插電式混合動力客車充電時高壓絕緣故障分析與排除

羅丙荷，張福成，姜傳云

插電式混合動力客車充電時高壓絕緣故障分析與排除

羅丙荷，張福成，姜傳云

（中國恒天·江西凱馬百路佳客車有限公司，南昌330013）

描述一插電式混合動力客車充電時報高壓絕緣故障的問題解析思路。通過現(xiàn)場測量直流母線絕緣電阻值，采集CAN總線數(shù)據(jù)，分析相關(guān)軟硬件邏輯等手段，列出各種可能的故障原因，按照先易后難的原則，最終確定真正的故障原因并予以排除。

插電式混合動力客車；充電；絕緣故障；電池管理系統(tǒng)；CAN總線

隨著新能源車輛數(shù)量的不斷增加，新能源車輛的充電問題日益凸顯，充電過程中遇到的問題也越來越多，原因也越來越復(fù)雜。本文通過百路佳一款插電式氣電混合動力客車在充電過程中出現(xiàn)高壓絕緣故障導(dǎo)致充電中斷的問題，詳細(xì)分析故障的原因及故障排除方法［1］。

1　充電總體流程及絕緣檢測原理

百路佳自主研發(fā)的一款插電式混合動力客車，根據(jù)GB/T 27930-2011《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》的相關(guān)規(guī)定［2］，設(shè)計整車充電通訊協(xié)議，其充電總體流程見圖1。

此款插電式混合動力客車的電池管理系統(tǒng)（以下簡稱BMS）絕緣狀態(tài)檢測原理參照GB/T 18384.1-18384.3-2001《電動汽車安全要求》［3］，采用類電橋平衡法進(jìn)行測量，其測量原理如圖2所示。

圖2中，Rp、Rn分別是動力電池的正負(fù)母線對混合動力底盤大梁的等效絕緣電阻；Rp1、Rp2、Rps、Rn1、Rn2、Rns是電池管理系統(tǒng)設(shè)計的絕緣檢測電路，其中Rps、Rns是采樣電阻［4］。

其絕緣檢測原理如下：

1）當(dāng)整車絕緣性能良好時，即絕緣等效電阻Rp、Rn很大，電池通過Rp1、Rp2、Rps、Rn1、Rn2、Rns構(gòu)成回路，且采樣電阻Rps、Rns分得的電壓Up和Un的比值是恒定的：Up/Un=Rps/Rns。

2）當(dāng)絕緣電阻Rp、Rn只有一個很大，另一個卻很小，即發(fā)生不對稱絕緣故障時，在采樣電阻Rps、Rns分得的電壓Up和Un的比值已經(jīng)失去了Rps/Rns的關(guān)系，不對稱絕緣越嚴(yán)重，采樣電阻分得的電壓比例關(guān)系越偏離Rps/Rns。

2　故障分析及排除

2.1故障現(xiàn)象

該車在充電站正常充電過程中多次出現(xiàn)自動中斷的現(xiàn)象，且發(fā)生充電中斷的時長也不同。

現(xiàn)場統(tǒng)計該車充電中斷時間和中斷次數(shù)，數(shù)據(jù)如表1所示。其中Soc為充電中斷時電池剩余容量；t為充電中斷前已充電時間。

表1　充電中斷前已充電時間和剩余容量

2.2現(xiàn)場CAN數(shù)據(jù)采集及解析

通過軟件現(xiàn)場采集充電過程中CAN總線數(shù)據(jù)，截取的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2［5］。

表2　現(xiàn)場充電CAN數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的規(guī)定，充電階段報文分類如表3所示。

表3　充電階段報文分類

通過充電階段報文分類，查詢BMS終止充電報文（PGN6400）的定義如下［6］：BMS終止充電故障原因的SPN 為3512，其中第1-2位：絕緣故障，＜00＞=正常，＜01＞=故障，＜10＞=不可信狀態(tài)；第3-4位：輸出連接器過溫故障，＜00＞=正常，＜01＞=故障，＜10＞=不可信狀態(tài)。

通過現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)以及報文定義得到：PGN6400報文中SPN3512的第1-2位值為01，代表BMS報絕緣故障。

2.3絕緣故障分析及處理

通過解析CAN數(shù)據(jù)，可以確認(rèn)充電中斷的原因是BMS報絕緣故障導(dǎo)致，從以下幾方面分析故障原因：

1）整車高壓系統(tǒng)或者充電插槍確實存在絕緣問題。

2）充電狀態(tài)下整車漏電流較大，導(dǎo)致直流母線對地阻值過小，低于BMS報警值。

3）整車無絕緣故障問題，僅僅是BMS絕緣檢測電路受干擾或電路有誤，導(dǎo)致誤報。

對于以上幾種可能導(dǎo)致的故障，逐一進(jìn)行分析排查。

2.3.1測量高壓系統(tǒng)絕緣電阻值

拔掉充電插槍，根據(jù)文獻(xiàn)［3］的要求切斷整車低壓系統(tǒng)，即斷開動力電池和蓄電池的連接狀態(tài)，使用絕緣電阻測量表測量高壓系統(tǒng)直流母線正極端、負(fù)極端分別對地的絕緣電阻值，數(shù)據(jù)如表4所示。

從數(shù)據(jù)可以確定，整車高壓系統(tǒng)絕緣電阻值均大于550MΩ，此混合動力客車的動力電池標(biāo)稱電壓為356 V，故單位電壓的絕緣阻值大于1.5 MΩ/V，滿足文獻(xiàn)［3］中規(guī)定的單位電壓的絕緣電阻值大于100 Ω/V的要求。同時，測量充電樁插槍口的直流母線正負(fù)對地的絕緣阻值均大于220 MΩ，故整車高壓系統(tǒng)和充電樁不存在絕緣問題。因而排除第一種可能。

2.3.2測量高壓系統(tǒng)漏電流

關(guān)閉鑰匙至OFF檔，保持機(jī)械式電源總開關(guān)處于閉合狀態(tài)?，F(xiàn)場使用漏電流檢測表測量充電狀態(tài)下的交流漏電流值，測量數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　充電狀態(tài)下整車漏電流值

文獻(xiàn)［3］中規(guī)定對地絕緣電阻值大于100 Ω/V，即等效漏電流值小于1/100=10 mA；而表5的實際測量數(shù)據(jù)均≤10 mA。因此，可以判斷該車漏電流不會對絕緣檢測造成干擾。

2.3.3檢查絕緣檢測電路

對于BMS誤報絕緣，從兩個方面排查：第一，測量充電插槍輔助24 V電源的紋波情況；第二，監(jiān)測BMS內(nèi)部絕緣檢測模塊硬件及軟件處理情況。

首先，使用示波器測量充電機(jī)內(nèi)的輔助24 V電源的紋波大小。實際測量結(jié)果：輔助24 V電源的紋波峰值為1.95 V，有可能會對BMS檢測電路造成干擾。為驗證是否是此干擾導(dǎo)致BMS誤報絕緣，斷開輔助24 V，使用鉛酸蓄電瓶作為BMS充電喚醒電源。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，依舊會發(fā)生多次充電中斷，分析CAN總線數(shù)據(jù)，中斷原因還是BMS報絕緣故障。因此，可以排除輔助24 V電源紋波過大導(dǎo)致充電中斷的可能。

由此，目前階段最大的可能原因就是BMS內(nèi)部硬件或者軟件解析錯誤。首先分析BMS內(nèi)部絕緣檢測機(jī)制及數(shù)據(jù)處理流程［7］，如圖3所示。

圖3中：INTER-CAN為電池控制系統(tǒng)各模組間的通訊網(wǎng)絡(luò)；BMU為電池管理系統(tǒng)從控單元；BCU為電池控制系統(tǒng)主控單元，承擔(dān)數(shù)據(jù)處理及與HCU（混合動力控制單元）通訊；HMU為電池系統(tǒng)高壓測量單元，主要測量電池組總電壓、電流及絕緣，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到INTER-CAN；HCAN為混合動力控制部件通訊網(wǎng)絡(luò)。

通過連接BMS高壓控制單元，監(jiān)測充電過程中BMS絕緣檢測模塊AD采樣值是否會抖動。通過監(jiān)控的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，BMS測量的AD值非常穩(wěn)定，未因充電而導(dǎo)致受到干擾等異常。因此，排除了BMS采樣電路受干擾，導(dǎo)致誤報的可能。

由于整車高壓系統(tǒng)絕緣阻抗均處于正常狀態(tài)，且絕緣采樣電路也未出現(xiàn)異常，因此，對軟件程序控制進(jìn)行排查。在實驗室對軟件進(jìn)行仿真測試發(fā)現(xiàn)，在整個測試過程中BMS的HMU未報絕緣異常的情況下，BCU相應(yīng)的絕緣故障標(biāo)識存在被置有效的異常情況。

由仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)BMS解包后的數(shù)據(jù)與CAN總線實際發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)不一致。因此，針對數(shù)據(jù)解包過程來分析數(shù)據(jù)被改寫的可能原因：

1）在BMU處理BMS內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的流程可以看出，BMS的CAN接收，采用消息緩沖區(qū)的方式來緩存CAN總線上發(fā)過來的數(shù)據(jù)，同時BMS軟件處理CAN總線接收的數(shù)據(jù)源也來自此緩沖區(qū)。

2）BMS的CAN接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小是16個CAN消息，BMS完成一個消息的時間是50 us［8］。

3）CAN消息的接收采用中斷的方式接收數(shù)據(jù)，CAN的處理在main函數(shù)主循環(huán)調(diào)用CAN消息數(shù)據(jù)處理函數(shù)［9］。軟件架構(gòu)采用前后臺處理機(jī)制，因此，存在CAN消息緩沖區(qū)同時讀、同時寫的情況，造成數(shù)據(jù)處理不一致。

通過優(yōu)化程序給CAN接收緩沖區(qū)增加消息鎖（Lock），解決數(shù)據(jù)共享問題。即對任意一個消息區(qū)操作時，無論是讀，還是寫操作，先判斷該消息區(qū)是否上鎖。如果已上鎖，則不對此緩沖區(qū)操作；如果未上鎖，則先主動對該緩沖區(qū)上鎖，然后再對該緩沖區(qū)進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。操作完成以后，再對該緩沖區(qū)解鎖。

優(yōu)化處理后，經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)驗證，均未再出現(xiàn)數(shù)據(jù)改寫現(xiàn)象，誤報絕緣問題消失。

3　結(jié)束語

本文較好地通過實際案例詳細(xì)分析了插電式混合動力充電時報高壓絕緣故障的原因，并詳細(xì)地說明了如何通過優(yōu)化BMS程序的方法來解決此類問題。隨著新能源車輛的不斷普及，對于分析此類問題的要求越來越高，需要始終堅持以科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度來分析問題。

［1］節(jié)能與新能源汽車網(wǎng).關(guān)于2016-2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財政支持政策的通知［EB/OL］.（2015-04-29）［2015-06-06］.

http：//www.chinaev.org/DisplayView/Normal/News/De tail.aspx？id=20560

［2］GB/T27930-2011，電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［3］GB/T 18384.1～18384.3-2001，電動汽車安全要求［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［4］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.2版.北京：高等教育出版社，2000.3.

［5］SAE，J1939/71 Vehicle Application Layer，1996.5.

［6］廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.CANlite、CANmini并口CAN接口卡用戶手冊［K］.2003.

［7］Bosch，CANspecification，V2.0［K］.Robert Bosch GmbH，1991.

［8］朱正禮，任少云，殷承良，等.CAN總線系統(tǒng)在電動轎車上的應(yīng)用［J］.汽車工程，2003，（4）：380-383.

［9］譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

修改稿日期：2015-06-16

Trouble Analysis and Clearing of High Voltage Insulation Fault During Charging for Plug-in Hybrid Bus

LuoBinghe，ZhangFucheng，JiangChuanyun
（CHTC·BONLUCKBUSCo.，Ltd，Nanchang 330013，China）

The authors introduce the trouble shooting ideas of high voltage insulation fault during charging for a plug-in hybrid bus.By measuring the insulation resistance value between high voltage DC bus and ground，collectingthe CANbus data，analyzingthe logic ofrelated software and hardware，and listingdifferent possible causes，they finallyfind out the real trouble cause and clear it.

plug-in hybrid electric bus；charging；insulation fault；BMS；CANbus

U469.7；U463.6

B

1006-3331（2015）06-0044-03

羅丙荷（1981-），男，助理工程師；電氣設(shè)計部經(jīng)理；研究方向：新能源客車電氣系統(tǒng)。