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电动汽车绝缘电阻测量方法仿真与试验分析
2021-01-18 14:54:12· 来源：EDC电驱未来 作者：杨刚，尚志诚
随着近几年新能源汽车的快速发展，关于新能源的安全评价也被广泛关注，而绝缘电阻测试是衡量电动汽车充电安全的重要指标，是国内新能源汽车法规中强制性检测内容
随着近几年新能源汽车的快速发展，关于新能源的安全评价也被广泛关注，而绝缘电阻测试是衡量电动汽车充电安全的重要指标，是国内新能源汽车法规中强制性检测内容。
针对现有对绝缘电阻测试的研究都是从理论上分析，难以从数据中直观地看到计算方法的差异性和影响因素，而设计测试计算界面不考虑计算方法的误差，会造成最终计算结果的不准确。本文提出基于Simscape建立仿真模型，分析绝缘电阻测试和计算方法的准确性，最后用实验验证了仿真分析的准确性，为绝缘电阻测试提供参考。
1 绝缘电阻测试原理及仿真分析
1.1 绝缘电阻测试原理
标准GB/T 18384中给出了绝缘电阻的测试原理，首先分别测量REESS的两端与电平台之间的电压，电压较高的一端定义为U1，电压较低的一端定义为U1’，原理图如图1（a）所示，相应的两个绝缘电阻分别定义为Ri1和Ri2；然后在Ri1上并联一个电阻R0，再一次测量两端电压，分别为U2和U2’，原理图如图1（b）所示。
图1 绝缘电阻的测量
利用欧姆定律求解图1，可得到表达式：
结合式（1）和（2），求得绝缘电阻Ri2的计算公式（3）：
又
可求得绝缘电阻Ri2的计算公式（4）：
1.2 单电压表测试法
绝缘电阻的测试方法有单表法和双表法，单表法是用一个万用表分别测试试验所需的电压值。为了模拟真实测量和计算绝缘电阻的过程，采用Simscape建立仿真模型，限于篇幅，此处仅给出U1的测试仿真模型如图2所示，仿真参数如表1所示。为了仿真能体现实际绝缘电阻较多值，Ri1在10 S内线性的从0.2 MΩ上升到20 MΩ，Ri2在10 S内线性的从0.1 MΩ上升到10 MΩ。
表1 仿真参数
运行仿真模型，将得到的各电压值用于计算绝缘电阻Ri2，按照公式（3）和公式（4）分别计算的结果和仿真给的Ri2作对比，得到的结果如图3所示。
从图3中可知，当Ri1和 Ri2较少时，公式（3）计算值是准确的，随着Ri1和Ri2越大，计算结果准确度越低，而公式（4）计算所有结果都偏差较大。为了分析原因，将U1和U1’的值进行分析，见图 4所示，可知这两个值随着电阻值的增大，两个电压值的比值已经不是 2，且两个值相加和总电压UREESS相差较大。这是由于当电阻Ri1和Ri2值逐渐增大时，电压表的内阻值不可忽略，所以计算不准确，需要把电压表内阻对试验结果的影响去掉。
图2 单表法仿真模型
图3 单表法绝缘电阻值对比图
图4 单表法U1和U1’值
1.3 双电压表测试法
为了在绝缘电阻值较大时消除电压表内阻的影响，利用双标法进行测试。双表法是利用两个电压表同时并联电路中，同时测得U1和U1’值，然后在Ri1上并联电阻R0，再一次同时测量两端电压U2和U2’。利用Simscape建立仿真模型，限于篇幅，此处仅给出U2和U2’值的测试仿真模型如图5所示，其中仿真参数用表1中参数。
图5 双表法仿真模型
按照绝缘电阻的计算公式一和公式二进行计算都是没有考虑电压表内阻的因素，所以按照图5仿真结果进行仿真时，需要去掉电压表内阻的影响。并联电阻的计算公式见下式：
先由图5仿真模型并结合式（4）计算R，再结合式（5）计算得到Ri2，双表法计算绝缘电阻和实际值进行比较如图6所示。计算结果与实际值是无误差的，证明双表法计算绝缘电阻的准确性。其中将 U1和 U1’的值进行分析，见图 7所示，两者之和一直等于总电压 UREESS，也能说明电压的准确性。
图6 双表法绝缘电阻值对比图
图7 双表法U1和U1’值
2 测试方法试验验证
为了验证双表法计算绝缘电阻的准确性，用某国产电动客车先在重庆机动车强检试验场进行涉水试验，车辆在 30 cm水深的水池中，以5 km/h的速度行驶5 min，完成涉水试验后进行绝缘电阻的检测和计算，测试试验如图8所示。
测试车辆的总电压参数值为UREESS为451 V，并联的电阻R0为0.1 MΩ，电压表内阻为10.9 MΩ，利用单表法和双表法进行计算结果如表2所示。由表可知，单表法U1和U1’之和不等于总电压，会造成绝缘电阻的计算误差，而双表法测得的电压是准确的，和仿真是一致的。
图8 测试试验
表2 试验测试结果
3 结论
本文分析电动汽车绝缘电阻的测试方法，针对单表法和双表法计算绝缘电阻进行了公式推导，基于Simscape建立了两种方法的仿真模型。分析仿真结果，可知单表法受到电压表内阻的影响，而双表法能准确计算绝缘电阻值，最后用实验验证了仿真结果的准确性。
针对现有对绝缘电阻测试的研究都是从理论上分析，难以从数据中直观地看到计算方法的差异性和影响因素，而设计测试计算界面不考虑计算方法的误差，会造成最终计算结果的不准确。本文提出基于Simscape建立仿真模型，分析绝缘电阻测试和计算方法的准确性，最后用实验验证了仿真分析的准确性，为绝缘电阻测试提供参考。
1 绝缘电阻测试原理及仿真分析
1.1 绝缘电阻测试原理
标准GB/T 18384中给出了绝缘电阻的测试原理，首先分别测量REESS的两端与电平台之间的电压，电压较高的一端定义为U1，电压较低的一端定义为U1’，原理图如图1（a）所示，相应的两个绝缘电阻分别定义为Ri1和Ri2；然后在Ri1上并联一个电阻R0，再一次测量两端电压，分别为U2和U2’，原理图如图1（b）所示。
图1 绝缘电阻的测量
利用欧姆定律求解图1，可得到表达式：
结合式（1）和（2），求得绝缘电阻Ri2的计算公式（3）：
又
可求得绝缘电阻Ri2的计算公式（4）：1.2 单电压表测试法
绝缘电阻的测试方法有单表法和双表法，单表法是用一个万用表分别测试试验所需的电压值。为了模拟真实测量和计算绝缘电阻的过程，采用Simscape建立仿真模型，限于篇幅，此处仅给出U1的测试仿真模型如图2所示，仿真参数如表1所示。为了仿真能体现实际绝缘电阻较多值，Ri1在10 S内线性的从0.2 MΩ上升到20 MΩ，Ri2在10 S内线性的从0.1 MΩ上升到10 MΩ。
表1 仿真参数
运行仿真模型，将得到的各电压值用于计算绝缘电阻Ri2，按照公式（3）和公式（4）分别计算的结果和仿真给的Ri2作对比，得到的结果如图3所示。
从图3中可知，当Ri1和 Ri2较少时，公式（3）计算值是准确的，随着Ri1和Ri2越大，计算结果准确度越低，而公式（4）计算所有结果都偏差较大。为了分析原因，将U1和U1’的值进行分析，见图 4所示，可知这两个值随着电阻值的增大，两个电压值的比值已经不是 2，且两个值相加和总电压UREESS相差较大。这是由于当电阻Ri1和Ri2值逐渐增大时，电压表的内阻值不可忽略，所以计算不准确，需要把电压表内阻对试验结果的影响去掉。
图2 单表法仿真模型
图3 单表法绝缘电阻值对比图
图4 单表法U1和U1’值
1.3 双电压表测试法
为了在绝缘电阻值较大时消除电压表内阻的影响，利用双标法进行测试。双表法是利用两个电压表同时并联电路中，同时测得U1和U1’值，然后在Ri1上并联电阻R0，再一次同时测量两端电压U2和U2’。利用Simscape建立仿真模型，限于篇幅，此处仅给出U2和U2’值的测试仿真模型如图5所示，其中仿真参数用表1中参数。
图5 双表法仿真模型
按照绝缘电阻的计算公式一和公式二进行计算都是没有考虑电压表内阻的因素，所以按照图5仿真结果进行仿真时，需要去掉电压表内阻的影响。并联电阻的计算公式见下式：
先由图5仿真模型并结合式（4）计算R，再结合式（5）计算得到Ri2，双表法计算绝缘电阻和实际值进行比较如图6所示。计算结果与实际值是无误差的，证明双表法计算绝缘电阻的准确性。其中将 U1和 U1’的值进行分析，见图 7所示，两者之和一直等于总电压 UREESS，也能说明电压的准确性。
图6 双表法绝缘电阻值对比图
图7 双表法U1和U1’值
2 测试方法试验验证
为了验证双表法计算绝缘电阻的准确性，用某国产电动客车先在重庆机动车强检试验场进行涉水试验，车辆在 30 cm水深的水池中，以5 km/h的速度行驶5 min，完成涉水试验后进行绝缘电阻的检测和计算，测试试验如图8所示。
测试车辆的总电压参数值为UREESS为451 V，并联的电阻R0为0.1 MΩ，电压表内阻为10.9 MΩ，利用单表法和双表法进行计算结果如表2所示。由表可知，单表法U1和U1’之和不等于总电压，会造成绝缘电阻的计算误差，而双表法测得的电压是准确的，和仿真是一致的。
图8 测试试验
表2 试验测试结果
3 结论
本文分析电动汽车绝缘电阻的测试方法，针对单表法和双表法计算绝缘电阻进行了公式推导，基于Simscape建立了两种方法的仿真模型。分析仿真结果，可知单表法受到电压表内阻的影响，而双表法能准确计算绝缘电阻值，最后用实验验证了仿真结果的准确性。
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