一汽插電式混合動力客車絕緣監(jiān)測報警故障分析與解決

劉從萍（一汽客車有限公司技術(shù)發(fā)展部，吉林 長春　130000）

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一汽插電式混合動力客車絕緣監(jiān)測報警故障分析與解決

劉從萍
（一汽客車有限公司技術(shù)發(fā)展部，吉林 長春130000）

摘要：介紹目前國內(nèi)電動汽車絕緣檢測技術(shù)，對一汽插電式混合動力客車絕緣監(jiān)測報警故障的產(chǎn)生原因進行分析，并制定故障解決方案。

關(guān)鍵詞：插電式混合動力客車；絕緣監(jiān)測；故障

1　插電式混合動力汽車的概念

插電式混合動力汽車 （Plug-in hybrid electric vehicle，簡稱PHEV）指車輛驅(qū)動系統(tǒng)由電驅(qū)動和另外一個或多個能同時運轉(zhuǎn)的單個驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合組成的車輛，車輛的行駛功率依據(jù)實際的車輛行駛狀態(tài)由單個驅(qū)動系統(tǒng)單獨或共同提供，且電池容量很大，可以外部充電，可以以純電模式行駛，電池電量耗盡后再以混合動力模式行駛，并適時向電池充電［1］。

插電式混合動力汽車裝備有一臺為電池充電的發(fā)動機。在日常使用過程中，可以當作一臺純電動汽車使用，單次使用不超過電池可提供續(xù)航里程，可以做到零排放和零油耗。插電式混合動力車與普通混合動力汽車主要區(qū)別在于常規(guī)車用燃料動力與電驅(qū)動結(jié)合的混合動力汽車的電池容量很小，僅在起／停、加／減速的時候供應(yīng)或回收能量，不能外部充電，不能用純電動模式較長距離行駛。基于以上特點，插電式混合動力汽車技術(shù)已經(jīng)是全球新的研發(fā)熱點。

插電式混合動力汽車按技術(shù)分為3種類型：①采用混聯(lián)式混合動力技術(shù)改進升級，具備插電式短途純電驅(qū)動功能的車型，以豐田的插電式普銳斯為代表；②采用串聯(lián)式混合動力技術(shù)改進 （增程式），具備短途純電驅(qū)動能力的車型，以通用的雪佛蘭沃藍達為代表；③采用并聯(lián)式混合動力升級改進 （雙模驅(qū)動），具備短途純電動驅(qū)動能力的車型，以比亞迪F3DM為代表。

2　插電式混合動力汽車的電氣系統(tǒng)組成

插電式混合動力汽車是一個復雜的機電一體化產(chǎn)品，電氣系統(tǒng)是插電式混合動力汽車的重要組成部分。根據(jù)用途的不同，其電氣系統(tǒng)通常分為低壓電系統(tǒng)和高壓電系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　　某客車的電氣系統(tǒng)框圖

低壓電系統(tǒng)為車輛中央控制器、電子設(shè)備、燈光和刮水器等提供電能，一般采用直流12V或24V電源。

高壓電系統(tǒng)為車輛的驅(qū)動電機等大功率部件提供電能，主要由動力電池組、電源變換器、電動機控制器和電動機等電器設(shè)備組成。高電壓系統(tǒng)動力電池組的工作電壓一般都在300 V以上，采用較高的電壓規(guī)范，可以減少電器設(shè)備的工作電流，降低電器設(shè)備和整車的質(zhì)量。但較高的工作電壓對高壓電氣系統(tǒng)和車輛底盤之間的絕緣性能提出了更高的要求。

3　電動汽車用絕緣監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)要求

絕緣監(jiān)測設(shè)備連接在高壓系統(tǒng)和搭鐵之間，應(yīng)能實時在線動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)搭鐵的絕緣阻值。當系統(tǒng)搭鐵的絕緣阻值降至預先設(shè)定的響應(yīng)值時，絕緣監(jiān)視設(shè)備應(yīng)能輸出報警信號。絕緣故障可能發(fā)生在任何位置，絕緣檢測設(shè)備應(yīng)該可以響應(yīng)發(fā)生在任何位置的絕緣故障。

插電式混合動力汽車的高壓電系統(tǒng)與底盤之間沒有直接的電氣連接，即高壓用電設(shè)備與底盤之間是絕緣的，這是一種不搭鐵系統(tǒng)。直流高壓系統(tǒng)的電纜絕緣介質(zhì)老化或受潮濕環(huán)境等因素影響，都會導致高壓電氣系統(tǒng)和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正極或負極引線將通過絕緣層和底盤之間構(gòu)成漏電回路，使車輛底盤電位上升，影響高壓電氣和電機控制器的正常工作，危及駕乘人員的人身安全。當車輛高壓電路和底盤之間出現(xiàn)發(fā)生多點絕緣性能下降時，會產(chǎn)生熱量積聚效應(yīng)，嚴重時會引起電氣火災(zāi)［2］。

實時監(jiān)測高壓電氣系統(tǒng)相對于車輛底盤的電氣絕緣性能是插電式混合動力汽車電氣安全技術(shù)的核心內(nèi)容，對乘客安全和車輛安全運行具有重要的意義。

4　絕緣監(jiān)測儀技術(shù)方案

目前國內(nèi)電動汽車絕緣監(jiān)測方案可以簡單分為3種，即端電壓法、高頻信號注入法和低頻信號注入法。

1）端電壓法國內(nèi)BMS中自帶的絕緣監(jiān)測電路都是采用這種方案。在電動汽車上都會配置一組動力電池組，動力電池正極和負極與底盤之間都會存在一個絕緣電阻，分別是Rp和Rn，正常情況下這2個阻值都比較大，例如大于10MΩ。Up和Un就是這2個電阻對動力電池的分壓值，是可以測量的。根據(jù)并入標準電阻前后Up和Un值的變化可以求出絕緣電阻Rp和Rn的值。通過測量并入標準電阻前、后直流母線與底盤之間的電壓變化，可計算得到系統(tǒng)的絕緣電阻值。實際測量時分成2步：第1步，當S_N、S_P全部斷開時，測量并記錄Up和Un值；第2步，閉合S_P（或S_N），等于在Rp上并聯(lián)了一個標準電阻R0，再次測量并記錄Up和Un值，據(jù)此可以列方程求解Rp和Rn的值。在標準《GB／T 18384.1—2001車載儲能裝置6.1動力蓄電池的絕緣電阻6.1.1測量方法》中有詳細的推導過程。原理如圖2所示。

2）高頻信號注入法模塊內(nèi)部產(chǎn)生一個高頻交流信號，通過一個隔離電容疊加到高壓系統(tǒng)上，然后通過高壓系統(tǒng)與汽車底盤之間的絕緣阻抗構(gòu)成測量回路，從而可以測得系統(tǒng)絕緣阻抗的大小。這種方案測得的是系統(tǒng)的絕緣阻抗，即包含直流電阻、容抗和感抗成分。容易受到整車泄漏電容的影響，同時也容易受到整車控制器等產(chǎn)生的高頻干擾信號的影響，不易標定報警工作點，可靠性低，一般不對外給出代表絕緣電阻大小的模擬量信號，因此不易評定測量精度。目前國內(nèi)的電動車行業(yè)極少采用類似方案。原理如圖3所示。

圖2　　端電壓法原理簡圖

圖3　　高頻信號注入法

3）低頻信號注入法絕緣監(jiān)控儀內(nèi)部產(chǎn)生一個正負對稱的方波信號，并通過L+／L-和KE／E端子與直流高壓系統(tǒng)和底盤之間的絕緣電阻RF構(gòu)成測量回路，測量回路中的電流Im在取樣電阻Rm上會產(chǎn)生一個取樣電壓Um，這個電壓信號被內(nèi)置微處理器采集，通過運算可以得出絕緣電阻的大小。微處理器將計算得出的絕緣電阻值通過PWM或CAN端口對外輸出。測量回路僅用于測量，流過測量回路的電流小于40 μA，和整車控制系統(tǒng)之間沒有公共回路，因此不會對整車控制帶來任何不良影響。本文研究的插電式混合動力汽車采用的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)就是采用這種監(jiān)測方法。原理如圖4所示。

5　一汽插電式混合動力客車絕緣監(jiān)測報警故障分析與解決

一汽插電式混合動力客車動力總成系統(tǒng)的組成部件，采用天津松正三代動力總成系統(tǒng)，如圖5所示。

圖4　　低頻信號注入法

圖5　天津松正三代動力總成系統(tǒng)

5.1故障現(xiàn)象

一汽客車此批生產(chǎn)的插電式混合動力客車安裝有河北深海絕緣監(jiān)測儀，用于監(jiān)測整車高壓系統(tǒng)對搭鐵的絕緣性。絕緣監(jiān)測的報警狀態(tài)分為4種狀態(tài)：正常、一級報警、二級報警和無效值。車輛設(shè)定的報警限值為一級報警 （62kΩ）和二級報警 （307kΩ）。故障現(xiàn)象為車輛儀表不定時報出絕緣監(jiān)測一級報警，從儀表讀取的絕緣阻值低于報警限值，檢測的最低絕緣阻值為27kΩ。

5.2故障分析

一汽插電式混合動力客車采用的高壓絕緣監(jiān)測總成的主要參數(shù)：輸入高壓電壓0～800V DC；低壓電源電壓18～32V DC；功率≤2W；測量絕緣電阻0～50MΩ；絕緣電阻阻值相對測量誤差為±15% （100kΩ～10MΩ）；絕緣電阻阻值測量誤差為±10 kΩ （0～100 kΩ）；測量響應(yīng)時間≤20s；數(shù)據(jù)更新周期為1s。

絕緣監(jiān)測儀的絕緣故障策略：當測得的絕緣電阻值在62～307kΩ范圍內(nèi)，高壓絕緣監(jiān)測總成判定高壓絕緣為二級報警，將報警值上報給HCU，HCU令儀表絕緣報警燈亮紅燈。整車熄火后仍可點火，HCU不做記錄。當測得的絕緣電阻值＜62kΩ時，高壓絕緣監(jiān)測總成判定高壓絕緣為一級報警，將報警值上報給HCU，HCU令儀表絕緣報警燈亮紅燈。只要出現(xiàn)一級報警，整車熄火后無法點火，HCU記錄報警信息。

5.3故障檢查

為排除故障，首先對引起絕緣報警的故障點進行查找。

1）方法一斷開法——通過將高壓電氣系統(tǒng)連接的高壓部件逐一斷開，查找故障部件。

一汽插電式混合動力客車的高壓部件包括：驅(qū)動電機、發(fā)電機、驅(qū)動電機控制器、發(fā)電機控制器、轉(zhuǎn)向器控制器、超級電容、動力蓄電池組、能量轉(zhuǎn)換器、DC／DC變換器、DC／DC變換器熔斷絲以及連接高壓部件的高壓電纜，實施過程中將以上高壓部件逐一與高壓系統(tǒng)斷開連接，查找故障部件。斷開高壓部件的原則需要遵循斷開的高壓部件不能影響整車高壓系統(tǒng)的閉環(huán)，如果整車的高壓系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，絕緣監(jiān)測儀測得的絕緣阻值將失去參考價值。

斷開法具體實施過程如下。

方案1，斷開轉(zhuǎn)向控制器與整車高壓電氣系統(tǒng)連接的高壓電纜。全車的絕緣阻值從報警值 （27 kΩ）上升到200～3000kΩ之間，雖然絕緣阻值上升，但還是不定時報出絕緣監(jiān)測二級報警。

方案2，拆除轉(zhuǎn)向控制器搭鐵線。整車的絕緣報警時間間隔延長，從原來的5min／次延長到20min／次。但依然報出絕緣監(jiān)測報警。

方案3，逐一拆除驅(qū)動電機控制器、發(fā)電機控制器和助力轉(zhuǎn)向控制器的搭鐵線，觀察整車絕緣阻值的變化情況。當去掉任何一組控制器的搭鐵時，絕緣阻值都會有所上升，上升到絕緣報警阻值以上 （大約3 000 kΩ），但是對比其他正常車輛的絕緣阻值（＞10000kΩ）還是偏低。使用萬用表對拆除搭鐵線的控制器外殼搭鐵電壓進行測量，發(fā)現(xiàn)3組控制器都有微弱的電流產(chǎn)生，懷疑控制器產(chǎn)生漏電流對整車絕緣性造成影響，但是經(jīng)過與其他車輛對比，發(fā)現(xiàn)控制器上產(chǎn)生的電流為共有現(xiàn)象，經(jīng)過與供應(yīng)商溝通，確認此現(xiàn)象為正常現(xiàn)象，排除此原因。

方案4，將DC／DC變換器連接的高壓電纜與整車高壓系統(tǒng)斷開，檢查是否對整車絕緣性造成影響。高壓端子如圖6所示。斷開DC／DC變換器后，整車絕緣阻值沒有明顯變化，絕緣阻值依然處于報警限值以下，故排除此處影響。

圖6　　高壓電纜端子

2）方法2互換法——將其他不報絕緣故障的車輛上的高壓部件與絕緣報警車輛進行互換，觀察絕緣阻值的變化情況，查找故障部件。

方案1，將轉(zhuǎn)向控制器與絕緣報警車輛進行互換，報警現(xiàn)象沒有明顯變化。

方案2，將轉(zhuǎn)向控制器連接的高壓線進行互換，報警現(xiàn)象沒有明顯變化。

方案3，將絕緣監(jiān)測儀進行互換，報警現(xiàn)象沒有明顯變化。

方案4，將絕緣檢測儀連接的高壓電纜進行互換，絕緣報警現(xiàn)象沒有明顯變化。

3）方法3測量法——使用電子式絕緣測試儀（圖7）對整車高壓部件的絕緣性進行測量。使用絕緣測試儀測量絕緣電阻的步驟：①將測試探頭插入V和COM（公共）輸入端子；②將旋轉(zhuǎn)開關(guān)轉(zhuǎn)至所需要的測試電壓；③將探頭與待測電路連接，測試儀會自動檢測電路是否通電；④按住 “測試”按鈕開始測試。輔顯示位置上顯示北側(cè)電路上所施加的測試電壓。主顯示位置上顯示高壓符號，并以MΩ或GΩ為單位顯示電阻。顯示屏的下端出現(xiàn) “測試”圖標，直到釋放 “測試”按鈕。當電阻超過最大顯示量程時，測試儀顯示 “>”符號以及當前量程的最大電阻。繼續(xù)將探頭留在測試點上，然后釋放 “測試”按鈕。被測電路即開始通過測試儀放電。主顯示位置顯示電阻讀數(shù)，直到開始新的測試或者選擇了不同功能或量程，或者檢測到了30V以上的電壓。

首先，測量發(fā)電機控制器連接的高壓線銅塊對搭鐵的絕緣阻值，使用1000V檔進行測量，銅塊對搭鐵的絕緣阻值為1.1MΩ，符合產(chǎn)品要求?？刂破鲀?nèi)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

其次，測量驅(qū)動電機內(nèi)部高壓極柱對搭鐵的絕緣阻值，測得的絕緣阻值為1.1MΩ。測量發(fā)電機內(nèi)部高壓極柱對搭鐵的絕緣阻值，測得的絕緣阻值為1.1MΩ，符合產(chǎn)品要求。驅(qū)動電機內(nèi)部接線如圖9所示。

圖7　　絕緣測試儀

圖8　　控制器內(nèi)結(jié)構(gòu)

圖9　　驅(qū)動電機內(nèi)部接線

再次，測量超級電容 （圖10）總正負極柱對搭鐵的絕緣阻值，測得的絕緣阻值為1.1 MΩ，符合產(chǎn)品要求。如果測量的絕緣阻值明顯偏低 （低于10 kΩ），需要斷開超級電容與控制器的高壓電纜，測量超級電容組極柱對超級電容外殼的絕緣阻值 （正常絕緣阻值大于550 MΩ），并逐一斷開超級電容連接的高壓電纜，排查故障電容。

測量航空插頭端子內(nèi)部對端子外殼的絕緣阻值，測得的絕緣阻值為11GΩ （無窮大），符合產(chǎn)品要求。

測量能量轉(zhuǎn)換器對搭鐵的絕緣阻值，測得的絕緣阻值為11GΩ（無窮大），符合產(chǎn)品要求。

測量動力蓄電池 （圖11）外殼對搭鐵的絕緣阻值，測量的絕緣阻值為0.03MΩ。此處測量絕緣阻值一定要消除部件外殼漆面對測量結(jié)果的影響，建議選擇裸露的金屬點作為測量點，故障車輛此部件測量結(jié)果明顯低于其他車輛動力蓄電池外殼對搭鐵的絕緣阻值6.3MΩ?？梢源_定動力蓄電池為故障車輛的故障部件。

圖10　　超級電容

圖11　　動力蓄電池

5.4故障原因分析

5.4.1動力蓄電池的安裝結(jié)構(gòu)

動力蓄電池使用絕緣橡膠減震軟墊安裝到電池支架上，電池支架使用螺栓直接固定到電池高壓艙內(nèi)，動力蓄電池外殼在理論上是對搭鐵絕緣的。為驗證動力蓄電池軟墊可以起到絕緣作用，進行以下測試。

將動力蓄電池連接的低壓線束全部斷開，測量動力蓄電池對搭鐵絕緣阻值的變化情況，測量結(jié)果顯示動力蓄電池對搭鐵的絕緣阻值上升到7MΩ。由此可以判斷動力蓄電池的安裝結(jié)構(gòu)符合設(shè)計要求，動力蓄電池外殼對搭鐵絕緣阻值符合設(shè)計要求。

5.4.2動力蓄電池的連接線

通過以上測試，可以初步判斷故障點為動力蓄電池連接的低壓線束引起的整車絕緣阻值的降低。對動力蓄電池連接的4組低壓線束插接件分別與電池進行斷開連接，檢測動力蓄電池對搭鐵的絕緣阻值變化情況，見表1。

表1　　動力蓄電池絕緣阻值變化記錄

分別測量4組低壓線束插接件對搭鐵絕緣阻值，檢測發(fā)現(xiàn)與動力蓄電池連接的24V與CAN通信接口的低壓線束 （圖12）是引起動力蓄電池對搭鐵的絕緣阻值變化的故障點。不連接此處低壓線束時，整車的絕緣阻值為10000kΩ以上，一旦連接此處線束，整車的絕緣阻值就下降到報警值以下，發(fā)生絕緣報警故障。

進一步分析問題產(chǎn)生的原因，此處低壓線束端子與1角連接的屏蔽線P1A和S171C線束與線束端子為360°屏蔽環(huán)接觸，此處屏蔽線設(shè)計的結(jié)構(gòu)為一端與電池外殼接觸，另一端懸空處理。電池內(nèi)部與線束P1A和S171C相連接的端子沒有接線，同樣通過360°屏蔽環(huán)與電池殼體相連接。高壓蓄電池內(nèi)部端子結(jié)構(gòu)見圖13。

圖12　　連接動力蓄電池低壓線束端子

圖13　　高壓蓄電池內(nèi)部端子結(jié)構(gòu)

線束上采用航空插頭結(jié)構(gòu)，航空插頭亦被稱為電連接器，因早期應(yīng)用于飛機制造等航空領(lǐng)域而得名，如今在軍事、航天、航海等領(lǐng)域的線路連接上廣泛使用［3］。航空插頭由固定端航空插頭、自由端航空插頭組成。固定端航空插頭通過其方 （圓）盤固定在用電部件上，自由端航空插頭一般接電纜，通過連接螺帽實現(xiàn)與固定端航空插頭連接。航空插頭由殼體、絕緣體、接觸體三大基本單元組成［4］，如圖14所示。

圖14　　航空插頭結(jié)構(gòu)示意圖

航空插頭殼體應(yīng)該不與搭鐵接觸，理論測量航空插頭對搭鐵的絕緣阻值應(yīng)該是無窮大，但實際測量線束上的航空插頭對搭鐵的絕緣阻值為0，發(fā)現(xiàn)在線束中的屏蔽線P1A和S171C存在搭鐵情況。

從表面上看，此處電池CAN通信線的屏蔽線處于兩端懸空狀態(tài)，其抗干擾能力與非屏蔽雙絞線無差別［5］，但仔細分析此處的電池CAN通信線的屏蔽線實際為一點搭鐵。由于動力蓄電池對搭鐵的絕緣阻值大約為7 MΩ>1 MΩ，根據(jù)懸浮搭鐵的要求，懸浮搭鐵與搭鐵嚴格絕緣，要求搭鐵電阻的大小一般在1 MΩ以上，所以此處電池外殼就形成了懸浮搭鐵。屏蔽線P1A和S171C實際是采用了與電池外殼這個懸浮搭鐵的形式單點搭鐵，從而起到屏蔽的目的，并不是兩端懸空的狀態(tài)。

圖15　　屏蔽線斷開

將屏蔽線P1斷開，測量線束端P1對搭鐵的絕緣阻值，測量阻值為無窮大。斷開S171C測量線束端對搭鐵的絕緣阻值，測量阻值為0，測量結(jié)果顯示S171C線束存在搭鐵情況 （圖15），就形成了屏蔽線雙端搭鐵。一端與懸浮搭鐵相連，一端與車體相連，兩端存在電位差，導致屏蔽線上走電流，影響了整車的絕緣性，同時懸浮搭鐵積累的大量靜電通過屏蔽線釋放到整車車體，這也就解釋了絕緣故障車靜電多的原因。

6　結(jié)論

本文簡要介紹了高壓絕緣監(jiān)測的原理，重點對一汽插電式混合動力客車發(fā)生的絕緣故障進行分析，總結(jié)了絕緣故障排查的一些方法，并詳細分析了絕緣故障產(chǎn)生的原因。其主要原因為高壓蓄電池外殼通過CAN通信的屏蔽線搭鐵，高壓蓄電池與搭鐵之間存在電位差，在屏蔽線上形成電流，對整車的絕緣性產(chǎn)生影響。本文中總結(jié)的絕緣排查方法對于解決同類型的車輛絕緣問題具有借鑒意義。

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（編輯楊景）

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：B

文章編號：1003－8639（2016）01－0046－06

收稿日期：2015-07-13；修回日期：2015-07-28

作者簡介：劉從萍 （1985-），女，黑龍江佳木斯人，助理工程師，主要研究方向為汽車電氣設(shè)計。車用低壓系統(tǒng)的設(shè)計和施工有相關(guān)的規(guī)范和標準，技術(shù)成熟、可靠性高。

Fault Analysis and Solution of Insulation Monitoring Alarm on FAW PHEV

LIU Cong-ping
（Technology Development Department，F(xiàn)aw Bus And Coach Co.，Ltd.，Changchun 130000，China）

Abstract：The current domestic insulation detection technology for EV is introduced，the fault causes of insulation monitoring alarm on FAW plug-in hybrid electric bus are analyzed and the solutions are proposed.

Key words：PHEV（plug-in hybrid electric vehicle）；insulation monitoring；fault