高 跃

(泛亚汽车技术中心有限公司, 上海 201206)

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(MOS)开关等主动控制并入已知阻值的标准偏置电阻或注入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[3]。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Riso+和Riso-为待测车辆正、负极对地的绝缘电阻，R1和R3为正极对地分压平衡电阻，R2和R4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。

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 forinsulation resistance of high voltage system

开关S1和S2的闭合和断开通过MOS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S1和S2均断开时，通过正、负极电压分压电路中的一部分电压U1和U2检测电池组的正、负极电压UP和UN，并比较UP和UN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UP大于UN为例，闭合S1开关以并联接入正极的偏置电阻Rbias，再次同时检测正、负极电压，得到UP0和UN0，基于基尔霍夫定律联立方程，可以计算出整车绝缘电阻值为Riso=Riso-=Rbias×(UN0/UP0-UN/UP)。同理，如果Up小于UN，则可以计算得到Riso=Riso+=Rbias×(UP0/UN0-UP/UN)。

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R1+R3与R2+R4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UP与负极对地电压UN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/UN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。

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 passivedetection methods for insulation resistance

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，就需要找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。UP，UN，UP0，UN0的检测相对误差分别为λP，λN，λP0，λN0，标准偏置电阻Rbias的相对误差为λRbias。据误差理论的误差绝对值合成法可以得到Riso的相对误差λRiso+和λRiso-分别为

λRiso+=λRbias+(λP+λN+λP0+λN0)×

(1+Rbias//Riso+)

(1)

λRiso-=λRbias+(λP+λN)×Rbias/Riso++

(λP0+λN0)×(1+Rbias//Riso+)

(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) 选用精度高、温度漂移小、阻值适合的偏置电阻，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λRbias。

(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Rbias≪Riso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[4]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100～500 Ω·V-1。对于标称电压在360 V的电动汽车来说，偏置电阻为180 kΩ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，主控单元和检测电路采取光电隔离等措施；另一方面，在同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 MΩ时，检测电路采用2，3，4 MΩ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。

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 error

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。该方法是在图1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。

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 resistancedetection 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入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，则会并联接入较大的偏置电阻采用主动式绝缘电阻检测方法进行检测。

4 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，然后采用并入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 MΩ)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

5 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入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。