直流絕緣系統(tǒng)中的漏電絕緣檢測法的探討

一、背景

新一輪巴以沖突已持續(xù)超過一周，推動國際原油價格進入上升通道。紐約油價13日顯著上漲，11月交貨的紐約輕質(zhì)原油期貨價格上漲4.78美元，收于每桶87.69美元。未來油價走向成為各方關(guān)注的焦點。我們無法預見未來如何，我們能做的只有防患于未來。

由于石油價格浮動，新能源的重要性逐漸被人們所關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，2022年全國新注冊登記新能源汽車535萬輛，占新注冊登記汽車總量的23.05%，與上年相比增加240萬輛，增長81.48%，呈高速增長態(tài)勢。隨著世界原油價格波動以及大眾節(jié)能環(huán)保觀念的流行，新能源充電汽車也越來越被人們所接受，隨之而來的充電樁也正在加緊配置。

二、絕緣失效的危害

在新能源汽車大步邁進的途中，與之相匹配的直流充電樁問題也隨之逐漸的浮出水面。目前直流充電樁存在的問題有：車鎖槍難以拔出、配件故障、無網(wǎng)絡(luò)信號問題、絕緣故障等問題。與此同時我們所常見的電氣系統(tǒng)中最常見電流風險點主要包括：絕緣保護、直流漏電、直流拉弧、過流保護。

其中新能源汽車電氣系統(tǒng)以及充電樁的絕緣性能直接影響其使用的安全性。電動汽車，與傳統(tǒng)車相比，電子電氣系統(tǒng)的比例大大增加。并且，電動汽車動力系統(tǒng)是以往不曾在汽車上使用過的高壓系統(tǒng)，動輒幾百伏的電壓平臺。因此電氣絕緣是電動汽車高壓安全的重要項目。電氣系統(tǒng)如果出現(xiàn)絕緣失效，視程度不同，會造成累進的后果。系統(tǒng)中只有一個點絕緣出現(xiàn)故障，暫時對系統(tǒng)不會產(chǎn)生明顯影響；出現(xiàn)多點絕緣失效，則漏電流會在兩點之間流轉(zhuǎn)，在附近材料上積累熱量，遇到適當情形，可能會引發(fā)火災。同時，影響電器的正常工作；最嚴重的情形，可能發(fā)生人員觸電。當然，汽車的電氣都在底盤等乘車人員一般無法觸及的地方，最可能遇到觸電危險的，可能是生產(chǎn)和維修人員。

電氣系統(tǒng)絕緣失效的常見原因，除了設(shè)計和制造問題以外，一般包括：熱老化，光老化，低溫環(huán)境下的材料脆裂，固定不當引起的摩擦損傷等等。

三、新能源汽車電氣系統(tǒng)以及充電過程中的直流漏電檢測

純電動汽車是有動力蓄電池作為系統(tǒng)的動力源，其電氣系統(tǒng)是它的重要組成部分，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)不同的用途，可以將它的電氣系統(tǒng)分為低電壓系統(tǒng)和高電壓系統(tǒng)。前者采用直流24V電源，主要為車輛的中央控制器、電池管理系統(tǒng)、燈光和雨刷等提供電能，后者主要為車輛的驅(qū)動電機等大功率部件提供電能，其標稱電壓一般為直流384V，高電壓系統(tǒng)由動力蓄電池（鋰離子或鉛酸）作為動力源，主要滿足車輛驅(qū)動電機、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和車載空調(diào)系統(tǒng)的功率要求。

圖?1?電動汽車電氣系統(tǒng)

這些電氣設(shè)備都安裝在車輛底盤上，每個電氣設(shè)備都有獨立的電流回路，與底盤之間沒有直接的電氣連接，整個高壓系統(tǒng)是與底盤絕緣、封閉的電氣系統(tǒng)。

其中高壓接通時，高壓系統(tǒng)會隨時通過 DC/DC變相器向輔助蓄電池充電。在正常情況下，高壓系統(tǒng)是一個封閉的系統(tǒng)，對車體是完全絕緣的。但是無法排除由于高壓線纜老化等問題帶來的絕緣降低，從而導致車體漏電。并且電動汽車工作環(huán)境復雜，振動、溫度、濕度變化急劇，酸堿氣體的腐蝕，都會引起絕緣被破壞，使整車絕緣性能下降。電池的正、負極引線通過絕緣層與電池底盤構(gòu)成漏電流回路，使電池底盤電位拉升，這樣不僅會影響低壓電器和車輛上的 ECUs的正常工作，還可能危及駕駛員和乘客的人身安全。因此，我們可以在電池正、負極之間放置漏電流檢測單元來實現(xiàn)絕緣檢測。由于現(xiàn)在電池包的電壓通常在400～500V，有的甚至是800V高壓，如果發(fā)生絕緣問題，可能會給電動車的駕駛員和乘客造成人身危險，應該予以重視。

與此同時在直流充電過程中，直流充電設(shè)備需先連接非車載充電機，先將交流電輸送至非車載充電機，非車載充電機內(nèi)部進行AC/DC整流，再將整流后的直流電輸送至電動汽車蓄電池。進而完成整個充電過程。

圖?2? 直流充電過程圖

直流充電樁絕緣檢測是通過測量充電樁外部各電路的電阻、電流等參數(shù)來判斷充電樁絕緣是否完好。充電樁外部電路正常時，電路導線與充電樁外殼間會有一層厚度適當?shù)慕^緣材料，防止電路漏電或短路故障。當絕緣材料損壞或不足時，電路導線與充電樁外殼間的絕緣就會失效，造成電路漏電或短路等危險情況。通過在直流充電樁以及非車載充電機增加直流漏電檢測可以實現(xiàn)絕緣檢測，及時發(fā)現(xiàn)這些問題，防止事故的發(fā)生。

在交流充電過程中，交流樁直接連接車載充電機實現(xiàn)充電過程。雖說是交流充電，但并不表示在過程當中不存在直流漏電危害。如圖所示，在電動車電氣系統(tǒng)中為直流電。各絕緣組件經(jīng)過長時間老化以及多次拔插導致電氣系統(tǒng)對地絕緣阻抗降低，汽車外殼與外部供電側(cè)共地進而形成回路。從而會導致直流電流分量通過回路，經(jīng)過PE線回流至充電側(cè)。進而導致充電側(cè)易發(fā)生觸電風險。因此可在車載充電機部分增加直流漏電檢測來實現(xiàn)絕緣檢測。

四、絕緣檢測方法

現(xiàn)有的對充電樁的絕緣檢測，目前主要檢測方法為：

（1）電橋法，分別與充電樁輸出直流電源的正極、負極、以及地線連接，用于采用不平衡電橋的方式，在正極與地線之間和負極與地線之間設(shè)置電阻值不同的檢測電阻。通過調(diào)節(jié)電阻使電橋平衡，從而計算出絕緣電阻的值。

圖 3? 電橋法示意圖

圖?4? 整車絕緣電阻檢測原理框圖

（2）電容-電壓法，該方法通過測量電容兩端的電壓來計算絕緣電阻。電容-電壓法原理基于電容器的電容值與電壓成正比的關(guān)系。電容器是由兩個金屬板和介質(zhì)組成，當兩個金屬板上施加電壓時，電容器內(nèi)部會存儲電荷，從而形成電容。當被測電壓施加到電容器的一側(cè)，電容器的電容值會隨著電壓的變化而變化。通過測量電容器的電容值，就可以得到被測電壓的大小。

圖?5? 電容-電壓法示意圖

（3）低頻注入法

低頻注入法是一種用于電氣設(shè)備絕緣檢測的方法。低頻信號注入法是目前應用最廣泛的絕緣監(jiān)測方法之一。它的工作原理是在被測試的設(shè)備上注入一個正負對稱的方波信號，通過對采樣電阻上分壓的采集，計算得出絕緣電阻的大小。在實際測試時，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的信號包含直流以及交流成分。其中交流成分與整個系統(tǒng)的分布電容、雜散電感等因素有關(guān)，同時不同零部件構(gòu)成的系統(tǒng)等效的阻抗特性也會不同，隨著測試工況、測試環(huán)境變化同樣會產(chǎn)生變化。因此，系統(tǒng)本身的阻抗特性是會隨著系統(tǒng)的運行而時刻發(fā)生改變，所測出的絕緣阻抗值成動態(tài)特性。

圖?6? 低頻注入法示意圖

（4）電流檢測法：

當有一極發(fā)生絕緣下降的時候，通過正負極的電流便不會再相等，通過傳感器感應出這個電流差的信號，從而與兩個30K電阻,兩個開關(guān)控制的校正電阻計算的漏電流相比較，超出告警閥值時給出支路的告警。

①電阻式電流檢測法是最常用的一種電流檢測方法，它是通過在電路中串聯(lián)一個電阻來測量電流大小。電阻的阻值越大，電流通過時產(chǎn)生的電壓就越大，測量的精度也就越高。電阻式電流檢測法的優(yōu)點是簡單易行，但是它會影響電路的工作，因此需要選擇合適的電阻阻值。

②磁性電流檢測法是通過電路中的磁場來檢測電流大小和方向。當電流通過導線時，會產(chǎn)生一個磁場，通過測量磁場的強度和方向就可以計算出電流大小和方向

圖?7?電流檢測法示意圖

五、通過檢測直流漏電實現(xiàn)絕緣檢測

針對第四種電流檢測法，則較多是采用檢測直流漏電流方案來實現(xiàn)絕緣檢測，漏電流傳感器是一種專門用于檢測直流系統(tǒng)中漏電流的傳感器。例如一個三相系統(tǒng)，RCMU（漏電流監(jiān)控單元）被放置在母線上，最重要的是三根母線都穿過RCMU的中間線孔。如果系統(tǒng)沒有中線，是三相三線交流系統(tǒng)。如果是三相四線的系統(tǒng)，若中線上不走電流，中線也可不必穿過RCMU。假設(shè)一個連接到一個380 / 220VAC系統(tǒng)10A負載，RCMU將同時測量它。根據(jù)基爾霍夫定律，傳入和傳出的電流會互相抵消。三根母線的電流矢量和應該為零。如果此時存在剩余電流，它通過感應直流回路中的剩余電流，產(chǎn)生與之成比例的輸出信號。漏電流傳感器通常由感應元件、信號轉(zhuǎn)換模塊、控制器等部分組成。

圖?8? 三相系統(tǒng)漏電流檢測原理

在該領(lǐng)域，通過直流檢測來實現(xiàn)絕緣阻抗的相關(guān)產(chǎn)品：

1、RCMU剩余電流傳感芯片

針對該系列漏電流傳感芯片具有如下特點：

實現(xiàn)全溫區(qū)線性補償。

實現(xiàn)零磁場校正補償。

退磁激勵。

誤動作濾除。

2、RCMU剩余電流傳感器模組

針對該系列漏電流傳感器具有如下特點：

（1）高精度：直流漏電流傳感器具有較高的漏電流檢測精度，一般在±0.5%以內(nèi)。

（2）快速響應：直流漏電流傳感器可以實現(xiàn)快速響應，并及時報警或切斷電源，以避免事故發(fā)生。

（3）寬測量范圍：直流漏電流傳感器具有廣泛的測量范圍，能夠檢測不同電壓等級和漏電流強度的直流系統(tǒng)。

（4）安全可靠：直流漏電流傳感器采用多重保護措施，確保設(shè)備在工作過程中的安全和可靠性。

3、RCMU剩余電流檢測模塊

針對該系列漏電流檢測模塊具有如下特點：

新型直流漏電流傳感器技術(shù)，功能可靠，性能優(yōu)越。

本地顯示，運維快速定位故障支路。

裝置自檢、實現(xiàn)自我檢測和校正。

快速迭代，通用互換性強。

六、結(jié)束語

浙江巨磁智能技術(shù)有限公司憑借自身強大的芯片實力立足于國內(nèi)市場，后來又在此基礎(chǔ)上發(fā)展壯大自身的漏電流傳感器以及電流傳感器領(lǐng)域。目前浙江巨磁智能技術(shù)有限公司所有產(chǎn)品均搭載其自研的控制芯片。真正實現(xiàn)了自主化、現(xiàn)代化、數(shù)字化的階梯式跨越；也真正實現(xiàn)了中國“芯”，中國造。巨磁智能從2013年正式成立，截止到今天，經(jīng)過時間的歷練與證明。不僅在充電樁領(lǐng)域開枝散葉，同時也在光伏領(lǐng)域開花結(jié)果。目前浙江巨磁智能技術(shù)有限公司年產(chǎn)能已達上千萬級別，客戶放心的使用便是其最大的勛章。

參考文獻：

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【5】樊曉松，《動力電池系統(tǒng)高壓電絕緣設(shè)計與測試》；

【6】田楊，《基于ARM單片機電動汽車絕緣檢測系統(tǒng)研究》；

審核編輯 黃宇