李 烨，张 磊，卢 浩

（1.北京航空航天大学 工程训练中心，北京 100191；2.潍柴动力股份有限公司新能源动力系统工程部，潍坊261061；3.北京航天微系统所，北京100094）

与传统汽车不同，电动汽车电气系统分为低压系统和高压系统。低压系统一般采用直流12 V或24 V蓄电池为车辆的中央控制器、灯光、雨刷等提供电能；高压系统采用高达300 V～700 V的高压动力蓄电池为车辆驱动电机、动力转向系统、制动系统和车载空调等提供功率[1-3]。高压系统与低压系统之间通过隔离设备隔离，高压系统与底盘（汽车低压系统的零电位）之间没有直接的电气连接。

如果高压系统对车架绝缘电阻过低，高压母线正负极引线将通过绝缘电阻与底盘构成漏电流回路，提升底盘电位，这不仅会影响整车低压各系统的正常工作[4]，而且会因热量积聚效应损坏线束，严重时引起火灾，危及驾乘人员的人身安全。

国家标准GBT18384《电动汽车安全要求》[5]明确要求，电动汽车动力系统和车辆底盘及辅助电路必须有相应的绝缘电阻，且绝缘电阻值除以电动汽车直流标称电压至少为100 Ω/V，当绝缘电阻不能满足安全要求时，应及时更换维修。因此实时监测电动汽车电气绝缘性能对保证整车正常运行和驾乘人员安全有重要意义。

1 电动汽车绝缘监测方法现状

电动汽车高压直流系统的绝缘性能使用高压直流电对汽车电底盘的漏电流大小进行描述。根据国家标准规定，泄漏电流任何情况下均不能超过2 mA。通常在检测中可以通过传感器直接测量电流或者测量绝缘电阻的阻值进而推断出泄漏电流的大小。

目前对电动汽车绝缘监测的方法主要有2种[6-7]，其一为桥式电阻法，即在直流母线正负极和电底盘之间接入匹配电阻，通过电子开关或高压继电器连接电阻和电底盘，然后利用电压或电流传感器测量该电阻的电压或电流，再计算得到绝缘电阻。这种方法需要外接传感器，且整车在运行过程中直流母线电压及正负极对地绝缘电阻值会发生变化，桥式电阻法忽略了直流母线变化这一因素。第二种方法为电流传感器法，即采用霍尔电流传感器将待测系统中电源的正极和负极一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从电源正极流出的电流等于返回电源负极的电流，此时传感器输出电压为零；当发生漏电现象时，电流传感器输出电压不为零，根据传感器输出电压正负可进一步确定漏电在正极还是负极，但该系统无法在电源空载状态下监测，且无法确定正极和负极分别对电底盘的绝缘电阻。

针对以上2种测量绝缘电阻方法的弊端，本文设计了一种新的电动汽车绝缘电阻监测系统，该系统不仅不需要外接传感器，而且能够实时监测高压系统母线电压及正负极分别对底盘绝缘电阻，随后通过CAN总线将电阻值发送到整车控制器，进行数字化控制。通过内部设置限值，当系统监测到绝缘电阻低于限值时，向整车控制器发送故障代码，同时启动声光报警装置，提醒驾驶员靠边停车。

2 绝缘电阻监测原理

本文设计的绝缘电阻监测电路如图1所示。

图1 绝缘电阻监测电路Fig.1 Detection circuit of insulation resistance

U+和U-分别为正负极对电底盘电压值，R1和R2分别为正负极对车架绝缘电阻值。R0为已知电阻值，为保证正极对车架绝缘性能，R0可在100 Ω/V～500 Ω/V选择。运放A和电阻R3～R6构成比例放大电路，将高压转变为单片机可用的低压。由图1可以看出，当R5/R3=R6/R4，有如下结果

由式（1）和式（2）可知，单片机采集到 U1和 U0后可以反推正极对电底盘电压U+和高压母线电压U+-U-。当开关S断开时

当开关S闭合时，单片机采集到的分别为U1′和 U0′。

由于 R3＜＜R5，由式（3）～式（6）可以推得：

3 系统设计方案

根据第2节所示原理，设计了电动汽车绝缘电阻监测系统，如图2所示。图中比例电路采用精密运放和电阻网络，用来将直流母线高压电转变为单片机AD允许输入的电压，便于单片机进行数据处理。开关S采用BUP203型IGBT开关管，耐压等级为1000 V，通过将S断开或闭合，将R0断开或接入到电路中。模拟电压隔离部分采用Aligent公司的HCNR201构成的线性光耦隔离电路，以减少对单片机输入信号的干扰。单片机采用飞思卡尔XEP100，其内置CAN通信接口及A/D转换模块，便于使整个监测模块小型化[8]。

图2 系统硬件结构框图Fig.2 Block diagram of hardware structure

XEP100在系统中的主要作用：1）驱动功率开关IGBT动作；2）采集U0、U1电压信号，通过内部计算确定整车高压母线电压及高压正负极对电底盘绝缘电阻值；3）将计算数值通过CAN通信发送到整车控制器；4）当绝缘电阻值低于限值时，向整车控制器报故障代码，并启动声光报警装置。

4 系统测试及分析

为对该电动汽车绝缘监测系统进行测试，搭建了系统测试平台。使用可调输出的整流电源模拟母线输入电压，在电源正负极与底盘之间分别跨接已知阻值高精密大电阻代替正负极对电底盘绝缘电阻，分别更换输入电压和模拟绝缘电阻值，系统测试结果如表1和表2所示。

表1 母线电压测试结果Tab.1 Cable voltage test result

表2 正负极对电底盘绝缘电阻测试结果Tab.2 Test results of insulation resistance

由表1和表2可以看出，设计的电动汽车绝缘监测系统能够对电动汽车母线电压及母线正负极对地绝缘阻抗进行实时监测，且母线电压和正负极绝缘电阻最大误差均不超过1%，能够满足测量要求。

5 结语

对电动汽车母线正负极绝缘阻抗的监测不仅关系到整车的正常运行，而且关系到驾乘人员的安全。本文设计的电动汽车绝缘监测系统，不需要外接任何传感器，可以对母线电压及母线正负极对电底盘绝缘阻抗进行实时监测，且测量误差小，满足电动汽车实时监测的需要。

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[3]潘磊，姜久春，李景新，等.电动汽车智能无源接地检测装置的研制[J].电气传动自动化，2003，25（4）：47-48.

[4]Thomas Baldw in et al.Directional Ground-Fault Indicator for High-Resistance Grounded Systems.IEEE Transcation on Industry Application，2003，39（2）：325-332.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18384.1～3-2001.电动汽车安全要求[S]，2001：1-22.

[6]郭宏榆，姜久春，温家鹏，等.新型电动汽车绝缘检测方法研究[J].电子测量与仪器学报，2011，25（3）：253-257.

[7]马春排，张元斌.绝缘电阻数字化测量的研究[J].中国仪器仪表，2002（1）：7-10.

[8]袁开鸿，陈新喜，魏丽君.基于STM32的机车绝缘电阻测试仪的研究与设计[J].仪表技术与传感器，2014（7）：40-42，45.