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纯电动汽车绝缘监测功能的开发及验证

2020-07-14 21:10:18·  来源：电动学堂  
　
作者单位：云度汽车1新能源汽车绝缘监测主流技术应用1.1直流法绝缘监测直流法绝缘监测技术的应用主要为基于电桥法原理测试高压对地的绝缘电阻。该方法为GB/T1838
作者单位：云度汽车
 
1新能源汽车绝缘监测主流技术应用
1.1直流法绝缘监测
直流法绝缘监测技术的应用主要为基于电桥法原理测试高压对地的绝缘电阻。该方法为GB/T18384测试绝缘电阻的方法，使用范围比较广泛，其具体实现方式如图1所示。
 
图中：Ri+和Ri-表示REESS两个端子与电平台的绝缘电阻；R0为已知的测量电阻。Ri为Ri+和Ri-里面较小的绝缘电阻，则
 
1.2交流法绝缘监测
交流法绝缘监测技术的应用主要为低频信号注入法，其具体实现方式如图2所示。
 
其中：Gen为幅值为U的PWM波发生电路；u为绝缘电阻采样电路电压。Ri为Ri+并联Ri-的值，则
 
2 低频信号注入法绝缘监测的软硬件设计与优缺点分析
2.1硬件设计
低频信号注入法的绝缘电阻测试主要包含两部分，一部分为Gen方波发生电路，一部分为RC电路的参数设计。考虑到电动汽车上可能发生绝缘故障的部件包含电池包、压缩机、电机控制器、电机及车载电源总成等，这些高压部件除了绝缘电阻之外，还包含大量的Y电容、杂散电容及共模干扰成分等等，这些均会耦合至RC电路的采集回路之间，影响到绝缘电阻的检测；因此设计时，应当提高Gen方波器的注入幅值并降低注入频率，减小Y电容带来的影响。
综合部分仿真数据以及芯片资源之后，选择Gen方波发生器的注入幅值与频率为27V/1.25Hz。由于新能源汽车上的供电为12V或者24V，因此，需要有一个Boost升压电路，将电压提高至27V；选择Boost芯片，搭建外围电路。R、C参数的选择经过仿真之后选择了C=470nF、R=940kΩ，考虑到零部件法规需要承受DC1000V，以及AC（2U+1000）V的严酷等级，调整R、C由多个电阻电容串并联共同完成了耐电压要求。
2.2软件标定
软件通过硬件外接不同值的绝缘电阻，获取RC回路采集的电压△u之间的对应关系，标定了相应的数据，如表1所示。
 
2.3优缺点分析
该方案可以在动力电池高压无源的情况下测试绝缘电阻，它的工作不受动力电池维修开关断开、继电器断开及动力电池充放电情况下总压突变的影响，同时可以检测出新能源汽车高压交流电机的绝缘情况，可以很好的匹配行车过程中高压动力系统的绝缘监测。但是由于是低频信号注入的原因，高压系统中存在的Y电容将形成交流阻抗，且Y电容值越大，越容易触发误诊断的情况。因此下文将通过实验重点测试Y电容对绝缘测量精度的影响。
3实验测试与误差分析
根据新能源汽车的应用场景，以下将重点测试该功能在电池包下线生产中、车辆行车过程中、快充过程中及慢充过程中，以及高温环境、低温环境下的绝缘精度，并分别进行分析与改进。
3.1基于电池包环境的绝缘精度测试（见表2）
 
误差分析与改进：经过软件标定后，电池包环境下的PACK+、PACK-及电池包内部任意点的绝缘监测精度满足设计目标-20%～+5%的误差范围之内，初步判定方案可行。
3.2基于高低温环境的绝缘精度测试（见表3）
 
误差分析与改进：经过了一轮环境试验之后，绝缘监测精度在高温下以及低温下均不满足设计指标，发生了严重的监测偏离现象。排查电路的设计之后发现，在低温下，Boost电路的反馈回路上的电容值10nF加的较大，低温下ESR变大引起Boost电路工作异常，引起PWM波注入幅值发生异常，导致电压采样偏小误判绝缘故障。经过分析，调整了电容值至pF级别之后，低温下的绝缘电阻精度恢复正常，同时软件策略增加注入PWM回路的电压幅值平均值诊断来区分硬件故障和绝缘故障。但高温下同样发生了绝缘电阻精度不达标的情况。排查电路的设计之后发现，在电压采样回路上钳位的二极管在高温下漏电流比较大，由于采样回路的电阻值较大，引起了采样电压偏小误判绝缘故障。经过分析之后，重新调整了二极管的选择型号，高温下的绝缘电阻精度恢复正常。
3.3基于整车放电模式的绝缘精度测试（见表4）
 
误差分析与改进：经过了一轮动态路试测试之后，绝缘监测精度在整车行车环境下可以满足动态监测的设计指标，整体精度对比电池包环境时偏小。经过分析之后确认是由于整车存在驱动电机控制器、压缩机等Y电容引起的，总体测试结果符合设计目标。但在测试过程中发现在整车继电器切换时会发生电压采样偏小引起上报电阻值偏差较大的问题，因此软件将绝缘监测的时间延长至10s诊断，用于规避该问题。调整完控制策略之后重新进行整车匹配测试，可以达到设计指标。
3.4基于整车慢充模式的绝缘精度测试（见表5）
 
误差分析与改进：经过一轮充电测试之后，绝缘监测精度在整车慢充环境下可以满足绝缘精度的设计指标。
3.5基于不同Y电容的快充模式绝缘精度测试（见表6）
 
误差分析与改进：根据国标规定的Y电容存储的能量不得超过0.2J的要求，针对400V的高压动力系统平台，确认该系统的总体Y电容不得超过2500nF，因此本次测试选择的上限Y电容值为2500nF。从表6测试数据发现，该方案在Y电容值大于500nF之后，无法达到设计指标-20%～+5%的精度范围要求。该方案在新能源汽车上应用时，车端高压系统集成可以控制各个零部件的Y电容值大小，保证整车除快充工况外的其它工况的绝缘监测精度；当新能源汽车在快充过程中，由整车端负责整个高压系统（包含非车端的外部快充设备）的绝缘监测，此时快充桩的高压Y电容将被并联至整个系统的高压回路之中，影响到绝缘监测功能。调查市面上的快充桩发现存在两种形式的充电桩：一种为单机柜的形式，该类型充电桩Y电容值较小，系统整体Y电容值不会超过500nF，绝缘监测精度可以满足设计目标；另一种为大型配电柜的形式，该类型充电桩Y电容值较大，系统绝缘监测精度无法满足设计目标。分析测试数据，当Y电容值小于2500nF时，可以保证500Ω/V（对应400V电压平台为200kΩ）的绝缘故障点报警要求。因此该方案在设计时进行控制策略调整，行车和慢充模式下设计为实时上报整车高压系统的绝缘电阻，快充模式下设计为判断500Ω/V的系统绝缘故障点，防止发生充电时误报警的情况。
4结论
两种绝缘检测方案在新能源汽车上的应用各有优缺点。电桥法绝缘监测在快充时由于动力电池电压U比较稳定，可以简单可靠地计算出快充时的绝缘电阻；而在行车模式下由于动力电池电绝缘电阻压U的波动，动态监测可靠性较差。相反，低频信号注入法绝缘监测可以满足行车动态绝缘监测，而对于快充时候的Y电容不稳定性兼容性差；同时在实际快充测试过程中还发现由于充电桩引起的两个车辆绝缘监测冲突的问题发生，影响了使用的可靠性。
通过本次的测试研究，接下来的绝缘监测方案着重为：低频信号注入法的Y电容与绝缘电阻的解耦方案设计、或低频信号注入法与电桥法两个方案的整合设计，在行车和快充时分别采取不同的绝缘监测方案。
汽车电控产品在不同的工况环境下表现各不相同，产品的开发应严格按照V模式开发验证，通过一系列的研究积累、法规标准解读、零部件DVP试验验证以及实际应用场景测试等来确保电控产品的可靠性。
 
 
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