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　　新能源汽車電氣系統以及充電樁的絕緣性能，直接影響其使用的安全性。本文結合現有的對充電樁的絕緣檢測方法，探討了剩余電流監控通過直流檢測來實現絕緣阻抗的相關產品的開發動向。

　　文/浙江巨磁智能技術有限公司 王子軒

　　1 背景

　　新一輪巴以沖突已持續超過一周，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月交貨的紐約輕質原油期貨價格上漲4.78美元，收于每桶87.69美元。未來的油價走向成為各方關注的焦點，人們無法預見未來如何，所能做的只有是防患于未來。

　　由于石油價格浮動，新能源的重要性逐漸被人們所關注。據統計，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%，呈高速增長態勢。隨著世界原油價格波動以及大眾節能環保觀念的流行，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。

　　2 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、無網絡信號問題、絕緣故障等問題。與此同時，常見的電氣系統中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。

　　圖1 電氣系統中常見電流風險

　　其中，新能源汽車電氣系統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，與傳統車相比，電子電氣系統的比例大大增加。并且，電動汽車動力系統是以往不曾在汽車上使用過的高壓系統，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。電氣系統如果出現絕緣失效，視程度不同，會造成累進的后果。系統中只有一個點絕緣出現故障，暫時對系統不會產生明顯影響;出現多點絕緣失效，則漏電流會在兩點之間流轉，在附近材料上積累熱量，遇到適當情形，可能會引發火災。同時，影響電器的正常工作;最嚴重的情形，可能發生人員觸電。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，可能是生產和維修人員。

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

　　3 新能源汽車電氣系統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的動力源，其電氣系統是它的重要組成部分，電氣系統結構如圖2所示。根據不同的用途，可以將它的電氣系統分為低電壓系統和高電壓系統。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、燈光和雨刷等提供電能，后者主要為車輛的驅動電機等大功率部件提供電能，其標稱電壓一般為直流384V，高電壓系統由動力蓄電池(鋰離子或鉛酸)作為動力源，主要滿足車輛驅動電機、動力轉向系統、制動系統和車載空調系統的功率要求。

　　圖2 電動汽車電氣系統

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

　　其中高壓接通時，高壓系統會隨時通過 DC/DC變相器向輔助蓄電池充電。在正常情況下，高壓系統是一個封閉的系統，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，系統可以在電池正、負極之間放置漏電流檢測單元來實現絕緣檢測。由于現在電池包的電壓通常在400～500V，有的甚至是800V高壓，如果發生絕緣問題，可能會給電動車的駕駛員和乘客造成人身危險，因此應該予以重視。

　　與此同時在直流充電過程中，直流充電設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。

　　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的絕緣材料，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絕緣檢測，及時發現這些問題，防止事故的發生。

　　在交流充電過程中，交流樁直接連接車載充電機實現充電過程。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3所示，在電動車電氣系統中為直流電，各絕緣組件經過長時間老化以及多次拔插導致電氣系統對地絕緣阻抗降低，汽車外殼與外部供電側共地進而形成回路，從而會導致直流電流分量通過回路，經過PE線回流至充電側，進而導致充電側易發生觸電風險。因此，可在車載充電機部分增加直流漏電檢測來實現絕緣檢測。

　　圖3 車載充電機工作過程

　　4 絕緣檢測方法

　　現有的對充電樁的絕緣檢測，目前主要檢測方法有以下幾種：

　　(1)電橋法(圖4)

　　即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置電阻值不同的檢測電阻，通過調節電阻使電橋平衡，從而計算出絕緣電阻的值(圖5)。

　　圖4 電橋法示意圖

　　圖5 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(圖6)。電容-電壓法原理基于電容器的電容值與電壓成正比的關系。電容器是由兩個金屬板和介質組成，當兩個金屬板上施加電壓時，電容器內部會存儲電荷，從而形成電容。當被測電壓施加到電容器的一側，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6 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備絕緣檢測的方法(圖7)。低頻信號注入法是目前應用最廣泛的絕緣監測方法之一。它的工作原理是在被測試的設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，系統內部產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的分布電容、雜散電感等因素有關，同時不同零部件構成的系統等效的阻抗特性也會不同，隨著測試工況、測試環境變化同樣會產生變化。因此，系統本身的阻抗特性是會隨著系統的運行而時刻發生改變，所測出的絕緣阻抗值成動態特性。

　　圖7 低頻注入法示意圖

　　(4)電流檢測法(圖8)

　　當有一極發生絕緣下降的時候，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。

　?、匐娮枋诫娏鳈z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一個電阻來測量電流大小。電阻的阻值越大，電流通過時產生的電壓就越大，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8 電流檢測法示意圖

　　5 通過檢測直流漏電實現絕緣檢測

　　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絕緣檢測(圖9)，漏電流傳感器是一種專門用于檢測直流系統中漏電流的傳感器。例如一個三相系統，RCMU(漏電流監控單元)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。如果系統沒有中線，是三相三線交流系統。如果是三相四線的系統，若中線上不走電流，中線也可不必穿過RCMU。假設一個連接到一個380 / 220VAC系統10A負載，RCMU將同時測量它。根據基爾霍夫定律，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、信號轉換模塊、控制器等部分組成。

　　圖9 三相系統漏電流檢測原理

　　在該領域，剩余電流監控通過直流檢測來實現絕緣阻抗的相關產品有以下幾種：

　　(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：

　?、賹崿F全溫區線性補償;

　　②實現零磁場校正補償;

　?、弁舜偶?

　?、苷`動作濾除。

　　(2)RCMU剩余電流傳感器模組(圖10)

　　圖10 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：

　?、俑呔龋褐绷髀╇娏鱾鞲衅骶哂休^高的漏電流檢測精度，一般在±0.5%以內;

　　②快速響應：直流漏電流傳感器可以實現快速響應，并及時報警或切斷電源，以避免事故發生;

　?、蹖挏y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;

　?、馨踩煽浚褐绷髀╇娏鱾鞲衅鞑捎枚嘀乇Ｗo措施，確保設備在工作過程中的安全和可靠性。

　　(3)RCMU剩余電流檢測模塊(圖11)

　　圖11 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：

　?、倌K化設計，減少二次線，快速組裝，安裝方便快捷;

　?、?新型直流漏電流傳感器技術，功能可靠，性能優越;

　?、郾镜仫@示，運維快速定位故障支路;

　?、苎b置自檢、實現自我檢測和校正;

　?、菘焖俚ㄓ没Q性強。