摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池由于其高能量效率和零碳環(huán)保性，可用作汽車動(dòng)力來源。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有100～300 V的直流電壓，經(jīng)DC-DC的boost電路升壓后，電壓可達(dá)到600 V，必須對其直流母線絕緣電阻值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)時(shí)監(jiān)測，才能確保其符合電動(dòng)汽車的電氣安全條件。首先建立絕緣電阻的測量模型，然后利用絕緣電阻監(jiān)測模塊在線測量絕緣電阻，得到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中絕緣電阻隨時(shí)間的遷變曲線，為后續(xù)在不同條件下（如電流大小、運(yùn)行溫度等）研究燃料電池絕緣電阻的遷變規(guī)律，以及提高和改善其絕緣性能提供參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)；絕緣電阻；在線檢測

中圖分類號(hào)：U473 收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408019

1 前言

燃料電池汽車是電動(dòng)汽車的一類，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（燃料電池系統(tǒng)）的能量是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用產(chǎn)生的，而不是經(jīng)過燃燒變成電能的。燃料電池發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程中不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池車輛是無污染汽車[1-2]。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率極高，比內(nèi)燃機(jī)要高2～3倍[3]，因此從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面來說，燃料電池汽車是一種理想的車輛。

現(xiàn)有國內(nèi)燃料電池汽車的發(fā)展主要采用電-電并聯(lián)的技術(shù)路線，即動(dòng)力電池單元與燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)一起為汽車提供動(dòng)力源泉。燃料電池汽車絕緣監(jiān)測工作主要由動(dòng)力電池單元（BMS）來完成[4]，燃料電池系統(tǒng)主要通過CAN總線來獲取絕緣電阻值。但是該系統(tǒng)在進(jìn)行臺(tái)架測試過程中無法定位出絕緣電阻故障源，使得臺(tái)架上的燃料電池系統(tǒng)的安全性能較低，風(fēng)險(xiǎn)極大。

根據(jù)GB/T 3805—2008《特低電壓（ELV）限值》可知安全電壓和安全電流要求，其中安全電壓值為42 V、36 V、24 V、12 V和6 V，安全電流為10 mA，但在有防止觸電保護(hù)裝置的情況下，允許人體所能通過的電流為30 mA?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)及臺(tái)架試驗(yàn)中燃料電池系統(tǒng)無絕緣檢測的問題，本文分析了兩種絕緣電阻測量原理，并針對臺(tái)架設(shè)計(jì)了絕緣電阻檢測方案。

2 絕緣電阻測量模型

2.1 脈沖注入法

脈沖注入法測量絕緣電阻的原理見圖1，絕緣監(jiān)測儀產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)對稱的低頻方波脈沖信號(hào)[5-6]，幅值為±15 V。在燃料電池系統(tǒng)直流母線與汽車底盤（大地）之間注入脈沖信號(hào)。

脈沖信號(hào)通過限流電阻串[Rx]、采樣電阻[Rs]與待測正極對地絕緣電阻[Riso+]、負(fù)極對地絕緣電阻[Riso-]構(gòu)成回路。利用[Rs]上的實(shí)時(shí)采樣信號(hào)，通過MCU算法即可得到待測系統(tǒng)對汽車底盤（大地）的絕緣電阻值[Riso+]、[Riso-]、[Riso]。絕緣電阻有兩種輸出方式：一種是輸出正極和負(fù)極分別對地絕緣電阻值[Riso+]和[Riso-]；一種是輸出正負(fù)極對地絕緣電阻的并聯(lián)值[Riso]。絕緣電阻輸出方式如圖2a、圖2b所示。

[Riso+]和[Riso-]分別是指電池組正極BUS+對汽車底盤（大地）和電池組負(fù)極BUS-對汽車底盤（大地）的絕緣電阻值，方便區(qū)分正負(fù)極對地絕緣故障。正負(fù)極對地絕緣電阻的并聯(lián)值[Riso]是指所有絕緣電阻的并聯(lián)值，其故障接地位置通過電壓[V1]和[V2]表示：[V1]為電池組正極BUS+對接地點(diǎn)的電壓，[V2]為接地點(diǎn)對電池組負(fù)極BUS-的電壓，[V1+V2]為電池組直流電壓值[VDC]，通過讀取[V1]的數(shù)據(jù)，方便查找確定電池組內(nèi)部的絕緣故障點(diǎn)位置。

2.2 不平衡橋檢測法

不平衡橋檢測法的原理見圖3，圖中“上下橋臂采樣電阻”為厚膜電阻或者高精度電阻，電阻（[R11]、[R21]）阻值大小為2 MΩ左右，電阻（[R12]、[R22]）阻值大小為10 kΩ左右。

在兩組精密電阻（[R11]、[R12]和[R21]、[R22]）上下布置構(gòu)成的電路上依次接入兩個(gè)MOS管開關(guān)[Swp]和[Swn]，MCU通過控制MOS管開關(guān)[Swp]和[Swn]的接合順序來調(diào)整精密電阻[R11]、[R12]和[R21]、[R22]分別接入，從而可以計(jì)算出“直流母線正極對地（底盤車架）的絕緣電阻[Rp]”和“直流母線負(fù)極對地（底盤車架）的絕緣電阻[Rn]”。“上下橋臂開關(guān)[Swp]和[Swn]”一般是光控MOS場效應(yīng)管（如AQV258）。單片機(jī)（MCU）將采集到的[R11]和[R22]電壓通過內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過內(nèi)部算法處理程序，可以計(jì)算出絕緣電阻[Rp]和絕緣電阻[Rn]。

3 絕緣電阻求解

3.1 上橋臂采樣點(diǎn)（直流母線正極對地）的電壓

上文中介紹了兩種絕緣電阻的檢測原理，本節(jié)針對不平衡橋檢測法進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)求解。光控MOS開關(guān)管[Swp]閉合，[Swn]斷開，參考點(diǎn)選取地（底盤車架），直流母線正負(fù)極流出和流入的電流，大小值為別[i1]和[i2]，[Rp]上的電流值大小為[i3]，[R12]上的電流大小為[i4]。直流母線正極對地的電壓為[Ub+]，直流母線負(fù)極對地電壓為[Ub-]，此時(shí)可以計(jì)算出動(dòng)力電池的總電壓為[Ubp]，通過電路歐姆定律可以得到：

[i4=UspR12] （1）

[Ub+=Usp+R11i4=Usp（1+R11R12）] （2）

[i3=Ub+Rp] （3）

由式（1）、式（2）、式（3）可以得到直流母線正極流出的電流：

[i1=i3+i4=Ub+Rp+UspR12=Usp（1Rp+R11R11R12+1R12）]

又因[i1+i2=0]和[Ub++Ub-=0]，故可得：

[Ub-=Rni2=-Rni1=-RnUsp（1Rp+R11R11R12+1R12）] （4）

[Ub-=Ubp-Ub+=Ubp-Usp（1+R11R12）] （5）

由式（4）和式（5）聯(lián)立可以得到以下等式：

[UspR11+R12-UbpR12=RnUspR11+R12+RpRp] （6）

3.2 下橋臂采樣點(diǎn)（直流母線負(fù)極對地）的電壓

光控MOS開關(guān)管[Swp]斷開，[Swn]閉合，同樣參考點(diǎn)選取地（汽車車架），此時(shí)計(jì)算出動(dòng)力電池的總電壓用[Ubn]。與“上橋臂采樣點(diǎn)（直流母線正極對地）的電壓”同理可計(jì)算得：

[RsnR21+R22-UbnR22=RpUsnR21+R22+RnRn] （7）

3.3 絕緣電阻計(jì)算

綜合式（6）和式（7）可以得到關(guān)于[Rp]和[Rn]的方程式，從而求解出“直流母線正極對地（汽車車架）的絕緣電阻”和“直流母線負(fù)極對地（汽車車架）的絕緣電阻”。

4 檢測結(jié)果

絕緣電阻值是判斷電氣系統(tǒng)絕緣性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，而對于燃料電池而言，檢測燃料電池的正負(fù)極母線分別對地的絕緣電阻值是很重要的。根據(jù)《GB/T 36288—2018燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池堆安全要求》中表述：燃料電池堆在加注冷卻液而且冷卻液處于冷態(tài)循環(huán)狀態(tài)下，正負(fù)極對于地絕緣性要求分別不應(yīng)低于100 Ω/V。在燃料電池系統(tǒng)測試過程中，選用“不平衡橋檢測法”原理的絕緣監(jiān)測儀，絕緣監(jiān)測設(shè)備實(shí)物如圖4所示，絕緣監(jiān)測儀接入燃料電池系統(tǒng)的架構(gòu)如圖5所示。

燃料電池系統(tǒng)上電后，由絕緣監(jiān)測儀通過CAN報(bào)文以1 000 ms為周期間隔向燃料電池控制器（FCU）發(fā)送絕緣阻值，測試結(jié)果如下（單位為kΩ）。根據(jù)測試曲線結(jié)果可知，絕緣電阻保持在30 MΩ以上，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)平臺(tái)電壓為1 000 V可知，對地絕緣性達(dá)30 000 Ω/V，符合國標(biāo)要求。

5 結(jié)語

本文建立了兩種絕緣電阻的測量模型，然后利用絕緣電阻監(jiān)測模塊在線測量絕緣電阻，得到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中絕緣電阻隨時(shí)間的遷變曲線，根據(jù)變遷曲線可知對地絕緣性達(dá)30 000 Ω/V，遠(yuǎn)超國標(biāo)GB/T 36288—2018要求的100 Ω/V，燃料電池系統(tǒng)可作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源進(jìn)行使用。

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作者簡介：

袁程，男，1993年生，工程師，研究方向?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。