V范围内。

1.2 B级电力系统负载绝缘电阻

1.2.1 测量原理

B级电力[9]系统负载包含驱动电机、电机控制器、整车控制器等，其绝缘电阻包含两个方面：B级电力系统负载相对于电平台的绝缘电阻、B级电力系统负载相对于低压辅助电路（即A级电力系统）的绝缘电阻。采用电压注入式方法进行测量。在测试之前，需按照GB/T 18384.3-2015[11]的要求进行试验前的准备：

1）高压REESS的端子应从电力系统中断开。

2）B级电力系统除了动力电池（燃料电池堆、电容器）之外的电源也需要将端子从电力系统中断开，如果无法断开需要停止能量供给。

3）绝缘电阻的测量应包括遮拦/外壳，除非能够提供其它评估证明该遮拦/外壳不参与绝缘防护。

4）B级电力系统负载的所有带电部分应互相连接，其所有外露可导电部分应与电平台相连接。

5）辅助电力系统负载（A级电压）的电池终端应从辅助电路中断开，其所有带电部分都应与电平台连接。

B级电力系统负载绝缘电阻测量模型如图2所示，通过在B级电力系统端子与电平台（或A级电力系统）之间施加指定的直流激励高压U激励，通过测量漏电电流来得到B级电力系统相对电平台（或A级电力系统）的绝缘电阻，可得：

1.2.2 误差分析

式（10）中的监测电流通常都是非常微弱的，电流的微小波动就会导致绝缘电阻阻值大幅地变化，监测电流的精确度直接决定绝缘电阻的阻值精度。B级电力系统负载绝缘电阻对测量设备的性能要求较高，一方面要求设备读数稳定，另一方面要求设备精确度高。

2 绝缘电阻的实车测量

某款电动汽车的高压REESS电压设计值U=384 V，试验所用的数字万用表精度为±0.025%rdg.±2 dgt.，高压绝缘电阻测试仪精度为±5%rdg.±5 dgt.。标准电阻RC1阻值为100 kΩ，精度为0.1%，RC1与REESS电压设计值U之比为260.4 Ω/V，满足GB/T 18384.1-2015[9]的要求。

2.1 高压REESS绝缘电阻测量

先将高压REESS从整车中断开，采用数字万用表分别测量高压REESS正、负端子对电平台的电压UP、UN；然后在正极子端与电平台之间并联标准电阻RC1，再分别测量正、负端子对电平台的电压UPP、UNP。

试验数据如表1所示。根据数字万用表的精度可计算测量数据的绝对误差。表1中△N0表示测量UN0的绝对误差，△P0表示测量UP0的绝对误差，△NP表示并联标准电阻后测量UNP的绝对误差，△PP表示并联标准电阻后测量UPP的绝对误差。

根据式（3）和式（4）可以计算得到RP、RN，计算结果如表2所示。

由于高压REESS电压设计值U=384 V，从表2中可知，高压REESS电阻测量的最小值为5 160 129 Ω，则根据式（5）有高压REESS的绝缘电阻

对表2中第4组数据进一步进行误差分析。根据表1的绝对误差数值，对第4组数据计算可得相对误差γP0=2.01%、γN0=3.41%、γPP=3.20%、γNP=6.09%。标准电阻RC1的相对误差γC1=0.1%。对第4组数据，min（RP，RN）= RN，则根据式（9），可得高压REESS绝缘电阻Ri的相对误差：

由式（11）和式（12）可知，该车REESS绝缘电阻满足GB/T18384.1-2015的要求，但测试精度有待提高。

2.2 B级电力系统负载绝缘电阻测量

在试验之前，按照GB/T18384.3-2015的要求调整好样车，采用高压绝缘电阻测试仪进行测量。由于GB/T 18384.3-2015只要求激励电压大于高压REESS标称电压，并未给出具体的数值，故而参考GB/T 18384.3-2001的要求，选择激励电压U激励≥max（1.5U，500），其中U为高压REESS标称电压设计值，由于U=384 V，从而确定U激励≥576 V。结合绝缘电阻测试仪激励电压档位，最终确定激励电压U激励=1 000 V。由于所选用的试验设备能够直接测量电阻阻值，故绝缘电阻测试仪的测量误差即为绝缘电阻测量的误差。

首先测量B级电力系统负载对电平台的绝缘电阻，本文选择电机控制器正负端子进行试验。试验数据如表3所示，根据高压绝缘电阻测试仪精度为±5%rgt.±5 dgt，可计算测量数据的绝对误差。

根据表3，所有正极、负极对电平台电阻中的最小值为18.0 MΩ，由于高压REESS电压设计值U=384 V，则由式（5）可得电机控制器对电平台的绝缘电阻为：

根据表3中电平台绝缘电阻最小值及其绝对误差数值，可计算得电机控制器对电平台绝缘电阻的相对误差：

由式（13）和式（14）可知，B级电力系统负载对电平台的绝缘电阻测量值满足GB/T18384.3-2015的要求。

接下来测量B级电力系统负载对A级电力系统的绝缘电阻。类似地，选择B级电力系统负载端子与A级电力系统输入端子进行试验。试验数据如表4所示。其中B级电力系统负载端子正极（或负极）对A级电力系统输入端子正极（或负极）的绝缘电阻表示为R（Bi，Aj）。根据高压绝缘电阻测试仪精度±5%rgt.±5 dgt，可计算测量数据的绝对误差。

根据表4，所有电阻值中最小的阻值为19.6 MΩ，由于高压REESS电压设计值U=384V，由式（5）可得B级电力系统负载端子对A级电力系统输入端子的绝缘电阻：

根据表4中绝缘电阻最小阻值及其绝对误差数值，可计算B级电力系统负载端子对A级电力系统输入端子绝缘电阻的相对误差：

由式（15）和式（16）可知，B级电力系统负载与A级电力系统之间的绝缘电阻测量值满足GB/T 18384.3-2015的要求，但其测试精度有待提高。

3 结束语

为准确测量某款电动汽车的高压绝缘电阻，本文首先根据基尔霍夫电路定律得到REESS正、负端子对电平台阻值RP、RN的表达式，根据相对误差绝对值合成理论得到RP、RN相对误差γRP、γRN的表达式，并进行实车测量。试验数据表明样车绝缘电阻满足GB/T 18384.3-2015的要求，但绝缘电阻的测量精度有待提高。

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[12]李景新，樊颜强，姜久春，等.电动汽车绝缘电阻在线监测方法[J].汽车工程，2006，28（10）：884-887.

修改稿日期：2017-02-07

Measurement and Error Analysis of Insulation Resistance of an Electric Vehicle

Ye Fangbiao1,FengZan1,MaoRongqin2,WangYong1
(1.ChongqingVehicle Test&Research Institute,National Bus QualitySupervision&Inspection Center,Chongqing401122, China;2.ChongqingChang-an Automobile Co.,Ltd,ChongqingChang-an Automobile EngineeringResearch Institute, Chongqing401120,China)

To accurately obtain the insulation resistance values of on-board high-voltage REESS and class B electric power system load for an electric vehicle,the authors respectively apply two methods of no-source ground type and voltage injection type to measure,and analyze the relative errors of the measured data.The results showthat the insulation resistance values of the measured vehicle could meet the requirements of GB/T 18384.3-2015,but the measurement accuracyneeds tobe improved.

electric vehicle;insulation resistance;error analysis

U469.72；

B

1006-3331（2017）02-0042-04

叶方标（1989-），男，硕士；主要从事汽车整车研究及性能检测工作。