（光学工程专业论文）基于fpga的电动汽车漏电检测及保护的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 1 i i i i i l l 1 l l l l l l l l t l l u l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l y 18110 2 0 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro f p h i l o s o p h y r e s e a r c hi n t od e t e c t i o na n dp r o t e c t i o no f i n s u l a t i o nf a i l u r ei ne l e c t r i cv e h i c l eb a s e d o nf p g a ) ( s u p p o r t e db yt h e “8 6 3 ”n a t i o n a lk e yp r o g r a mo fe l e c t r i cv e h i c l e s ，g r a n t n o 2 0 0 3 a a 5 0 1 0 3 3 ) s c h o o l d e p a r t m e n t ：a u t o m o t i v ec o l l e g e d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：l ub i s u p e r v i s o r ：p r o f z e c h a n gs u n v i c es u p e r v i s o r ：v i c ep r o f x u e z h ew e i m a r c h ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者 月7e l l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 一虢芊班 删年夕月1 7 1 日 摘要 摘要 随着电动汽车产业的不断发展，车载电源技术不断进步，如何保证高压电 安全问题已成为电动汽车设计时必须考虑的。本文以解决燃料电池电动汽车车 载电源高压电安全问题为对象，研究了基于f p g a 的电动汽车漏电检测及保护， 并在此基础上规划了一款通用的i c 芯片设计方案以期解决各种类型电动汽车的 漏电问题。 本文首先概述了课题的研究背景以及该领域国内外的研究现状，分析了人体 触及不同电压的车载直流电源时人体电阻的变化和直流电流对人体的效应；接 着介绍了电动汽车上漏电检测的原理和实现算法以及实现该算法所需重点解决 的问题；设计了硬件上实现方案及系统测试平台，并规划了将漏电检测模块进 行a s i c 设计的方案。研究了f p g a 的开发流程及使用硬件描述语言v e r i l o g 开 发f p g a 的方法，同时用v e r i l o g 语言编写了漏电检测及保护算法的程序。最后， 介绍了本课题在研究时对可靠性方面的分析结果并给出了在燃料电池电动汽车 上的实验结果及对未来工作方向的展望。 关键词：电动汽车，漏电检测，f p g a ，v e r i l o g a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ee l e c t r i cv e h i c l ei n d u s t r ya n dt h et e c h n o l o g yo fp o w e r - s u p p l yi ne vw e r e d e v e l o p i n gc o n t i n u o u s l y , i tm u s tb et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nt h a th o wt om a k et h e h i 曲v o l t a g es a f ei ne v t h i sp a p e ra i m e da ts o l v i n gt h eh i g l lv o l t a g es a f e t yi nf u e l c e l lv e h i c l ea n dd e s i g n e dam e t h o dt od e t e c ti n s u l a t i o nf a i l u r ei ne vw i t ht h e c o n t r o l l e ro ff p g a b a s e do nt h i s ，at y p eo fi c ( i n t e g r a t e dc i r c u i 0w a sl a i do u tt o g i v eau n i v e r s a ls o l u t i o nt oi n s u l a t i o nf a i l u r ep r o b l e mi ne v t h ep a p e rf i r s ts u m m a r i z e st h eb a c k g r o u n do fm yr e s e a r c ha n dt h ec u r r e n t s i t u a t i o ni ns u c ha s p e c ti nd o m e s t i ca n do v e r s e a ；t h e na n a l y z e st h ec h a n g eo f h u m a nr e s i s t a n c ea n dt h ee f f e c to nb o d yw h e no n eg e t se l e c t r i cs h o c k ；t h ep r i n c i p l e a n da r i t h m e t i co fi n s u l a t i o nf a i l u r ed e t e c t i o nw e r ep r e s e n t e da f t e rw h i c hi tg a v et h e d e s i g nr e s u l ti nh a r d w a r ea n dt h eb l u ep r i n to fa s i cd e s i g nf o ri n s u l a t i o nf a i l u r e d e t e c t i o n ；r e s e a r c hi n t ot h ed e v e l o p m e n tf l o wa n dm e t h o du s i n gv e r i l o gh d lf o r f p g a ，a n dp r o g r a mt h ea r i t h m e t i co fi n s u l a t i o nf a i l u r ed e t e c t i o n a tl a s t ，t h ep a p e r g a v et h ea n a l y s i sr e s u l to fr e l i a b i l i t ya n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l ti nf u e lc e l lv e h i c l e k e yw o r d s ：e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) ，i n s u l a t i o nf a i l u r ed e t e c t i o n ，f p g a , v e r i l o g 目录 目录 第1 章概述1 1 1 课题背景1 1 2 漏电检测在国内外的研究现状3 1 - 3 本课题的研究目的及意义6 第2 章人体电阻与电安全8 2 1 人体电阻的物理特性与阻抗大小8 2 1 1 人体电阻的物理特性8 2 1 2 人体电阻的阻抗大小9 2 2 直流电流对人体的效应1 3 2 3 电安全的防护1 5 2 3 1 安全电压限值1 5 2 3 2 电路的电压分级! 1 5 2 3 3 电动汽车的相关标准1 6 第3 章电动汽车漏电检测的原理分析1 8 3 1 电动汽车高压电路系统模型：1 8 3 2 电动汽车上人员触电位置及结果分析1 9 3 3 电动汽车上漏电检测的原理分析2 0 3 3 1 原理分析2 1 3 3 2 重点解决的问题2 3 第4 章漏电检测硬件系统实现2 4 4 1 漏电检测的系统设计2 4 4 i 1 系统设计的基本原则2 4 i i i 目录 4 ：1 2 漏电检测的系统结构框架2 5 4 2 元器件的选择2 5 4 2 1 开关的选择2 6 4 2 2 标准电阻的选择2 7 4 2 3 运算放大器的选择2 7 4 2 4 模拟滤波器的选择2 8 4 2 5a d 转换器的选择3 3 4 2 6 处理器的选择3 6 4 3 硬件电路的设计3 7 4 3 1 电源模块3 7 4 3 2 分压电路模块3 8 4 3 3 滤波处理模块3 8 4 3 4 电压采集模块3 9 4 3 5 处理器模块4 0 4 3 6p c b 的设计4 l 4 4 系统测试平台的搭建4 3 4 5 电动汽车漏电检测及保护的a s i c 设计4 6 4 5 1a s i c 与f p g a 介绍4 6 4 5 2 电动汽车漏电检测及保护的a s i c 设计规划4 8 第5 、章漏电检测软件系统设计5 0 5 1f p g a 开发工具及开发流程5 0 5 2h d l 语言介绍5 1 5 2 1v l i d l 语言5 2 5 2 2v e r i l o g 语言5 3 5 2 3 其他5 3 5 3 电动汽车漏电检测与保护的y e r i l o g 语言实现5 4 5 3 1s p i 协议的y e r i l o g 实现5 4 5 3 2l p m 模块及i p 的调用5 5 i v 目录 5 3 3 漏电检测算法的v e r i l o g 实现6 2 5 4 基于q u a r t u s i i 软件的f p g a 设计6 4 第6 章系统可靠性分析7 1 6 1 抗干扰技术的应用7 1 6 1 1 干扰类型及干扰途径7 l 6 1 2 干扰的抑制：7 2 6 2 参数测量误差对精度的影响7 3 6 3 电池电压瞬变对系统的影响7 3 6 4 交通事故的影响7 4 第7 章实验结果与前景展望7 5 7 1 实验结果7 5 7 2 总结与展望7 6 致谢7 8 参考文献7 9 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 1 v v i 第1 章概述 1 1 课题背景 第1 章概述 能源与环境是人类社会赖以生存和发展的基础。传统不可再生能源的短缺 与全球环境的不断污染已经成为全人类必须面对的难题。随着传统汽车的不断 发展，其促进世界经济发展和给人们提供便利的同时也将环境和能源问题推到 日益严峻的处境。“能源、环境和安全成为2 l 世纪世界汽车工业发展的3 大主 题”。 随着我国进入汽车消费普及期，汽车保有量将迅速增加，能源紧张状况与 日俱增，估计2 0 1 0 年将进口约2 亿吨石油，可能会成为我国第一大进口物质， 我国经济的发展将越来越依赖并受制于石油的进口，这势必会影响到国家的战 略安全。与此同时，汽车每年消耗我国汽油总产量的8 5 ，柴油总产量的2 0 ，因此石油短缺成为传统汽车发展道路上不可逾越的障碍。 第二次世界大战结束后，随着世界经济的迅速发展，环境污染问题日益突 出。毫不夸张地说，环境污染也成为当今人类面临的最大威胁之一。人类面临 的重大环境问题归纳起来大约有三方面：大气污染、水资源污染以及生态环境遭 受破坏。德国慕尼黑一家世界超级保险公司的最新报告指出：目前，世界气候的 变迁每年将使人类耗费掉3 0 0 0 多亿美元的巨额开支。其中，由二氧化碳等气体 直接导致的温室效应是造成上述庞大开支的重要原因。 机动车辆运行对环境的影响主要是大气污染和噪声污染。在世界卫生组织 确认的6 类大气污染物质一氧化碳( c o ) 、铅( p b ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 、悬浮颗粒物 ( s p m ) ( 包括尘土、烟灰、烟雾和烟尘) 、二氧化硫( s 0 2 ) 和对流层臭氧( w h o1 9 9 9 ) 及温室气体中，机动车辆污染物排放主要有其中5 项。城市噪声的污染主要来自 于机动车。在城市环境中，机动车排放的c o 和n o x 是城市空气污染的最主要来 源。 据统计，2 0 0 3 年全国机动车排放碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的总量 已经是1 9 9 5 年的2 5 l 和2 0 5 倍，分别达到了5 5 2 2 0 力吨和2 8 7 0 万吨。部分大城市 机动车已经成为城市空气污染的主要来源。研究结果表明，北京市汽车排放污 染物对城市大气污染的贡献率己达到：c o 为8 3 4 ，h c 为8 3 4 ，n o x 为5 6 ； 第1 章概述 上海市中心地区的汽车排放对污染的贡献率为：c 0 8 6 ，h c 9 6 ，n o x 5 6 ；广 州市为：c 0 8 8 8 ，n 0 x 8 5 3 。机动车的排放对大气的污染贡献率在逐渐上升表 明，机动车排放污染已经成为城市污染的一个主要来源。 在人类生活质量日臻提高的今天，拯救人类赖以生存的自然环境的迫切要 求对汽车工业的发展提出了极为严峻的挑战。2 1 世纪汽车产业能源动力体系转 型势在必行，电动汽车将成为汽车能源动力转型的必然选择。 我国非常重视电动汽车的发展，“八五 期间，电动汽车列入国家科技攻 关计划，重点开展电动汽车关键技术的研究；“九五”期间，正式列入国家重 大科技产业工程项目，主要开展电动概念车研究、电动改装车开发、试验示范 区的建设、运行机制和政策法规及技术标准的研究；“十五”期间，国家从维 护我国能源安全和改善大气环境、提高汽车产业竞争力、实现中国汽车产业的 跨越式发展的战略高度考虑，于2 0 0 1 年正式启动了“十五国家新技术研究发 展计划( 8 6 3 ) 之电动汽车重大专项项目幢3 。 国家“十五8 6 3 电动汽车重大专项中投资数亿元，确立了以燃料电池汽车、 混合动力汽车和纯电动汽车为“三纵 ，以多能源动力总成、驱动电机和动力 蓄电池共性关键技术为“三横 的“三纵三横”研发布局。其中燃料电池轿车 布局在上海，依托上海燃料电池汽车动力系统有限公司和同济大学；燃料电池 大客车布局在北京，依托清华大学和北京客车厂等；混合动力轿车布局在武汉， 后奇瑞和长安公司也加入；混合动力大客车布局在武汉和长春，主要由一汽集 团和东风电动汽车公司利用各自得底盘技术进行开发；纯电动汽车布局在北京 和天津，客车由北京理工科凌电动车辆有限公司、轿车由天津清源动力有限公 司研发，之后奇瑞汽车公司也加入口1 。 电动汽车重大专项实施以来，在纯电动、混合动力和燃料电池汽车的整车 集成技术、动力系统集成技术以及动力总成关键零部件技术方面取得重要技术 突破，同时也在专利战略和技术标准平台建设方面为自主知识产权新能源汽车 产业化奠定了良好的基础h 1 。 在国外，电动汽车的历史可以追溯n 1 9 世纪。第一辆电动汽车于1 8 8 1 年由 法国工程i ) $ g u s t a v e t r o u v e 发明，该车为铅酸蓄电池动力的三轮车。1 8 9 0 年在美 国依柯华州诞生了第一辆蓄电池汽车，时速达到2 3 k m h ，并且在美国得到了快 速发展。至i u 2 0 世纪初，美国以蓄电池为动力的电动汽车占汽车保有量的3 8 ，其 比例仅次于占汽车保有量4 0 的蒸汽机车。到了1 9 1 5 年，美国电动汽车年产量达 2 第l 章概述 5 0 0 0 辆后来由于启动电机的发明促进了汽油机汽车的发展和美国周济公路的发 展，使电动汽车不能适应长距离行驶的缺点更为突出，电动汽车开始走向衰落。 在1 9 3 5 至u 1 9 6 0 年的2 5 年里，电动汽车几乎处于停产状态，并逐步退出应用。2 0 世纪6 0 年代，随着汽车保有量的增加，汽车尾气污染的严重，在美国、日本等 国又重新开始电动汽车的开发。1 9 9 0 年加州政府通过的法规规定了“零排放车 辆”( z e v ) 的销售比例，随后其它州仿效立法，这些措施推动了美国电动汽车 的迅速发展。1 9 9 1 年美国三大汽车公司签定协议，合作研究电动汽用先进电池， 成立先进电池联合体( u s a b c ) ；1 0 月布什总统批准2 2 6 亿美元拨款资助此项 研究，同时日本政府也加大了对电动汽车研发的投入，丰田汽车公司也投入了 相当的财力用以电动汽车的研发。从此掀起了一个以高科技为基础，并得到各 国政府的大力支持的、世界性的电动汽车热。 1 2 漏电检测在国内外的研究现状 在电气设备和相关系统中，电气绝缘性能是一个很重要的指标，绝缘性能 的好坏不仅关系到电气设备和系统能否正常工作，更重要的是还关系到人的生 命财产安全，所以国内外很多工业领域中都有电气绝缘检测的研究和应用，相 应的绝缘检测方法和仪器仪表也层出不穷。如在电力系统中，为了保证电力系 统的安全性和可靠性，在发电厂、变电站，通常采用蓄电池储能的直流电源作 为保护装置、继电器跳闸、合闸等的工作电源。直流电源采用对地绝缘运行方 式，当发生一点接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则，当发生 另一点接地时，有可能使继电保护误动、拒动。以至损坏设备，造成大面积停 电、系统瓦解的严重后果，电力系统常用的检测方法是高频信号注入法和直流 漏电直测法。还比如在电力机车上，主电路主要由高电压( 网侧2 5 k v ) 、大功 率电器部件及附属测量、保护部件组成，用来完成电能与机械能之间的相互转 换，产生牵引力和制动力。因此一旦发生绝缘故障，后果将不堪设想。为此机 车上装有检测绝缘故障的接地继电器，在确认一点接地故障达到一定电压值后， 继电器便会动作切除高压电路，同时司机台接地报警灯报警。随着机车微机控 制技术的发展，一些新型的微机控制接地检测装置也开始运用于机车上，像电 力机车智能无源接地检测装置。现将常用的漏电检测方法归纳如下： ( 1 ) 单边电压检测法 3 第1 章概述 这种方法由国内的上海交通大学研制出并已形成应用产品的。它是根据车 载电源在一端对地绝缘性能下降时，该端对地电压也将随之下降的原理，通过 检测单极对地电压的变化来推断电源对地绝缘情况。这种方法有一个明显的缺 陷就是当电源两端对地绝缘电阻同时下降时将无法检测出。在电动汽车上，尤 其是燃料电池电动汽车上，车载电源两端对地绝缘电阻同时下降的情况是可能 发生的。 ( 2 ) 电流传感法 采用霍尔式电流传感器是对高压直流系统进行漏电检测的一种方法，将待 测系统中电源的正极和负极一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从 电源正极流出的电流等于返回到电源负极的电流，因此，穿过电流传感器的总 电流为零，电流传感器输出电压为零；当发生漏电现象时，电流传感器输出电 压不为零。根据该电压的正负可以进一步判断产生漏电流的来源是来自电源正 极引线电缆还是电源负极引线电缆。但是，应用这种检测方法的前提是待测电 源必须处于工作状态，要有工作电流的流出和流入，它无法在电源空载状态下 评价电源的对地绝缘性能。 ( 3 ) 辅助电源法 如图1 1 ，在我国某些电力机车采用的漏电检测器中，使用一个直流l l o v 的检测用辅助蓄电池u 2 ，u 2 正极与待测高压直流电源u l 的负极相连，u 2 负极与 机车机壳实现一点连接。在待测系统绝缘性能良好的情况下，u 2 没有电流回路， 漏电流为零；在电源电缆绝缘层老化或环境潮湿等情况下，u 2 通过电缆绝缘层 形成闭合回路，产生漏电流，检测器根据漏电流的大小报警，并关断待测系统 的电源。这种检测方法不仅需要直流l l o v 的辅助电源，增加了系统结构的复杂 程度；而且这种检测方法难以区分绝缘故障源是来自电源正极引线电缆还是负 极引线电缆。 4 第1 章概述 图1 1 辅助电源法 ( 4 ) 漏电保护器 在交流电系统中，检测漏电最常用也最有效的方法是采用漏电保护器。8 0 年代后，由于漏电保护器的推广使用，使全国农村的人身触电伤亡事故大大降 低。漏电保护器在反应触电和漏电保护方面具有高灵敏性和动作快速性。目前 国内外漏电保护器的研究和应用均以电流型漏电保护器为主导地位。 漏电保护器由零序电流互感器、漏电脱扣器、脱扣机构、主开关、实验按 钮等5 部分组成。倘若发生被保护设备的接地故障电流作用于漏电保护器的漏 电脱扣器上的情况，其电流超过预定值时，则会立即出现开关跳闸，从而切断 了故障电路。如图1 2 所示，一般说来在正常情况下，各相电流的相量和等于 零。由此，各相电流在零序电流互感器铁芯中感应的磁通量之和也等于零。这 时，由于零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出，主开关仍处于闭合状态， 电源继续向负载方向供电啪，。 5 第1 章概述 在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电的情况下，由克希荷夫定律 可知，通过t a 一次测的电流相量和等于零，即 j l + j r l ，一j l ，+ k2 0 因此，t a 铁芯中的磁通的相量和也为零，即 吮。一瓯；+ 饥，一电n2 0 这样，t a 的二次侧不产生感应电动势，漏电保护器不动作，系统保持正常供 电。 当发生接地故障、设备绝缘损坏、漏电或人触电等情况时，主回路中各相 电流的相量和不再为零，通过t a 一次侧各相电流的相量和不再等于零，产生了 漏电电流i k ，则故障电流在零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，从而使二 次侧感应电压迫使脱扣线圈励磁，强令主开关跳闸，切断供电回路。 1 3 本课题的研究目的及意义 电气系统是电动汽车的重要组成部分。根据不同用途，电动汽车的电气系 统通常分为低电压系统和高电压系统5 m 3 。前者为车辆的中央控制器和灯光、 6 第1 章概述 雨刷等提供电能，车用低电压系统的设计与施工采用相应的规范与标准，技术 成熟、可靠性高。后者为车辆的驱动电动机等大功率部件提供电能。高电压系 统主要由动力电池、电源变换器、电动机控制器和电动机等电气设备组成。实 际上，f o r d 的e s c a p e h y b r i d 已经装上t 3 3 0 v 的电力驱动装置，这使得它大大领先 几年前提出的4 2 v 电力驱动车辆，并远远超越了目前传统的1 2 v 车辆。同样的， t o y o t a 的p n u s n 造出了5 0 0 v 电力驱动装置，即将制造的l e x u s 混合动力s u v 承诺 6 5 0 v 的电力驱动装置。由上汽、同济大学等投资组建的上海燃料电池动力系统 公司开发出的第三代“超越 系列燃料电池车上，燃料电池的电压达5 5 0 v 。采 用较高的电压规范，减小了电气设备的工作电流、降低了电气设备和整车的重 量。但是，较高的工作电压对高电压系统与车辆底盘之间的绝缘性能提出了更 高的要求。高压电缆线绝缘介质老化或受潮湿环境影响等因素都会导致高电压 电路和车辆底盘之间的绝缘性能下降，电源正、负极引线将通过绝缘层和底盘 构成漏电流回路，使底盘电位上升，不仅会危及乘客的人身安全n 引，而且将影 响低压电气和车辆控制器的正常工作口1 。当高电压电路和底盘之间发生多点绝缘 性能严重下降时，还会导致漏电回路的热积累效应，可能造成车辆的电气火灾。 另外，高压系统得正常工作电流可能达到数十、甚至数百安培，瞬时短路放电 电流更是成倍增加。电动汽车高压系统的绝缘检测内容包括两部分：一是地面的 静态测试，是车停下来后有目的的去进行绝缘检测，这种检测方法难度不大， 目前国内已经比较成熟的产品；二是车载高压电源在线漏电检测，包括燃料电 池、蓄电池组、超级电容等。这在国内外尚未形成一个统一有效的解决方法。 本课题的研究一方面解决电动汽车车载高压电源在线漏电检测，包括单边 漏电及双边同时漏电的监测；另一方面，通过使用f p g a 作为处理器研究将漏电 检测及保护系统做成专用集成芯片的可能性，为电动汽车上漏电问题的解决提 供一个成本低廉并且通用的解决办法。通过对人体电阻模型的研究，通过分析 不同大小的直流电流通过人体后的效应，总结出漏电检测及保护系统的反应时 间限值。 7 第2 章人体电阻与电安全 第2 章人体电阻与电安全 2 1 人体电阻的物理特性与阻抗大小 2 1 1 人体电阻的物理特性 在大量的涉及电安全的事故中，触电事故居于首位。不难发现，有的人( 尤 其是女性) 对电比较敏感，也有的人比较迟钝，即使在同一触电事故中，伤势的 轻重也因人而异，这些现象都与一个重要的因素有关，那就是：人体电阻。 人体电阻是一个比较特殊的物理量。首先人体的电阻分布是不均匀的，皮 肤、脂肪、骨骼和神经的电阻较大，肌肉和血液的电阻较小，因此皮肤厚的人 比皮肤薄的人电阻往往要大一些。由于人的年龄、性别、高矮、胖瘦和其它因 素，使人体电阻阻值差异很大。其次人体电阻的大小与人的运动和情绪有关， 人在运动时或因激动、受惊等情绪不稳定时容易出汗，导致电阻值的下降。此 外人体电阻还与许多外界客观因素有关，如气候的变化、导电粉尘等等。 人体阻抗值由电流通路、接触电压、通电时间、颇率、皮肤湿度、接触面 积、施加压力和温度等因素决定。 由皮肤阻抗和人体内阻抗组成的人体总阻抗是由阻性和容性的分量组成， 其等效电路图见图2 1 。 第2 章人体电阻与电安全 z t 图2 1 人体阻抗的等效电路 z i 人体内阻抗；z p l z p 2 皮肤阻抗；勖一人体总阻抗 2 1 2 人体电阻的阻抗大小 1 ) 皮肤阻抗( z e ) 皮肤阻抗是由半绝缘层和许多小的导电体( 毛孔) 组成的电阻和电容的网 络。电流增加时皮肤阻抗即下降，有时可见到电流的伤痕。 接触电压约在5 0v 以下时，皮肤的阻抗值，随接触表面积、湿度、呼吸等 而变化很大。即使同一人也如是。 接触电压约为5 0 - - 1 0 0v 等级时，皮肤阻抗明显降低，并且在皮肤被击穿 时皮肤阻抗可忽略不计。 当频率增加时，皮肤阻抗减少。 2 ) 人体内阻抗( z i ) 人体内阻抗基本上是阻性的，其数值主要由电流通路决定。接触表面积所 占成分较小。但是当接触表面积小至几个平方毫米时，内阻抗就增大。 人体内阻抗存在很少的容性分量( 见图2 1 中的虚线) 。 图2 2 为各种电流通路的人体内阻抗。 9 凯 易 如 、-一，。一、i，j、，_一、一，j 篁! 童箜皇堕皇皇窒全 _ _ 一 图中数值表示各种电流通路的人体阻抗，相当于手到手通路阻抗的百分数。 无括号的数值是电流通路从一手到所测定部位的值。括号内的数值是电流 通路从两手至相应部位的值。 图2 2 人体内阻抗随电流通路的变化 注从一手到两脚的阻抗为手到手阻抗的7 5 ，从两手到两脚的阻抗为 手到手阻抗的5 0 ；这些百分数也可以作为人体总阻抗的近似值。 3 ) 人体总阻抗( z t ) 人体总阻抗由阻性分量和容性分量组成。接触电压约在5 0v 以下时，由于 1 0 第2 章人体电阻与电安全 皮肤阻抗z ，的变化很大，人体总阻抗z t 也同样有很大变化。 在接触电压愈高时，人体总阻抗越来越不取决于皮肤阻抗。当皮肤被击穿 破损后，总阻抗值接近于内阻抗z i 。 关于频率的影响，计及皮肤阻抗与频率的依从关系，人体总阻抗在直流时 较高，且随着频率增加而减小。 电压5 0v 以下在带有新鲜水润湿的接触面所测得的数值比干燥状态下降 低1 0 2 5 ；而导电溶液润湿的接触面的阻抗降低到为干燥状态下的一半。 在电压高约1 5 0v 以上时，人体总阻抗只略微与湿度和接触表面积有关。 表2 1 为适用于成人的人体总阻抗值。电流通路为手到手或手到脚在大接 触面积( 5 0 , - - , 10 0c 舻) 并且是在干燥状况。 表2 1 交流5 0 6 0i t z 大接触面积的人体总阻抗z t 接艘屯匿 人体摹疆坟z t 在以下酉分数列酵不越对辨值m v 入教的5 入教的靳必 。 人敦鳃鹊， 筠l7 s o3 锄5l o o ll s o2 托毒 43 7 曩 7 512 5 0。2 翩峪3 5 l l2 is 7 53 期曙 1 2 5ll 弱i 韶5 2 参侮 2 2 0 lo l 渤 21 筠 t 0 07 li i5 5 0 lo 7 l 够ol5 鬻近俊 s 蓐o箱o8 s o 图2 3 为接触电压50 0 0v 以下时成人的人体总阻抗；图2 4 为接触电压 7 0 0v 以下时成人的人体阻抗。儿童的人体总阻抗与成人在同一数量级。 笙! 童堡皇堕皇皇窒全一一 蛙 霉 萋 格患曦骗 图2 3 接触电压50 0 0v 以下，适用于活人的人体总阻抗统计数值 n 姑 童 氆 簟 y 攮电压 图2 4 接触电压7 0 0v 以下，。适用于活人的人体总阻抗统计数值 v 由以上图表我们可以得出结论，在接触5 0 1 0 0h z 交流电时，当接触电压小 于7 0 0 v 时，9 5 的人其人体总阻抗不超过1 5 5 k ，又由于人体总阻抗随着频 率增加而减小，因此可以认为当人体接触7 0 0 v 以下直流电压时，人体总阻抗不 1 2 第2 章人体电阻与电安全 超过1 5 5 殴。( 由于人体差异较大，且接触位置的不同也会产生一定的差别， 特殊情况不在考虑之内。) 4 ) 人体初始电阻( r i ) 在接触电压出现的瞬间，人体电容未充电，所以皮肤阻抗可忽略不计，故 人体初始电阻r 大约等于人体内阻抗z i ，r 主要取决于电流通路，与接触表面 关系较少。 电流通路为手到手或手到脚并且大接触面积时的人体初始电阻9 5 的人来 说可取5 0 0q 。 2 2 直流电流对人体的效应 人体对电压和电流有一定的承受能力，但极为有限。当超过承受限度时， 人体就会受到伤害。电流对人体的伤害可分为电击和电伤两种，前者是电流通 过人体引起内部器官的创伤，直至心脏停止跳动。后者是电流引起人体外部的 创伤，如电弧使人的皮肤灼伤。人触电后，击伤和电伤的程度与流经人体的电 流强度的大小、流经途径、持续时间、电流种类( 交流电、直流电) 、交流电的 频率以及人体健康状况等因素有关，但最重要的因素是通过人体的电流强度的 大小，其大小不同，人体发生的一系列的生理变化不同，受伤害的程度也不同。 电流的效应由生理参数和电气参数决定。心室纤维性颤动是电击引起死亡 的主要原因。 相对于交流电流而言，要产生相同的刺激效应，恒定的直流电流的强度要 比交流电流大二到四倍。由于电动汽车上主要涉及直流电源，下面分析直流电 流对人体的效应，见表2 2 和图2 5 。 第2 章人体电阻与电安全 表2 2 直流电的时间电流区域 区蛾代哆 区城拜辍生理绶应 ：l 一赢翻绫心廿漶遗雾乏厦癌在开繁接道或所开时有钦教竹扎痦 d c 2 自皴2m a 蔓线铲曩参急有睿的生袈敌成 篷书不金发簪器露馈报伤鼹藿电冠鬃翻时甸增加，霹毙发生心雎靠 d c 3 自缱b 虿曲缱c i 心电冲幼舯艰成鞠传謦有暂以恢复的蘩覆 电落熏相通电对弼再鬻抽跨出现区域3 教癌f 蚪珏可她震生妇心蜜 n c - 4 在曲缝c l l i 智 鲆维饿鬻动，严重烧伤鼙危陵的瘸惩生理效应 o 4 一l 铂董c i心耋并缭住豺蠢摹可臻抽弱s 。 d o t 2c f 蔓。心室l 于瘩往鼍动麓事可壤幻翻约5 0 d d p 3 超越髓缝包台室奸推经囊动囊摹越过s o 掰 注1 ) 当通电时间小于1 0m s 时线b 垂直下延，人体电流值仍保持为2 0 0m a m l 粼。t 刀再，a _ 7 ，乃多 bc - i 、t l o 隧 一p c ，l ， ! p c 。4 。l 专 f栽 d c 一骨薯 ， j 一 i 一 ；鼍澎 。 乏 ； k 一- l c 1 1 憾二 d c 一 眦_ 2 o c - i 0 珍 多 l ￥篪兹 多 l 。l 1殇 熙 ， f 勿影一二吒， i i 1 l氐 lt5饽狮 秘l 帅o l l 相b 坩l o 垂- 埔避 侔的电镌“。峰 图2 5 直流电的时间电流效应区域的划分 由表2 2 和图2 5 可知，在不引起人体有害的生理效应前提下，允许长时 间通过人体的最大电流约为2 5 m a ；在接触电压小于7 0 0 v ，取人体总阻抗为 1 5 k q ，可得在保证人员不发生器质性损伤下人体接触不同电压允许的时间极 1 4 _鬈蓉篱卑矽 第2 章人体电阻与电安全 限，见表2 3 。 表2 3 人体接触7 0 0 v 电压以下不发生器质性损伤的时间限值 i 接触电压( v ) 6 0 05 0 04 0 03 0 02 0 0 l 时间( m s ) 4 01 5 02 0 04 0 01 0 0 0 2 3 电安全的防护 2 3 1 安全电压限值 据欧姆定律，电压越高，电流也就越大。因此，可以把可能加在人身的 电压限制在某一范围之内，使得在这种电压下，通过人体的电流不超过允许的 范围。这一电压就叫做安全电压，也叫做安全特低电压。应当指出，任何情况 下都不要把安全电压理解为绝对没有危险的电压。 限值为任何运行情况下，任何两导体问不可能出现的最高电压值。我国标 准规定工频电压有效值的限值为5 0 v 、直流电压的限值为1 2 0 v 。 一般情况下，人体允许电流可按摆脱电流考虑；在装有防止电击的速断保 护装置的场合，人体允许电流可按3 0 m a 考虑。我国规定工频电压5 0 v 的限值是 根据人体允许电流3 0 m a 和人体电阻1 7 0 0q 的条件确定的。 我国标准还推荐：当接触面积大于1 c m 2 、接触时间超过1 s 时，干燥环境中 工频电压有效值的限值为3 3 v 、直流电压限值为7 0 v ；潮湿环境中工频电压有效 值的限值为1 6 v 、直流电压限值为3 5 v 。 2 3 2 电路的电压分级 根据中华人民共和国国家标准g b f f1 8 3 8 4 1 - 2 0 0 1 电动汽车安全要求 第3 部分：人员触电防护，根据电路的工作电压u ，将电路分为以下几级，如表 2 4 所示。 1 5 第2 章人体电阻与电安全 表2 4 电路的电压分级 工作电压 电压级射 直藏最缱 奎蠢系统 v ( 1 s 一1 s oh z ) v ( r m s ) o ，6 0o c ，2 5 b 6 0 - ，蓄电池绝缘电阻值为r + ，此时闭合k 。连接( 为插入的定值 电阻，取值范围为1 0 0 - - 5 0 0 q v ，按动力蓄电池的标称电压计算。本方案中取 为1 0 0 kq ) ，重新测量负极对地电压u 。由电压电流关系可得： u z 【( 民木足) ( r + 足) 】- ( 一u , 2 ) l 墨 ( 3 3 ) 由( 3 1 ) ，( 3 2 ) ，( 3 3 ) 可计算出正极对地电阻 r = r 拳( 1 + i g i ) 奉( u l g 2 - i ) 若k g 1 0 0 9 2 v ，说明正极漏电，切断总开关k ； 2 ) u t - ，蓄电池绝缘电阻值为r - ，此时闭合k 2 连接r o ，重新测量正极 对地电压u 2 2 。同理可得负极对地电阻 足= r 木( 1 + u 。g ) 木( 。一1 ) 若r - u a 图4 9 ( a ) 开关电容低通滤波器，( b ) 原型电路 由于z 是时钟脉冲，频率相当稳定；而且c i c 2 是两个电容的电容量之比， 在集成电路制作时易于做到准确和稳定，所以开关电容电路容易实现稳定准确 的时间常数，从而使滤波器的截止频率稳定。 实际电路常常在图4 9 ( a ) 所示电路后面加电压跟随器和同相比例运算电 路，如图4 1 0 所示。 图4 1 0 实际开关电容低通滤波器 本系统用模拟滤波器实现信号处理功能，并且要求高精度。由于开关电容 滤波器容易实现高精度，成本较低，而且体积较小，因而选用集成开关电容滤 波器m a x 7 4 1 0 ，为实现高精度信号处理，截止频率应设为有用信号频率的两倍。 4 2 5a d 转换器的选择 1 选择a o 转换器的一般考虑阻1 输入模拟信号的性质与a o 转换器的选择和使用关系最为复杂。对于缓慢变化 的含有常模噪声的信号，应优先选用双积分型a d 转换器；对采样信号最宜使用 3 3 第4 章漏电检测硬件系统实现 逐次逼近型( s a r ) a d 转换器；如果信号源是高内阻的，则所选a d 转换器应有 很高的输入阻抗，否则，由于信号源内阻的分压作用，将降低输入信号的精度， 转换精度也就无法保证。通常应选用包含输入放大器的a d 转换器，或在a d 转 换器之前另外设置信号放大器，以提供低阻信号。若信号叠加在一个共模电压 上，就应先选用差动放大器进行预处理，对共模电压充分抑制后再进行a d 转换。 若要求很高的共模抑制比，则应选用仪用放大器。 a d 转换器的精度指标中，增益和失调误差是较为次要的因素，它们可由硬 件或软件加以修正。线性误差是一项主要指标，它与量化误差共同决定了波形 变换的谐波失真程度，应选用线性度指标好的a d 转换器或进行软件修正。丢码 是一项关键指标，它是无法用软件或硬件进行纠正的，大量的丢码将使a d 转换 器分辨力下降。在进行精度指标的选择时，应在我们所关心的温度范围内。特 别需要注意的是，数据标上的所谓“典型值，生产厂家是不保证或不测试的， 因此设计中不能以典型指标为依据，而应以临界指标( 通常标以最大值m a 】【或最 d , f f m i n ) 作为计算和选择的依据。a d 转换器输出接口特性也是选择时应该考 虑的一个因素。当需要a d 转换器与微处理器接口时，应选用与所用微处理器兼 容的a d 转换器m 3 。 2 a d 转换器类型的选择 常用的a d 转换器有一下几种类型： ( 1 ) 逐次逼近型( 又称逐次比较型) 逐次逼近型a i ) c 包括1 个比较器、1 个数模转换器、1 个逐次逼近寄存器( s a r ) 和1 个逻辑控制单元。转换中的逐次逼近是按对分原理，由控制逻辑电路完成的。 其大致过程如下：启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次逼近寄存器的最高位 置1 ，其它位置0 ，逐次逼近寄存器的这个内容经数模转换后得到约为满量程输v 出一半的电压值。这个电压值在比较器中与输入信号进行比较。比较器的输出 反馈到数模转换器，并在下一次比较前对其进行修正。在逻辑控制电路的时钟 驱动下，逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作，直到完成最低有效位( l s b ) 的转换。这时