混合動(dòng)力汽車高壓漏電的檢測(cè)與分析

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

混合動(dòng)力汽車集機(jī)械裝置、動(dòng)力電池、高壓配電傳輸、變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)、電力空調(diào)系統(tǒng)等為一體，是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化移動(dòng)綜合體。由于混合動(dòng)力汽車所用的動(dòng)力電池模塊由多個(gè)電池組串聯(lián)而成，其電壓一般在直流200V以上，所以電池組與車體之間的絕緣性能就成了重點(diǎn)考慮的問題。其次，混合動(dòng)力汽車在運(yùn)行過程中，由于工作環(huán)境比較復(fù)雜和惡劣，振動(dòng)、酸堿氣體的腐蝕、溫度及濕度的變化影響，操作不當(dāng)?shù)耐饬p傷都有可能造成高壓電氣絕緣層迅速老化甚至破損，使設(shè)備絕緣性能大大降低，危及人身安全。當(dāng)車輛高壓電路和底盤之間出現(xiàn)多點(diǎn)絕緣性能下降時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生熱量積聚效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電氣火災(zāi)。因此，如何準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)絕緣電阻顯得尤為重要。本文基于豐田普銳斯混合動(dòng)力高壓系統(tǒng)，介紹分析豐田汽車應(yīng)用低頻脈沖信號(hào)注入法實(shí)時(shí)檢測(cè)高壓絕緣電阻的專利技術(shù)。

二、混合動(dòng)力汽車高壓絕緣標(biāo)準(zhǔn)

在混合動(dòng)力汽車的高壓電氣系統(tǒng)中，整個(gè)高壓系統(tǒng)是與底盤絕緣、封閉的。高壓系統(tǒng)的HV蓄電池控制ECU漏電檢測(cè)控制器分別利用電源的正極引線電纜和負(fù)極引線電纜對(duì)底盤的絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)控，來反映高壓電氣系統(tǒng)的絕緣性能。根據(jù)國(guó)標(biāo)《GBT18384.3-2015，電動(dòng)汽車安全要求第三部分:人員觸電防護(hù)》明確定義混合動(dòng)力汽車的電壓電路屬于B級(jí)電壓電路，其“最大工作電壓大于30Va.c(rms)且小于或等于1 000Va.c(rms)，或大于60V直流(d.c)且小于或等于1 500V直流(d.c)的電力組件或電路”。對(duì)絕緣電阻要求也有規(guī)定，“在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)至少大于100Ω/V，交流電路應(yīng)至少大于500Ω/V。整個(gè)電路為滿足以上要求，依據(jù)電路的結(jié)構(gòu)和組件的數(shù)量，每個(gè)組件應(yīng)有更高的絕緣電阻值”。因此，采用先進(jìn)的絕緣電阻檢測(cè)技術(shù)對(duì)于混合動(dòng)力汽車的高壓系統(tǒng)安全而言意義重大。

混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)監(jiān)控高壓電路和車輛底盤之間的絕緣電阻。高壓電路應(yīng)始終通過特定電阻量與車輛底盤絕緣，以避免潛在構(gòu)成危險(xiǎn)的電流通道。內(nèi)置于HV蓄電池控制ECU的“漏電檢測(cè)電路”持續(xù)檢測(cè)高壓電路和車身搭鐵之間的絕緣電阻保持不變。如果絕緣電阻降至低于規(guī)定級(jí)別，則存儲(chǔ)一個(gè)DTC(高壓絕緣異常)，且利用組合儀表顯示和HV系統(tǒng)主警告燈亮起，將異常信息告知駕駛員，并且自動(dòng)斷開高壓電路繼電器。

三、豐田混合動(dòng)力(THS-Ⅱ)高壓電氣控制系統(tǒng)分析

THS-Ⅱ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖1)。它可分為直流高壓系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)、交流高壓電氣系統(tǒng)。其中，HV蓄電池是混合動(dòng)力的高壓電源，為了滿足電力驅(qū)動(dòng)的能量和功率要求，HV蓄電池標(biāo)稱電壓為201.6V。變頻器一端連接直流電源母線，將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，另一端連接永磁交流電機(jī)MG1和MG2。增壓轉(zhuǎn)換器將HV蓄電池201.6V提高到500V，適合電機(jī)各個(gè)轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而優(yōu)化系統(tǒng)損耗。DC/DC變換器將直流電源轉(zhuǎn)化為適合直流設(shè)備使用的電源，輸出端連接到諸如動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)等直流用電設(shè)備。另外，DC/DC變換器還可以為低壓備用蓄電池充電，為車載控制器、儀表盤、燈光和雨刷等低壓系統(tǒng)設(shè)備提供電源。THS-Ⅱ系統(tǒng)的控制功能如表1。

圖1 THS-Ⅱ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 THS-Ⅱ系統(tǒng)的控制功能

綜上所述，混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在漏電的情況較多，根據(jù)短板效應(yīng)，當(dāng)車輛某處絕緣電阻性能下降或者降至臨界點(diǎn)時(shí)，整車的絕緣性能與絕緣良好處無關(guān)，只由該處的絕緣特性描述。這種描述方法既符合漏電監(jiān)控的原則，也最大程度上保障了乘客的電擊安全防護(hù)。

四、混合動(dòng)力汽車高壓漏電檢測(cè)原理

與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車絕緣檢測(cè)模型不同，目前大多數(shù)混合動(dòng)力汽車都采用低頻脈沖信號(hào)注入法實(shí)時(shí)檢測(cè)絕緣電阻模型的高壓漏電診斷技術(shù)。此方法最大特點(diǎn)在于，測(cè)量時(shí)不受直流電源的影響，運(yùn)行或停止時(shí)都能進(jìn)行測(cè)量，并且因?yàn)榻^緣電阻計(jì)算完全依賴于系統(tǒng)內(nèi)唯一點(diǎn)的共模電位點(diǎn)采樣值，這樣整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，絕緣電阻檢測(cè)硬件的體積也相對(duì)縮小，在實(shí)際應(yīng)用中有著良好的可操作性。圖2所示為為豐田混合動(dòng)力THS-Ⅱ系統(tǒng)采用的RC低頻脈沖信號(hào)注入法的檢測(cè)車輛絕緣電阻的原理圖。

圖2 THS-Ⅱ系統(tǒng)檢測(cè)絕緣電阻原理圖

圖2中虛線框內(nèi)即為混合動(dòng)力系統(tǒng)高壓電路整體模型。r1、r3(22，24)是HV蓄電池正極與車輛底盤之間的絕緣電阻，r2、r4(23，25)是HV蓄電池負(fù)極與車輛底盤之間的絕緣電阻，HV蓄電池(12)為混合動(dòng)力汽車的高壓直流電源。虛線框下面為絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng)的主體電路，絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng)(50)由檢測(cè)電路和信號(hào)處理電路組成。檢測(cè)電路包括與共模電位參考點(diǎn)(30)串聯(lián)的耦合電容器(52)、檢測(cè)電阻(54)和脈沖振蕩發(fā)生器(56)，信號(hào)處理電路包括采樣信號(hào)Vx濾波器(58)、放大器(60)以及波峰值檢測(cè)電路(62)和控制器(70)?？刂破?70)具有響應(yīng)于經(jīng)處理的疊加交流頻率信號(hào)波峰值(Vx)的輸出，與共模電位參考點(diǎn)Vx′(30)的電壓作比較，計(jì)算相對(duì)應(yīng)的絕緣電阻值?？刂破?70)配置包括絕緣電阻降檢測(cè)模塊(72)，用于產(chǎn)生脈沖振蕩信號(hào)，并基于波峰值檢測(cè)電路(62)檢測(cè)到的值判斷絕緣電阻是否下降。共模電壓變化請(qǐng)求模塊(74)用于絕緣電阻對(duì)HVCPU(40)的共模電位變化進(jìn)行平衡，以便能夠精確檢測(cè)絕緣電阻值。絕緣電阻檢測(cè)故障確定模塊(76)，根據(jù)通過來自共模電位改變前后的輸出比較，以確定絕緣電阻檢測(cè)部分或類似部件是否存在故障。

這里Vp是脈沖振蕩器(56)產(chǎn)生的5V方波信號(hào)，信號(hào)的地與車輛底盤共地。圖中Vx表示采樣點(diǎn)的共模電位(電壓)。由模擬電子電路知識(shí)可知，如果在電路中注入脈沖信號(hào)，電路中內(nèi)阻很小的直流電流源可視為短路，內(nèi)阻很大的電流源可視為開路。通常來說，HV蓄電池的內(nèi)阻為mΩ級(jí)別，當(dāng)電壓上升后，HV蓄電池的內(nèi)阻依然很小，依據(jù)此原則，當(dāng)脈沖振蕩器(56)發(fā)出脈沖信號(hào)后，可以認(rèn)為直流電壓源短路，如圖3所示為簡(jiǎn)化電路。

圖3 簡(jiǎn)化電路

由于直流電壓源可視為短路，正極絕緣電阻r1、r3與負(fù)極絕緣電阻r2、r4形成一個(gè)總并聯(lián)電阻為R，即等效于絕緣電阻。根據(jù)電路串并聯(lián)等效原則可知，R＜min(r1、r3，r2、r4)，如果能在電路中保證R電阻值符合規(guī)定絕緣電阻標(biāo)準(zhǔn)，那么就能確保乘駕人員的人生安全。

在檢測(cè)過程中，檢測(cè)電阻Rd和絕緣電阻R形成串聯(lián)電路，當(dāng)檢測(cè)電路中施加脈電壓號(hào)后，采樣電壓Vx就是電路中的分壓。

圖4 采樣電壓Vx與絕緣電阻R的關(guān)系

公式中：Vx—采樣電壓；Vp—脈沖振蕩信號(hào)電壓；R—絕緣電阻值；Rd—檢測(cè)電阻值；Cc—隔離電容器值；f—脈沖振蕩信號(hào)頻率。由此得到采樣電壓Vx與絕緣電阻R的關(guān)系如圖4所示。

由此可知，絕緣電阻越大，采樣電壓Vx越大，反之，絕緣電阻減小，采樣電壓Vx變小。豐田混合動(dòng)力THS-Ⅱ系統(tǒng)將Vx值經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換為HV控制ECU的數(shù)據(jù)“ShortWaveHighestVal”，該值在0和5V之間來表示絕緣電阻大小。可通過智能檢測(cè)儀的ECU數(shù)據(jù)流查看。圖5所示為“ShortWaveHighestVal”的特性圖。車輛剛開始上電時(shí)“ShortWaveHighestVal”會(huì)降至約1.5V，應(yīng)該將車輛置于READY-ON狀態(tài)一段時(shí)間后，再進(jìn)行漏電檢測(cè)電路工作情況的檢查，“ShortWaveHighestVal”在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)升壓時(shí)可能降至約0V，由共模電壓變化請(qǐng)求模塊(74)控制，所以應(yīng)在未進(jìn)行升壓時(shí)作出絕緣電阻減小的故障判斷。

圖5 ShortWaveHighestVal”的特性圖

五、故障實(shí)例診斷

1.故障現(xiàn)象

2006年生產(chǎn)的車型為NHW20L-AHEEBC豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車，搭載THS-Ⅱ系統(tǒng)，車輛已行駛450 000km?？蛻舴从耻囕v停車以后，重新啟動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛無法啟動(dòng)，掛檔無效，儀表盤上的主警告燈、發(fā)動(dòng)機(jī)警告燈、充電指示燈一直點(diǎn)亮，多功能信息顯示屏上提示“發(fā)生異?！?。

2.故障確認(rèn)

智能診斷儀IT-Ⅱ讀取故障碼(DTC)為“P0AA6，混合型電池電壓系統(tǒng)隔離故障”，信息代碼INF為“526，高壓電源短路”根據(jù)維修手冊(cè)提示“P0AA6“DTC檢測(cè)條件：“高壓電路與車身間的絕緣電阻減小”。故障可能發(fā)生部位：“車架線、系統(tǒng)主繼電器、系統(tǒng)主電阻器、HV蓄電池、帶電機(jī)的壓縮機(jī)總成、蓄電池ECU、HV變速驅(qū)動(dòng)橋總成、帶轉(zhuǎn)換器的變頻器總成、HV蓄電池主電纜、HV蓄電池2號(hào)主電纜、維修塞連接線端子、2號(hào)車架線、接線盒總成”。由于維修手冊(cè)提示故障部位范圍較廣，難以診斷操作。因此，利用IT-Ⅱ選擇菜單Powertrain/HybridControl/DTC中讀取DTC定格數(shù)據(jù)。每個(gè)DTC定格數(shù)據(jù)都包含了信息代碼和詳細(xì)信息。其中信息代碼(DetailCode)劃分了故障區(qū)域范圍，詳細(xì)信息(DetailInformation)記錄了與故障有關(guān)的參考數(shù)據(jù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、MG1、MG2轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度，變頻器溫度，升壓轉(zhuǎn)換器電壓、溫度，充電狀態(tài)(SOC)等，故障發(fā)生順序欄中的數(shù)據(jù)(OccurrenceOrder)，規(guī)定了從順序數(shù)字最小的DTC開始檢查的原則?！癙0AA6”故障碼定格數(shù)據(jù)(圖6)。

圖6 “P0AA6”故障碼定格數(shù)據(jù)

在定格數(shù)據(jù)中，故障信息代碼“526”所指定的故障區(qū)域“612”，即絕緣電阻減小的區(qū)域是HV蓄電池區(qū)域(圖7)。

圖7 HV蓄電池電壓系統(tǒng)絕緣電阻故障部位區(qū)域

圖8 故障車“ShortWaveHighestVal”動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流

為了驗(yàn)證故障，保存DTC和定格數(shù)據(jù)。清除DTC。試著啟動(dòng)車輛，車輛能夠啟動(dòng)。車輛路試數(shù)據(jù)流中，偶爾發(fā)現(xiàn)HV控制ECU的數(shù)據(jù)“ShortWaveHighestVal”減小(如圖8)，說明在HV蓄電池區(qū)域內(nèi)確有絕緣電阻下降的偶發(fā)故障。

3.故障檢查

進(jìn)行下列操作前戴上絕緣手套：

①關(guān)閉電源開關(guān)；

②準(zhǔn)備拆卸維修塞時(shí)，維修塞拔不出，硬拔出維修塞，發(fā)現(xiàn)維修塞底座變形；

③用兆歐表(量程500V)測(cè)量維修塞上兩根HV蓄電池連接電纜與車身之間電阻，在拉動(dòng)電纜瞬間，兆歐表測(cè)量的電阻值瞬間下降到1MΩ上下變化(標(biāo)準(zhǔn)＞10MΩ)，說明車輛絕緣性能確有存在異常；

④拆開這兩根電纜，發(fā)現(xiàn)電纜的絕緣膠皮已經(jīng)被蓄電池底部安裝螺釘磨了破損(圖9)。

根據(jù)客戶后來反映，該車HV蓄電池曾經(jīng)虧電過，在其他修理廠拆卸過蓄電池。原因可能是沒有正確安裝好HV蓄電池和維修塞以及連接電纜，致使電纜絕緣膠皮被磨破，車輛行駛中受到振動(dòng)，導(dǎo)致磨破處導(dǎo)線與螺釘接觸，與車身之間發(fā)生短路。

4.故障修理

更換維修塞電纜，正確安裝維修塞。試車檢查HV控制ECU的數(shù)據(jù)“ShortWaveHighestVal”在非增壓階段一直保持在4.99V，確認(rèn)故障排除。

圖9 故障車HV蓄電池維修塞電纜破損示意圖

六、結(jié)論

以上故障實(shí)例是豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)采用在耦合電容器和檢測(cè)電阻之間的連接處，對(duì)注入的低頻脈沖信號(hào)施加濾波器，使其在預(yù)定的頻率范圍內(nèi)通過交流信號(hào)的變化得到的測(cè)量結(jié)果，確定絕緣電阻降低的故障，保證了絕緣檢測(cè)的精度和可靠性，是一種較為理想的絕緣電阻檢測(cè)方案，廣泛適合于應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車的高壓電源安全性能在線檢測(cè)系統(tǒng)中，同時(shí)為診斷混合動(dòng)力系統(tǒng)高壓漏電故障提供精確的數(shù)據(jù)參考。