随着人们对能源安全与环境保护意识的逐渐加强，电动车将慢慢成为社会的主要出行方式。由于政策支持及市场需求，电动车使用规模在近几年发展迅速。然而，电动车的安全技术仍然亟待提高，各种电动车安全事件持续出现在人们的视线中，这也引起了国家对于电动车安全性能的高度重视。本文将对电动客车的绝缘电阻及其影响因素进行分析验证，并对比解析了几种主流车辆绝缘电阻监测方案，最后提出优化设计。

一、绝缘电阻介绍

（一）绝缘电阻的定义

GB/T.5—《电线电缆电性能试验方法第5部分：绝缘电阻试验》中给出了绝缘电阻的定义，即它是在一定条件下，处于两个导体之间的绝缘材料的电阻，而排除表面电流后由体积导电所确定的绝缘电阻部分称为体积电阻[1]。在电动客车上，设备各线束绝缘性能的好坏对车辆的安全运行有着重大影响。而衡量绝缘性能的主要标准就是绝缘电阻。

零部件绝缘电阻的测量一般采用绝缘电阻表法，直接读取15s和60s时的绝缘电阻值，把施加电压60s、15s时的电阻R60、R15的比值R60/R15作为吸收比。或读取1min和10min的绝缘电阻，把施加电压10min、1min时的绝缘电阻R10、R1的比值R10/R1称为极化指数。绝缘电阻、吸收比和极化指数的测量是评价电气设备绝缘质量最基本的方法。绝缘电阻高，吸收比较低，是绝缘良好的表现。

（二）通过绝缘电阻的电流

直流电压加到电力设备的绝缘介质上时，会有一个随时间逐渐减小，最后趋于稳定的电流通过。这个电流可视为由电容充电电流、吸收电流和泄漏电流三部分组成，如图1所示[2]。

图1通过绝缘电阻的电流成分

（1）电容充电电流

直流电压作用到电力设备的绝缘介质上，加压瞬间相当于电容充电，产生一个随时间迅速衰减的充电电流，如图1(a)中的i1所示。电容充电电流实际是由于在电场作用下介质分子的快速极化过程形成的位移电流，由于这一极化过程瞬时快速完成，因而充电电流i1瞬间即逝。

（2）吸收电流

由于不同介质电性能的差异产生吸收现象而引起的电流，称为吸收电流，如图1(a)中的i2所示。

（3）泄漏电流

当直流电压加到被试品时，绝缘介质内部或表面会有带电离子，这些离子做定向移动形成电流，称为泄漏电流。如图1(a)中的i3,其数值等于总电流i趋于稳定后的数值I。图1（b）是等效电路图，总电流i=i1+i2+i3,电流稳定后用I表示。

绝缘电阻R的读数在加电压初期是随时间变化的。最初总电流i具有最大数值，这时电阻R最小。由于电容充电电流i1很快衰减，吸收电流也随时间衰减，因此总电流i随加压时间t的延长而逐渐衰减，电阻与电流成反比，因此测得的绝缘电阻R是随加压时间的延长而逐渐上升的。最后，当充电电容电流i1和吸收电流i2都衰减到趋近零，总电流i趋于稳定，等于泄漏电流i3。

（三）绝缘电阻的要求

在即将颁布的电动车三大安全强制标准中，均对绝缘电阻有着详细的要求，由此可见，绝缘电阻是安全领域中最重要的参数之一。

GB《电动客车安全要求》中要求：整车涉水试验完成后10min内，整车绝缘电阻值应大于1MΩ。

GB《电动汽车安全要求》中要求：

（1）在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值应大于Ω/V，交流电路应大于Ω/V。如果直流和交流的B级电压电路可导电的连接在一起，则应满足绝缘电阻大于Ω/V。

（2）车辆充电插座的绝缘电阻，包括充电时传导连接到电网的电路，当充电接口断开时应不小于1MΩ。

（3）车辆应有绝缘电阻监测功能，在车辆B级电压电路接通且未与外部电源传导连接时，能够持续或者间歇地检测车辆的绝缘电阻值，当该绝缘电阻值小于制造商规定的阈值时，应通过一个明显的信号（例如：声或光信号）装置提醒驾驶员。

GB《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中要求：电池包或系统在进行完任意性能试验后其绝缘电阻值均不得小于Ω/V。

二、绝缘电阻的模型

绝缘电阻并非一定是直观存在的一种“电阻”，即使是两个在空间上相互分离的导体，它们中间也存在着绝缘电阻，这是一种对导电性能优劣的判定参数而并非是对“客观实物”的描述。因此，电动车上所有的电器与车身地之间都存在着绝缘电阻。但一般情况下，绝缘电阻多用于考量高压电器的电气安全性能，因为额定电压在人体安全电压36V以内的低压电器即使绝缘电阻很小，也不会因低压漏电而对人体造成伤害。

动力电池组正、负极接线端子及其连接线束对外壳分别存在绝缘电阻，外壳对车身地存在绝缘电阻，这些电阻等效为电池直流正负母线对地绝缘电阻RN及RP（图2）；直流设备正、负极接线端子及其连接电缆对车身地也存在绝缘电阻，这些绝缘电阻又以串、并联的形式等效为电气设备正、负极对车身地的等效绝缘电阻RN1及RP1；同理，交流设备中，也可得到三相线对地等效绝缘电阻RA、RB、RC[3]。

由此可见，整车的绝缘电阻是由车上所有的高压零部件的绝缘电阻共同决定的，其模型为所有电阻的并联模型。同理，每个电池包的绝缘电阻，由其中包含的所有电芯的绝缘电阻决定，而整个电池系统的绝缘电阻，由其中包含的所有电池包的绝缘电阻决定（图3）。

因此，要想做好整车绝缘电阻的设计与管控，最重要的方法之一，就是保证零部件的绝缘电阻符合相应的要求。

三.绝缘电阻的影响因素

（一）温度影响

就一般情况而言，绝缘介质的绝缘电阻和吸收比是随温度的上升而下降的。

原因一是:温度升高后加速了绝缘介质内部电子和离子的热运动；

原因二是:在低温条件下,绝缘介质中的水分是与其它介质紧密结合的,当温度升高后,水分子就向电磁场两极延伸,因而增加了绝缘介质的电导性能,故绝缘电阻就呈指数规律下降了。

有资料表明：一般的绝缘体温度每变化8～10℃，其绝缘电阻就会变化一倍的量。

为验证温度对车辆绝缘阻值影响，针对车辆高低温实验进行了数据采集，详情如下（上方为绝缘阻值曲线，下方为温度曲线）。

（1）在进行温升实验时（如图4），我们可以清楚地看到，随着温度的上升（下方彩色曲线），车辆的绝缘阻值在逐渐下降（上方红色曲线）；

（2）在进行温降实验时（如图5），我们可以清楚地看到，随着温度的缓慢下降，车辆的绝缘阻值在逐渐上升；

（3）在进行温度循环实验时（图6），我们可以清楚地看到，随着温度的上下波动，车辆的绝缘阻值也呈现出相反的波动趋势。

图6某电动车高低温实验的温度循环数据图

由上述记录中车辆绝缘阻值与零部件（电池、IGBT、电机绕组等）温度对应情况来看，车辆绝缘阻值呈现随零部件温度升高而降低、随温度降低而升高的趋势，基本与理论一致。

但由于最高温升有限（至90℃左右），车辆绝缘阻值下降最大仅几十KΩ，因此，在有限温度范围内，温度对整车绝缘阻值影响不大。

（二）湿度影响

随着环境湿度的不断增加，电气设备绝缘材料上面的水分会越来越多，这将会大大提高材料电导率，从而使得设备的绝缘电阻和耐压强度降低。湿度主要影响表面泄漏电流：绝缘表面吸附潮气，形成水膜，水中含有的溶解杂质或绝缘物内含有的盐类、酸类物质会被水分解电离，进而提高了导电率，使绝缘电阻明显降低。因此，绝缘体受潮后绝缘电阻会变小。

同时，相对绝缘介质而言，水的介电常数较大，增大了介质（如空气）的导电性，使容性耦合易于发生且击穿电压降低。下面举出两个实例。

例1：雨后测量得出的氧化锌避雷器绝缘电阻仅为MΩ，但在表面干燥的情况下，绝缘电阻会上升到00MΩ以上。

例2：某电雷管生产中测试绝缘电阻不合格的产品，将其存放于盛有硅胶的密闭干燥器中48ｈ后，测试绝缘电阻均合格，将其裸露放到库房中一个月，测其绝缘电阻又恢复到原来的不合格水平。

因此，对于绝缘电阻的要求需要规定在特定温度、湿度等条件下进行测量。

针对雨天是否会对车辆绝缘阻值造成显著影响，笔者分别在晴天、雨天对某电动客车进行了绝缘阻值的测试。

参照GB《电动汽车安全要求》6.2.1　整车绝缘电阻测试”所述双表法对车辆进行测试（图7）。主要测量工具为万用表及电阻箱。具体测试步骤如下：

图7双表法测试工具

（1）先测试整车正、负极对地的电压U+、U-；

（2）由于漏电传感器中激励电源会周期性变向，导致测试电压波动，因此需要先断掉漏电传感器；

（3）在电压高的一端并上R0=1MΩ的电阻箱，再测试正、负极对地的电压U+’、U-’；

（4）根据公式：R=R0×（U+’/U-’-U+/U-）式1

可以求得整车绝缘电阻R的阻值。

通过测试可知，该车绝缘电阻为6MΩ左右，同时晴天、雨天绝缘阻值无明显变化。

分析原因为：雨水仅在车身外部（未进入至后舱等电器布置空间），且雨水尚未来得及蒸发至车内空气中，因此未造成空气介电常数增大。

（三）磁场影响

随着外界磁场变强，对绝缘阻值影响越大。如果环境中的外磁场较强，则应考虑交变磁场产生的影响。在交流电路中，由于每个线圈都能产生交流磁场，所以，各元件之间由于磁场所产生的影响会造成较大的影响。例如，一台变压器的绝缘电阻为MΩ，但在强磁场下（例如旁边有电抗器），其绝缘电阻只有MΩ。

（四）电场影响

当运行电压不正常，电压升高，游离电子在电场中游离速度提高，游离电子与晶格结点原子相撞，产生电击穿。

由于绝缘体之间可能形成电容，导致交流电通路，进而引发电流泄漏或影响电器元件。电场的影响可表现为导体间电容泄漏电流，这种电容性漏电会导致绝缘电阻值发生变化。

长时间直流电压作用下，即使电压远低于局部放电起始电压，绝缘介质（如电缆绝缘层）内部进行电化学过程使介质老化，从而影响绝缘性能。

（五）耐久及可靠性

绝缘老化：材料随使用程度及时间变化而发生老化，导致绝缘性能发生不可逆下降现象（击穿强度降低、介质损耗增加）。

为验证材料老化对车辆绝缘阻值的影响，通过车辆监控后台大数据对比同批次车辆在不同行驶里程下的绝缘电阻，并以此建立散点热力图进行分析（图8）。通过图像可知，几万公里的运营里程对车辆的绝缘电阻没有明显影响，该项对比试验仍需长期监控才能建立较为直观的影响趋势。

图8行驶里程-绝缘电阻的散点热力图

四、现行绝缘监测方案

（一）电桥检测法

（1）平衡桥检测法（图9）：

绝缘性能良好的情况下，正、负母线对地的绝缘电阻可以认为是相等的，正、负端子可作为两个桥臂，地可以作为一个桥臂，另外，可以在正、负母线之间串联两个等值的较大的电阻，两电阻之间是一个桥臂，这样就构成了一个平衡电桥电路。在地与串联的两电阻之间串上电流表，在绝缘良好的情况下，流过两桥臂之间的电流为零，一旦一端绝缘下降，电桥便失去平衡，电流表便有电流流过。

缺点：对构建的电路的精确度要求很高，另外，在正、负极绝缘性能同时降低时，电桥仍然保持平衡无电流，测量不准确。同时并联平衡桥使车辆绝缘阻值下降。

（2）不平衡桥检测法：缺点是车身地中性点偏移，且车辆绝缘阻值下降。在这里不作赘述。

（二）信号注入法

（1）交流信号注入法（图10）：将信号通过电池的一端注入，将霍尔检测传感器加在负载上。正常情况下，负载线流入和流出的电流大小相等，传感器无信号输出，当电池的正、负母线与地相接出现绝缘故障时，部分交流电流通过接地电阻与地形成回路，负载线上流入和流出电流不再相等，传感器发出电压信号警报。

该方法的优点是不降低绝缘阻值也不会使中性点偏移，能够检测出正、负母线绝缘电阻同时下降时的情况；缺点是交流信号的注入不仅增大了直流供电系统的纹波系数，影响供电质量，而且交流信号受到电路分布电容的影响，最终的检测精度不是很高。国网技术规范已提出，绝缘检测装置不宜对直流电源系统注入交流信号。

（2）直流信号注入法：通过PWM信号控制隔离变压器，分别给电池正、负母线与车体之间注入高压直流信号，进行绝缘电阻的测量。这种方法利用直流高压进行绝缘电阻的检测，能够提高检测的精度，但是瞬间的高电压对于电路的冲击很大，电路结构复杂，且PWM波的稳定性也存在问题。

（三）一种常用的绝缘监测原理分析及优化

业内一种常用的绝缘监测方案使用低压直流信号注入法。监测原理如下(图11)：R1为1MΩ，V1为双向48V电压源，切换频率为1Hz。R2为采样电阻，大小为3.6kΩ。U为漏电传感器内部正反向切换电压源，通过正反向切换48V电压源，算出R1\R2\Rx回路中的电流，进而计算出Rx：

图11直流信号注入法原理图

电压正向时，

Rx=（V1+V3）/I1-(R1+R2)式2

电压反转时，

Rx=（V1-V3）/I2-(R1+R2)式3

结合上述两个式子可知：

Rx=2V1/(I1+I2)-R1-R2式4

其中I1和I2由漏电传感器MCU测量，I1和I2通过V2/R2求得，上式中V3为等效绝缘电阻两端电压。

由上述原理分析及实际测试结果可得出：

a.车辆实际绝缘阻值为高压正极绝缘阻值、高压负极绝缘阻值、漏电传感器电阻三者的并联值，而漏电传感器检测的仅为高压正负极绝缘阻值两者的并联值，比实际整车绝缘阻值要大，可能无法精确的起到漏电保护的作用；

b.该检测原理只能检测到绝缘阻值下降但并不能区分是高压正极接地还是高压负极接地。同时漏电传感器电阻自身的接地风险为整车多提供了一种漏电工况；

c.一般情况下，正极绝缘电阻与负极绝缘电阻大小一致，使车身地电位处于电压平台中性点（0V左右），但由于漏电传感器电阻与负极绝缘电阻并联，导致实际整车负极绝缘电阻大幅下降，使得负极分压变小，导致车身地电位向负极偏移。以电平台V为例，表现形式如下：正极共模电压为V而负极共模电压仅为-60V（地电位为中性点时应为正负V左右）；

d.从Y电容储能角度来说，由于W=0.5CU，地电位的偏移造成的正极共模电压上升使正极储存电能呈指数上升，不利于车辆电安全及标准法规中0.2J的储能阈值；

e.充电时，车身地与远端电网地相接，由于电网地电位为0而车身地电位为负，则连接瞬间会有瞬时电冲击（N线、pe线）将车身地电位拉高至0，同时正负极两端的分压由于地电位变化而改变（负极分压增大正极分压减小），正极Y电容放电给负极Y电容充电，形成环流，可能造成三相不平衡；

图12充电地电位示意图

f.在实际情况中，由于车辆高压电器与车身地之间存在较大的寄生电容，会影响绝缘监测系统的计算结果。在同等绝缘电阻条件下，寄生电容大会导致电容充电时间较长，因此在检测周期较短的情况下漏电传感器MCU检测到的电流I包含了电容充电电流而并非只是单一的泄漏电流，因此（I1+I2）的测量数值会偏大，导致计算得出的RX小于车辆实际绝缘电阻值。

针对以上问题，提出以下措施进行优化：

(1)通过计算将漏电报警的阈值进行适当提高，通过足够的冗余来消除由漏电传感器电阻带来的数值偏差；

(2)增大漏电传感器电阻同时在正极与车身地之间也接入同等大小的大电阻，在保证车身地电位为中性点时也不会对车辆绝缘电阻由较大影响；

(3)在管控零部件及整车Y电容（包含寄生电容）大小的同时，调整检测周期，使电容充电电流趋近于0便可保障绝缘阻值的检测精度。在实际测试中，对于Y电容较大的车辆使用长时检测周期得出的绝缘阻值要明显大于短时检测周期得出的绝缘阻值。

五、结论

本文通过对绝缘电阻进行简单的介绍，分析了绝缘电阻的作用及相关影响因素，并对实车案例进行了测试及验证。无论是对于人体安全还是车辆电气性能，绝缘电阻都起着十分重要的作用，需要工程师在产品和车辆的设计到生产的全生命周期中都十分重视。在后续工作中提升绝缘电阻在各种极端恶劣环境中的稳定性，具有重大意义。

参考文献

[1]GB/T.5—，电线电缆电性能试验方法第5部分:绝缘电阻试验[S].

[2]刘廷敏.电力变压器的绝缘电阻测量与分析研究[J].《电子测试》,(14).

[3]史慧玲魏学哲戴海峰.电动汽车电池包单点及多点绝缘模型及检測方法[J].《机电一体化》，(08).

[4]林泽荣.变压器制造中绝缘电阻偏低的原因解析[J].《科技与创新》,(07).