新能源汽車絕緣監(jiān)控原理和維修注意事項(xiàng)

呂 旭，周遠(yuǎn)芳

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益覺(jué)醒和環(huán)保法規(guī)的日益完善，國(guó)內(nèi)外各汽車制造廠家不斷推出新能源車型。根據(jù)歐盟制定的汽車業(yè)相關(guān)碳排放法規(guī)，到2021 年汽車的平均碳排放量要降到95 g/km，折算成汽油油耗相當(dāng)于每百公里4.1 L 汽油或3.6 L 柴油。而歐盟理事會(huì)在2018 年通過(guò)的草案上，更是提出到2030 年在這個(gè)基礎(chǔ)上再降低37.5%的二氧化碳排放[1]。要達(dá)到這種能源消耗水平，單純耗油車輛顯然難以實(shí)現(xiàn)。有鑒于此，能夠預(yù)見(jiàn)各種低排放或零排放的新能源車型將越來(lái)越普及。汽車維修從業(yè)人員也將會(huì)更多地服務(wù)于新能源車輛。

相較于傳統(tǒng)車型，新能源車型的驅(qū)動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)組成、日常維護(hù)項(xiàng)目和內(nèi)容都有很多差異，其中在動(dòng)力儲(chǔ)存、輸出和傳動(dòng)過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)高電壓和大電流的情況。因此如何確保新能源車輛高壓系統(tǒng)和車身的絕緣性能，并在保證安全的前提下完成整車的檢測(cè)和維護(hù)工作是十分重要的。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于新能源車型的檢測(cè)和維護(hù)工作過(guò)程中涉及的相關(guān)電力系統(tǒng)的絕緣安全問(wèn)題尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的作業(yè)規(guī)程，各廠家及其整車的維護(hù)保養(yǎng)作業(yè)基本遵從生產(chǎn)廠家根據(jù)自己的技術(shù)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)自我制定的技術(shù)要求和相應(yīng)作業(yè)規(guī)范進(jìn)行。有鑒于世界范圍內(nèi)新能源車輛的快速發(fā)展及市場(chǎng)占有率的快速提高，有必要對(duì)其檢測(cè)和維護(hù)工作過(guò)程中涉及的一些共性問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和必要的優(yōu)化，此舉對(duì)于提高新能源車輛維護(hù)保養(yǎng)的總體質(zhì)量和保證從業(yè)人員的作業(yè)安全是十分必要的?；谶@一設(shè)想和長(zhǎng)期從事新能源車輛專業(yè)教學(xué)及車輛日常檢測(cè)維護(hù)的作業(yè)實(shí)踐，筆者以目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的高端車型——寶馬G38PHEV （5 系插電混動(dòng)，以下簡(jiǎn)稱寶馬）為例，對(duì)新能源汽車高壓線路絕緣監(jiān)控的原理和維修注意事項(xiàng)進(jìn)行研究分析。

1 新能源汽車高壓電安全性分析

新能源汽車高壓系統(tǒng)正負(fù)極線路和車輛12 V 低壓系統(tǒng)之間沒(méi)有直接的電氣連接，高線系統(tǒng)負(fù)極和車身之間是絕緣的，即這是一種兩線制不接地系統(tǒng)。高壓和低壓之間，除了高壓系統(tǒng)通過(guò)DC/DC 轉(zhuǎn)換器為低壓蓄電池充電之外，沒(méi)有其他的連接。

如果因?yàn)榫€束老化等原因?qū)е赂叩蛪合到y(tǒng)之間的絕緣水平降低，將導(dǎo)致高壓路和低壓線路、車身之間漏電，可能影響低壓設(shè)備正常工作，產(chǎn)生熱量積聚甚至發(fā)生火災(zāi)。如果一條線束對(duì)車身的絕緣水平嚴(yán)重降低，車輛乘員接觸到另一條線束時(shí)，可能導(dǎo)致車輛乘員直接遭受高壓電擊傷害。因此，GB 18384—2020 電動(dòng)汽車安全要求中明文規(guī)定電動(dòng)汽車應(yīng)該具備絕緣監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足車輛安全的要求[2]。

新能源汽車絕緣監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓正負(fù)極線束相對(duì)于車輛底盤(pán)的絕緣性能，是高壓電安全的核心系統(tǒng)，對(duì)乘員安全和車輛安全具有重要意義。各主機(jī)廠在新能源車型上都對(duì)絕緣監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的驗(yàn)證[3]。汽車維修從業(yè)人員必須掌握其工作原理和維修作業(yè)相關(guān)注意事項(xiàng)，這是從事新能源汽車維修工作的必要前提之一。

2 寶馬G38PHEV 新能源汽車絕緣監(jiān)控的原理

2.1 絕緣監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)值和控制邏輯

寶馬的高壓電池額定電壓為350 V，最大電壓可達(dá)401 V，電池容量37 A·h，可用電量11 kW·h，制冷形式為制冷劑制冷。

根據(jù)寶馬內(nèi)部資料顯示，該車型絕緣電阻高于1 500 kΩ 為絕緣電阻正常，低于此值為絕緣強(qiáng)度指標(biāo)不正常。此時(shí)絕緣電阻和最大工作電壓的比值為3 740 Ω/V，大于國(guó)標(biāo)要求的500 Ω/V，此時(shí)雖然不點(diǎn)亮故障燈，但是在車輛的控制單元里儲(chǔ)存有一條故障代碼。當(dāng)絕緣電阻低于210 kΩ 時(shí)，絕緣電阻和最大工作電壓的比值為525 Ω/V，已經(jīng)接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限值，此時(shí)車輛會(huì)點(diǎn)亮故障燈，并要求駕駛員立刻前往修理廠進(jìn)行檢修。

2.2 絕緣監(jiān)控工作過(guò)程

寶馬新能源汽車高壓線路絕緣監(jiān)控原理見(jiàn)圖1。

圖1 寶馬新能源汽車高壓線路絕緣監(jiān)控原理圖

圖中R+為高壓正極線對(duì)地絕緣電阻，R-為高壓負(fù)極線對(duì)地絕緣電阻，開(kāi)關(guān)K1，K2受SME 高壓蓄電池管理單元控制，V1，V2測(cè)量?jī)蓷l高壓線對(duì)地電壓將測(cè)量值傳輸給SME。

當(dāng)需要測(cè)量R+的值的時(shí)候，首先K1，K2斷開(kāi)，測(cè)量?jī)蓷l高壓線對(duì)地電壓為U1，U2；然后接通K1，在負(fù)極的絕緣電阻R-上并聯(lián)一個(gè)測(cè)量電阻RM1，再次測(cè)量?jī)蓷l高壓線對(duì)地電壓為經(jīng)過(guò)兩次測(cè)量后，可以計(jì)算出R+的值為

按照相同原理先斷開(kāi)K1，K2，再接通K2測(cè)量，可計(jì)算出高壓負(fù)極導(dǎo)線的對(duì)地絕緣電阻R-的值。

2.3 寶馬新能源汽車絕緣監(jiān)控效果分析

由以上絕緣監(jiān)控原理分析和相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，測(cè)量開(kāi)關(guān)K1，K2的交替打開(kāi)，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)高壓線在不同情況下的對(duì)地電壓數(shù)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到其絕緣電阻。這種監(jiān)控方式可以對(duì)兩條高壓線分別進(jìn)行監(jiān)控，可控性好且測(cè)試結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確。同時(shí)，由于測(cè)量電阻RM的阻值和絕緣電阻相當(dāng)，系統(tǒng)功耗較小，是一種可靠實(shí)用的監(jiān)控方法。

3 高壓絕緣故障維修注意事項(xiàng)

為了安全可靠地維護(hù)并排除新能源汽車的高壓絕緣故障，防止人身傷害和車輛損壞，在實(shí)際操作時(shí)，必須嚴(yán)格遵從以下作業(yè)規(guī)程。

3.1 維修前確保高壓電斷開(kāi)

嚴(yán)禁在帶電的高壓組件上進(jìn)行維修。在進(jìn)行高壓系統(tǒng)維修作業(yè)前，必須首先斷開(kāi)高壓電輸出。不同車輛斷開(kāi)的具體方式不同，但總體的流程類似。以寶馬車型為例，斷開(kāi)高壓電應(yīng)分3 步進(jìn)行。

1）斷開(kāi)低壓電。關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)低壓電并等待幾分鐘，以便車輛進(jìn)入休眠狀態(tài)。對(duì)于寶馬品牌的汽車，點(diǎn)火開(kāi)關(guān)背景燈熄滅即為車輛休眠。

2）斷開(kāi)高壓電。通過(guò)高壓斷電開(kāi)關(guān)或拔下斷電插頭等方式斷開(kāi)高壓電。作業(yè)時(shí)要注意防止他人誤接通高壓電而造成事故。對(duì)于寶馬車系，拔開(kāi)斷電插頭后要拿U 型鎖鎖止并由操作者自己保存好鑰匙，有些品牌需要自己妥善保存拔下的斷電插頭。

3）確認(rèn)高壓電已斷開(kāi)。再次打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，看儀表上有沒(méi)有高壓電已斷開(kāi)的提示。若有提示則證明高壓電已經(jīng)斷開(kāi)，可以進(jìn)行下一步的維修；若無(wú)提示，必須由具有帶電維修資質(zhì)的技術(shù)人員確認(rèn)車輛的高壓電狀態(tài)。

尤其是對(duì)于事故車輛，其高壓系統(tǒng)及其安全防護(hù)措施可能已經(jīng)在事故中失效。高壓蓄電池也可能發(fā)生損壞，有可能釋放出有害物質(zhì)。因此在進(jìn)行操作前，應(yīng)該先進(jìn)行事故嚴(yán)重程度的評(píng)估。如果發(fā)生以下情況之一，則不能進(jìn)行通常的斷電流程，而是應(yīng)該將該車隔離，由具備帶電維修資質(zhì)的技術(shù)人員進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)。

此類情況包括：可見(jiàn)產(chǎn)生煙霧；可見(jiàn)車輛燒傷痕跡；可見(jiàn)明顯水漬 （包括高壓水槍滅火痕跡）；在高壓電池及高壓組件的安裝部位有明顯的機(jī)械損傷；高壓蓄電池殼體上有破損；高壓蓄電池發(fā)生位移；高壓線纜斷裂并垂落在車輛外。

對(duì)于不存在以上情況的事故車，在斷電操作前，也嚴(yán)禁接觸任何高壓組件。在執(zhí)行斷電操作時(shí)，應(yīng)該使用絕緣、耐酸的手套及佩戴防護(hù)眼鏡。

此外，由于PHEV 車輛可以通過(guò)外部充電器進(jìn)行充電，因此要特別注意在進(jìn)行高壓系統(tǒng)維修作業(yè)時(shí)嚴(yán)禁進(jìn)行高壓充電操作。為了保證低壓蓄電池不虧電，可以為低壓蓄電池單獨(dú)充電。

3.2 高壓線纜損壞應(yīng)進(jìn)行更換

在傳統(tǒng)車輛上，如果導(dǎo)線發(fā)生破皮等情況導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣性能下降或發(fā)生短路故障時(shí)，維修技師可以通過(guò)使用絕緣膠帶纏繞等方式進(jìn)行維修。但新能源車輛高壓電纜的絕緣要求遠(yuǎn)高于低壓導(dǎo)線。所以，傳統(tǒng)的通過(guò)使用絕緣膠帶的方法無(wú)法滿足其絕緣要求。因此，如果新能源車輛的高壓電纜發(fā)生了損壞，對(duì)這些電纜一般不進(jìn)行修復(fù)，而是通過(guò)更換新電纜來(lái)保證系統(tǒng)具有足夠的絕緣強(qiáng)度指標(biāo)。

3.3 高壓蓄電池的維修

1）高壓線束扎帶的解開(kāi)。高壓蓄電池內(nèi)部有些高壓導(dǎo)線使用扎帶捆束。如果按照一般習(xí)慣使用斜口鉗剪開(kāi)扎帶，一旦操作失誤，則可能會(huì)損傷導(dǎo)線的絕緣層，導(dǎo)致絕緣性能下降；還可能露出金屬電纜，危及維修人員的作業(yè)安全。為了保證導(dǎo)線的絕緣性能并杜絕事故，高壓電池內(nèi)部導(dǎo)線上的扎帶只能用壓住鎖扣以手動(dòng)抽出的方式進(jìn)行解開(kāi)操作。

2）高壓蓄電池解體維修時(shí)需進(jìn)行隔離。在進(jìn)行高壓蓄電池解體維修作業(yè)時(shí)，為了避免無(wú)資質(zhì)人員接近而可能出現(xiàn)的意外傷害，需要對(duì)高壓蓄電池維修區(qū)域進(jìn)行隔離，并懸掛明顯的警示標(biāo)牌。

3）安裝時(shí)確保等電位螺栓連接可靠。需要注意的是，在絕緣監(jiān)控電路里，無(wú)論是電壓表還是測(cè)量電阻，其接地并不是直接接在車身上，而是接在高壓電池的殼體上。如果高壓電池殼體和車身接地之間接觸不良的話，就相當(dāng)于測(cè)量電阻RM上串聯(lián)了一個(gè)接觸電阻而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。由于現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性，這種情況是無(wú)法通過(guò)自診斷發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，可能出現(xiàn)絕緣電阻已經(jīng)低于閾值卻沒(méi)有報(bào)警的情況發(fā)生。因此，保證高壓蓄電池殼體與車身等電位在高壓絕緣監(jiān)控中至關(guān)重要，在寶馬混合動(dòng)力車輛上是靠一顆等電位螺栓來(lái)保證上述兩者電位相等。除了確保絕緣監(jiān)控可靠之外，等電位設(shè)計(jì)還對(duì)車輛在發(fā)生碰撞或極端環(huán)境下，電池總成和車體之間產(chǎn)生不等電位的情況，對(duì)乘員進(jìn)行可靠的防護(hù)[4]。

如果在維修高壓系統(tǒng)時(shí)拆卸了高壓蓄電池的等電位螺絲，在安裝時(shí)必須確保等電位螺栓緊固可靠。為了保證萬(wàn)無(wú)一失，該螺栓應(yīng)由一名技師按規(guī)定扭矩?cái)Q緊后，再由另一名技師進(jìn)行確認(rèn)。兩名技師確認(rèn)無(wú)誤后，共同簽字擔(dān)保等電位連接可靠。

此外，對(duì)于發(fā)生事故等需要進(jìn)行噴漆的新能源車輛，其高壓組件，尤其是高壓蓄電池的安裝部位嚴(yán)禁進(jìn)行噴漆，否則將導(dǎo)致等電位螺栓接地不可靠，致使絕緣監(jiān)控失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就新能源汽車絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理進(jìn)行了分析，并以此為基礎(chǔ)提出了對(duì)其檢測(cè)、維修的相關(guān)技術(shù)要求和作業(yè)規(guī)范，能夠在整車檢測(cè)、維修和保養(yǎng)作業(yè)中廣泛采用。隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步和更新?lián)Q代[5]，也必然會(huì)賦予新能源汽車絕緣監(jiān)控系統(tǒng)新的內(nèi)容，而其檢測(cè)、維修、保養(yǎng)的技術(shù)要求也必須不斷更新和進(jìn)步以與之相適應(yīng)。