充电桩的绝缘电阻检测和充电过程的绝缘电阻检测

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[size=0.32]按语:为什么说充电过程的绝缘电阻检测是个“软柿子”?因为测量绝缘电阻的方法太大,具体到充电桩的产品方案成本差别很大。 而且,检测的结果误差大小难以界定。 本文总结了业内三种绝缘检测的方案,整理了三种绝缘电阻检测的方法，分享了一篇译文。

[size=0.32]在国家标准GB/T 18487.1-2015,《电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》中给出了“绝缘电阻”的检测标准:

[size=0.32]在供电设备非电气连接的各带电回路之间,各独立带电回路与地(金属外壳)之间按表2规定施加直流电压,绝缘电阻应不小于10M欧。

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[size=0.32]在充电桩和充电模块的第三方型式试验中,都会检测这个项目。这是采用专门的耐压测试仪、充电桩不带电的前提下进行检测的。这个检测项目在业内没有任何异议。

[size=0.32]在充电过程中,前期由充电桩负责充电系统的绝缘检测,后期由电动汽车负责。整个充电过程中,“绝缘”是否良好,关乎安全,须臾不能放松警惕。这种充电过程中绝缘性能的检测是如何进行的? 标准18487.1中惜字如金,在附录B的表B.2中给出了下面这段说明:

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[size=0.32]标准是如此惜字如金。总结几点:

[size=0.32]1.绝缘检测原理上所需要的高压是由充电模块产生的。

[size=0.32]为了实现绝缘检测,充电过程中有严格的时序安排。充电模块在给电池充电前有专门的、为了实现绝缘检测的“开机到关机”过程。   

[size=0.32]用于绝缘检测的电压大小在标准上也有定义:取BMS给出的最高允许充电总电压和充电模块输出额定电压的较小值。

[size=0.32]2.分别检测正、负对PE的绝缘电阻,取较小值作为判断依据。

[size=0.32]3.由于用来做绝缘检测的高压是不固定的,所以绝缘电阻的判断依据不是一个绝对的电阻值?标准中给出,R>500欧/V,我理解为:如果模块输出电压为500V,那么测试出来的绝缘电阻应大于250K欧才是安全的?

[size=0.32]在目前的充电桩行业,有三种方案实现这种带电状态下的在线绝缘检测:

[size=0.32]1. 将绝缘检测功能完全做进了充电桩控制器里面, 就是说充电桩控制器有端口用来作为高压强电的输入。

[size=0.32]2.将绝缘检测电路单独做成一个电路板,安装在充电桩上面,通过RS485将绝缘电阻的测试结果送给充电桩控制器。

[size=0.32]3.购买现成的绝缘检测模块。绝缘检测模块通过RS485将测试结果送给充电桩控制器。      

[size=0.32]我窃以为,上述三种方案都是可行的,因为标准中没有规定该怎样实现这种绝缘检测 。甚至标准中也没有提出是采用哪种检测方法,譬如是才有平衡电桥法还是非平衡电桥法?检测的误差允许多大?  标准上的宽松给业内人士带来了困惑,也导致很多人认为充电过程中的这个步骤就是那么个意思。

[size=0.32]这个绝缘检测步骤实质上成了个“软柿子”!在充电桩成本不敏感的情况下,一般都采用第3种方案。购买绝缘检测模块需要300元-500元的成本。如果充电桩的成本变得敏感,利用充电桩控制器自身的嵌入式计算功能,通过搭建外围电路来检测绝缘电阻也并不是很难的事情。采用方案1和2的成本和方案3相比几乎忽略不计。

[size=0.32]回到技术本身,不管采用哪种方案,具体绝缘电阻检测方法的工作原理和实现电路是什么样子的呢?  这看起来是一个简单的问题,但真的为此启动搜索,我们发现会陷入到巨量信息中。仅仅是在百度中搜索英文关键词“Insulation Testing”,有相关学术论文63015篇。我请实习生谭军喜君翻译了两篇英文,附件摘录他翻译的其中一篇的片段,希望对同行扩大知识面有帮助。  

[size=0.32]很多人对学术技术类的中文信息之杂乱抱有恐惧,因为不知道哪篇中文是作者认真写作的成果,可以用来作为正确的知识予以消化。我也有此恐惧。但毕竟母语阅读更快捷,绝缘检测相关的大量中文文档还是给了我一些参考。

[size=0.32] 常用的绝缘电阻检测方法包括有平衡电桥法,不平衡电桥法,低频探测法,等。当然,有大量的专利提出过不同的检测方法。

[size=0.32]1.平衡电桥法。   

[size=0.32]平衡电桥检测原理如下图所示,通过检测电压Uj和Um,再加上给定的电阻R来算出R+、R-,但当正、负绝缘都出现降低的情况下,检测的结果将与实际情况不符合。

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[size=0.32]2.不平衡电桥法。

[size=0.32]不平衡电桥法的实现原理如下图所示。桥臂切换到A桥时BUS+对地电压为Vap,BUS-对地电压为Van,桥臂对地电压为Vas;桥臂切换到B桥时BUS+对地电压为Vbp,BUS-对地电压为Vbn,桥臂对地电压为Vbs;桥臂悬空时BUS+对地电压为Vp,BUS-对地电压为Vn,BUS+对BUS-电压为Vpn;BUS-的接地电阻为Rxn,BUS+的接地电阻为Rxp。

[size=0.32]由基尔霍夫电流定律,不论桥臂切换到A桥还是B桥,都有I1+I2+I3=0。

[size=0.32]切换到A桥时有:

[size=0.32]Vap/(R2//Rxp)+Van/(R1//Rxn)+Vas/Rs= 0    ①

[size=0.32]切换到B桥时有:

[size=0.32]Vbp/(R2//Rxp)+Vbn/(R1//Rxn)+Vbs/Rs= 0    ②

[size=0.32]①、②两式中Rxp,Rxn为未知量,其余皆为已知量或测量量。通过①、②两式的方程组求解,即可计算出Rxp,Rxn的值。

[size=0.32]Vpn在桥臂出于任何状态时都可以通过1,2两点电压采样通过减法电路计算得出。

[size=0.32]Vp,Vn可以在桥臂悬空时通过1、2两点直接测量计算获得。如果桥臂没有悬空位置,则可以通过Vpn,Rxp,Rxn,R1,R2计算得出。

[size=0.32]具体计算公式如下

[size=0.32]Vp =(Rxp//R2)/(( Rxp//R2)+( Rxn//R1))*Vpn

[size=0.32]Vn =-(Rxn//R1)/(( Rxp//R2)+( Rxn//R1))*Vpn

[size=0.32]3.低频探测法。

[size=0.32]低频探测法的实现原理如下图所示。 图中虚线方框为绝缘检测简化电路。低频信号发生器对外加的 RC回路注入低频交 流信号,通过采样电容两端的实时电压值,计算出绝缘电阻值 。该方法可以避免直流电源的影响,实现绝缘性能的离线检测。充电桩的绝缘检测不应采用该方法。

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[size=0.32]每一个工程细节都细思极恐。我很感兴趣的是,怎么判断检测结果的准确度? 谁去管这个“软柿子”呢!!

[size=0.32]附:

[size=0.32]什么是绝缘检测?

[size=0.32]作者:Jim Gregorec, Ideal Industries, Inc.

[size=0.32]译者:谭军喜

[size=0.32]理解电气绝缘检测的基本原理有助于电力系统平稳安全地长期运行。在纯粹的理想世界里,所有电流都通过导线从一端传送到另外一端,然而,在实际情况下,部分电流因为诸多原因并不能到达“目的地”。即使是电流流过具有良好绝缘特性的电缆,仍然有部分电流从绝缘材料中泄露出来!  绝缘电缆通常是由绝缘材料包裹具有导电特性的铜或者铝制成。

[size=0.32]好比有些水管总会漏水一样,绝缘电缆的“不完美”导致部分稳定的电流“泄漏”出去,这种泄露对于电路和机器都是不利的。绝缘检测能够帮助你判断绝缘的效果是否在一个有效并且安全的水平。例行的绝缘检测有助于提前暴露问题,避免绝缘程度不够造成设备的损伤或故障。

[size=0.32]多种因素都会导致绝缘程度下降,如极端的高温或极端的低温、潮湿、震动、脏污、油渍和蒸汽腐蚀,等。因此,例行的绝缘检测是必要的。  

[size=0.32]绝缘检测中的总电流

[size=0.32]绝缘“完整性”检测需要测量它的“绝缘电阻”。绝缘电阻高意味着只有很小的电流从绝缘材料中泄漏出去; 相反,绝缘电阻小表示从绝缘材料中泄露出的电流大。

[size=0.32]通过对导体施加一个给定的电压,就有可能基于欧姆定律(R=V/I)原理,使用仪表定量地测量出具体的绝缘电阻的阻值。检测仪器施加的给定电压除以“从绝缘材料中泄露出来被仪表检测到的”电流,就得到了绝缘电阻值。从绝缘材料流过的总电流包括电容电容,吸收电流和漏电流。

[size=0.32]电容电流

[size=0.32]当电压第一次加载到导体上,加压瞬间相当于给电容充电,瞬间迸发出来的电流被称为电容电流,这就好比给胶皮管灌水,刚接上高压水源的瞬间,水花喷溅,水花一开始冲得很高,但下降得也很快。电容电流也是这个特点。  

[size=0.32]吸收电流

[size=0.32]和电容电流一样,吸收电流一开始也是一个很高的值然后下降,然而,吸收电流是以一个非常缓慢的速率下降的。随着电压的建立,这种吸收水平在绝缘材料中将会减少。这种渐变反映出潜在的能量保存在绝缘材料中有一个变化的过程。吸收电流在绝缘检测的瞬时电阻方法中是一个重要的组成部分。

[size=0.32]漏电流

[size=0.32]通常指的是导体电流,这种比较小而且稳定的同时存在于绝缘材料内外的电流被称为漏电流。随着时间的变化,漏电流的增加意味着绝缘材料的恶化。这在绝缘检测仪的测量结果上表现为绝缘电阻的减小。

[size=0.32]绝缘电阻检测的类型

[size=0.32]通过以上介绍,我们理解了绝缘电阻的定义以及绝缘电阻测量的重要性,接下来要讨论的是什么时候应该检测以及怎样检测。

[size=0.32]在安装新的电气设备时应进行绝缘检测,基于以下两个原因:

[size=0.32]首先,确保电气设备处在良好的绝缘状态才能开始运行。这种最初始的测试通常被叫做“首件检测”。其次,它为以后的检测提供了一种参考基准读数。

[size=0.32]由于有湿度、温度这样的影响因素存在,绝缘检测绝大多数都是基于相对测量。换句话说,绝缘电阻1.5兆欧,这个测量结果的意义并不大,如果没有之前测量结果进行比较的话。尺度的采用在例行的保持测试中可以给予我们有价值的关于绝缘的效果的信息,当条件多种多样时。在电气设备的例行维护时,检测绝缘电阻,可以得知环境变化后的绝缘性能。

[size=0.32]首件检测(proof test),短时检测/点读检测(short time/spot reading test),瞬时电阻检测(time resistance test),阶跃电压检测(step voltage test)是当今常用的四种检测方法,并且它们包括了必须的步骤以监视设备在每天的日常使用中处于良好的绝缘状态。  

[size=0.32]编者注:

[size=0.32]1.具体“四种检测方法的介绍”和“测量前要做的准备”从略,因为我们感到实用性不大。

[size=0.32]2.如对这篇文章的英文版感兴趣,搜索“What is InsulationTesting”可获英文原文。

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