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新能源电驱系统标准解读与拓展：绝缘电阻测试
2019-09-05 23:46:29· 来源：臭皮匠试验室
导语绝缘性能是电气部件的生命线，而绝缘电阻测试（Isolation resistance）作为评估其绝缘质量的常规方法，在电动汽车中也广泛应用。GB/T18488对此也有具体要求
导语
绝缘性能是电气部件的"生命线"，而绝缘电阻测试（Isolation resistance）作为评估其绝缘质量的常规方法，在电动汽车中也广泛应用。GB/T18488对此也有具体要求，但是，究竟什么是绝缘电阻？为什么要进行绝缘电阻测试？绝缘电阻测试和绝缘耐压测试有什么区别和联系？标准中的"冷态""热态"如何理解？，值得我们探讨。
01 标准内容
在GBT18488中，主要从以下三个方面对绝缘电阻进行测试：
- 驱动电机定子绕组对机壳的绝缘电阻
- 驱动电机定子绕组对温度传感器的绝缘电阻
- 驱动电机控制器绝缘电阻
以上三种测试均包含"冷态""热态"两种状态要求。
02 "究竟什么是绝缘电阻?"
根据百度百科的定义：加直流电压于电介质，经过一定时间的极化过程结束后，流过电介质的泄露电流对应的电阻称为绝缘电阻。
针对电驱动系统，换成大白话：在电机电控的固体绝缘材料之间（如PPS、PA66、绝缘纸、绝缘漆等），加直流电压，在一定时间的电场力作用下，会有泄露电流流经这些材料，此时测得的电阻就是绝缘电阻。
03 "为什么要进行绝缘电阻测试?"
根据上述解释，可以看出来绝缘电阻测试的基本原理，其实就是欧姆定律。因此，绝缘电阻测试有两个目的：
- 验证绝缘特性的完好，这里的"完好"与否，和材料、环境、寿命和时间均有关系；
- 防止高压回路上绝缘失效，造成人员伤害。
04 "哪些因素会影响绝缘电阻测试?"
环境温湿度
一般材料的绝缘电阻值会随环境温湿度升高而减小，这是因为温湿度上升加剧了上述原理中提及的电子的定向运动。已有研究，一般介质在70℃时电阻仅有20℃的10%，这也就解释了为什么标准中要定义“冷态"和"热态”两种状态的绝缘电阻要求。
测试时间
为什么绝缘电阻测试要经过”一定时间的极化过程“？这是因为直流电压作用于被测材料上，其泄露电流不是瞬时达到稳定值的，而是会有衰减的过程。这也是为什么在测试电机绕组对机壳的绝缘电阻一般都会看到读数会是慢慢上升而稳定。
实际上在测试电机控制器母线正负极对机壳的绝缘电阻时，如果存在Y电容，还需要定义电压上升的时间，同样的测试电压，如果电压上升时间快慢不一样，所测得的泄露电流是完全不一样，从而测得的绝缘电阻也会很大。
气压
气压降低，会引起外绝缘强度降低，也会导致击穿电压也会下降。
所以在定义产品使用环境时，需要考虑海拔。海拔会对电气间隙的影响很大，工作地点海拔的升高，需要将电气间隙修正。定义产品的工作海拔很高，是对于产品的小型化，集成化是不利的。
绝缘材料老化程度
影响绝缘材料的老化相关的因素比较多，主要有：
• 电应力：主要与过压和欠压有关
• 温度应力：热胀冷缩以及高温都会影响绝缘材料性能，这一块内容之前我们之前HTOE主要就是针对温度应力来对电气产品的可靠性的考核。详见《新能源电驱系统标准解读与拓展：高温运行耐久试验(HTOE)》
• 化学应力：化学品、油、腐蚀性气体等会影响材料的绝缘性能
• 环境污染
因此，在对绝缘介质的材料选型、组合和工艺进行设计的时候，要充分考虑上述几点因素对绝缘寿命的影响。
简而言之，绝缘性能可以说是电气部件的生命线，绝缘电阻测试是一种最常用的表征绝缘性能的测试方法。
05 "绝缘电阻与绝缘耐压的区别和联系?"
针对这个问题，首先明确一点，绝缘耐压测试要比绝缘电阻更为苛刻，一般会先做绝缘电阻测试再做耐电压测试，如果绝缘电阻测试不通过，无需进行耐压测试。
但是绝缘电阻越高并不意味绝缘性一定好，例如因为机械损伤，导致绕组之间，或绕组和铁芯之间还没形成短路故障，此时测得阻值或许更高，这时候就要绝缘耐压登场了。
绝缘电阻使用直流进行测试，而绝缘耐压一般使用交流，如果无法使用交流（如因Y电容存在），则试验电压可用等效直流电压代替，其是交流电压的根号2倍。关于绝缘耐压，我们后续会展开讨论。
06 "标准中冷态和热态如何理解?"
关于冷态和热态，GBT18488未做明确定义。
冷态绝缘电阻
冷态绝缘电阻通常为常温常压下的绝缘电阻，其主要与绝缘表面洁净程度和受潮情况有关。在IEEE标准43的有提及，对于干燥洁净电机，冷态绝缘电阻在-10~100℃范围内实际测得的绝缘电阻按下式换算至室温25℃。
热态绝缘电阻
温度对绝缘电阻影响很大，而实际测试过程中对测试温度的控制比较困难，因而较难定义，所以标准中提供了公式和最小值，关于这一点在GB755中也有说明。通常，整车会结合整车应用情况，在温升试验或高低温试验后对其进行测量。
07 拓展
电动汽车在线绝缘监控 绝缘电阻对于电动汽车的重要性不言而喻，目前很多汽车都会有在线绝缘电阻监控。
已知的，如比亚迪唐，对正负极和地之间进行绝缘电阻检测，整车根据实时检测结果，制定其安全策略;另外，还看到在下电时，控制器主动短路，检测电机绕组对机壳的绝缘电阻，上电时报故障的策略。关于这个问题，是否还有其他简单实用的方法，值得我们思考。
绝缘性能是电气部件的"生命线"，而绝缘电阻测试（Isolation resistance）作为评估其绝缘质量的常规方法，在电动汽车中也广泛应用。GB/T18488对此也有具体要求，但是，究竟什么是绝缘电阻？为什么要进行绝缘电阻测试？绝缘电阻测试和绝缘耐压测试有什么区别和联系？标准中的"冷态""热态"如何理解？，值得我们探讨。
01 标准内容
在GBT18488中，主要从以下三个方面对绝缘电阻进行测试：
- 驱动电机定子绕组对机壳的绝缘电阻
- 驱动电机定子绕组对温度传感器的绝缘电阻
- 驱动电机控制器绝缘电阻
以上三种测试均包含"冷态""热态"两种状态要求。
02 "究竟什么是绝缘电阻?"
根据百度百科的定义：加直流电压于电介质，经过一定时间的极化过程结束后，流过电介质的泄露电流对应的电阻称为绝缘电阻。
针对电驱动系统，换成大白话：在电机电控的固体绝缘材料之间（如PPS、PA66、绝缘纸、绝缘漆等），加直流电压，在一定时间的电场力作用下，会有泄露电流流经这些材料，此时测得的电阻就是绝缘电阻。
03 "为什么要进行绝缘电阻测试?"
根据上述解释，可以看出来绝缘电阻测试的基本原理，其实就是欧姆定律。因此，绝缘电阻测试有两个目的：
- 验证绝缘特性的完好，这里的"完好"与否，和材料、环境、寿命和时间均有关系；
- 防止高压回路上绝缘失效，造成人员伤害。
04 "哪些因素会影响绝缘电阻测试?"
环境温湿度
一般材料的绝缘电阻值会随环境温湿度升高而减小，这是因为温湿度上升加剧了上述原理中提及的电子的定向运动。已有研究，一般介质在70℃时电阻仅有20℃的10%，这也就解释了为什么标准中要定义“冷态"和"热态”两种状态的绝缘电阻要求。
测试时间
为什么绝缘电阻测试要经过”一定时间的极化过程“？这是因为直流电压作用于被测材料上，其泄露电流不是瞬时达到稳定值的，而是会有衰减的过程。这也是为什么在测试电机绕组对机壳的绝缘电阻一般都会看到读数会是慢慢上升而稳定。
实际上在测试电机控制器母线正负极对机壳的绝缘电阻时，如果存在Y电容，还需要定义电压上升的时间，同样的测试电压，如果电压上升时间快慢不一样，所测得的泄露电流是完全不一样，从而测得的绝缘电阻也会很大。
气压
气压降低，会引起外绝缘强度降低，也会导致击穿电压也会下降。
所以在定义产品使用环境时，需要考虑海拔。海拔会对电气间隙的影响很大，工作地点海拔的升高，需要将电气间隙修正。定义产品的工作海拔很高，是对于产品的小型化，集成化是不利的。
绝缘材料老化程度
影响绝缘材料的老化相关的因素比较多，主要有：
• 电应力：主要与过压和欠压有关
• 温度应力：热胀冷缩以及高温都会影响绝缘材料性能，这一块内容之前我们之前HTOE主要就是针对温度应力来对电气产品的可靠性的考核。详见《新能源电驱系统标准解读与拓展：高温运行耐久试验(HTOE)》
• 化学应力：化学品、油、腐蚀性气体等会影响材料的绝缘性能
• 环境污染
因此，在对绝缘介质的材料选型、组合和工艺进行设计的时候，要充分考虑上述几点因素对绝缘寿命的影响。
简而言之，绝缘性能可以说是电气部件的生命线，绝缘电阻测试是一种最常用的表征绝缘性能的测试方法。
05 "绝缘电阻与绝缘耐压的区别和联系?"
针对这个问题，首先明确一点，绝缘耐压测试要比绝缘电阻更为苛刻，一般会先做绝缘电阻测试再做耐电压测试，如果绝缘电阻测试不通过，无需进行耐压测试。
但是绝缘电阻越高并不意味绝缘性一定好，例如因为机械损伤，导致绕组之间，或绕组和铁芯之间还没形成短路故障，此时测得阻值或许更高，这时候就要绝缘耐压登场了。
绝缘电阻使用直流进行测试，而绝缘耐压一般使用交流，如果无法使用交流（如因Y电容存在），则试验电压可用等效直流电压代替，其是交流电压的根号2倍。关于绝缘耐压，我们后续会展开讨论。
06 "标准中冷态和热态如何理解?"
关于冷态和热态，GBT18488未做明确定义。
冷态绝缘电阻
冷态绝缘电阻通常为常温常压下的绝缘电阻，其主要与绝缘表面洁净程度和受潮情况有关。在IEEE标准43的有提及，对于干燥洁净电机，冷态绝缘电阻在-10~100℃范围内实际测得的绝缘电阻按下式换算至室温25℃。
热态绝缘电阻
温度对绝缘电阻影响很大，而实际测试过程中对测试温度的控制比较困难，因而较难定义，所以标准中提供了公式和最小值，关于这一点在GB755中也有说明。通常，整车会结合整车应用情况，在温升试验或高低温试验后对其进行测量。
07 拓展
电动汽车在线绝缘监控 绝缘电阻对于电动汽车的重要性不言而喻，目前很多汽车都会有在线绝缘电阻监控。
已知的，如比亚迪唐，对正负极和地之间进行绝缘电阻检测，整车根据实时检测结果，制定其安全策略;另外，还看到在下电时，控制器主动短路，检测电机绕组对机壳的绝缘电阻，上电时报故障的策略。关于这个问题，是否还有其他简单实用的方法，值得我们思考。
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