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怎样在电动汽车整车上设计绝缘监测系统？

2019-09-14 19:25:26·  来源：电动汽车动力总成  
　
在电动汽车新一轮的革命热潮中，电动化、智能化、网联化一直作为各厂商推陈出新的卖点。每个人对好车的定义不一样，但不可否认的基础是——好车首先得足够安全。
在电动汽车新一轮的革命热潮中，电动化、智能化、网联化一直作为各厂商推陈出新的卖点。每个人对好车的定义不一样，但不可否认的基础是——好车首先得足够安全。
 
比如汽车碰撞，如何获得相关机构全五星安全性评级一直是各厂商努力的聚焦点之一，获得碰撞安全的车一般都能获得顾客的信赖，也会对汽车的销量产生积极正面的影响，如Tesla Model S获得了NHTSA史上最高分5.4分，也创造了一个全新的记录，对Model S后来得到用户的认可和好评功不可没。
 
图1 各NCAP机构示意图
 
电动汽车的诞生就一直伴随着消费者的疑问，电动汽车涉水安全吗？、电动汽车碰撞后会触电吗？等等，诸如此类问题思考的背后折射出人们对于安全出行的强烈意愿。针对EV/HEV安全，中国新车评价规程C-NCAP（China-New Car Assessment Program）2018年新规率先将电安全纳入了评分方案。

在2018版C-NCAP中，关于EV/HEV防触电保护评测，其中，REESS（车载可充电储能系统）端高压母线与电底盘间绝缘电阻≥100Ω/V作为基本评测条款，而电力系统负载端绝缘电阻满足相关要求作为碰撞后车辆电安全评测选项条款之一。
 
【EV/HEV绝缘故障监测】
国内外电动汽车安全要求，是以高压电池系统防护为中心，按系统架构，进而到电机电控等，衍生出相关标准条款。整车安全规范则主要囊括了包括电气、机械、化学和功能安全。
 

 
图2 EV/HEV相关安全标准
 
绝缘性能作为EV/HEV电气安全设计的其中一项要求，在GB/T18384-2015中B级电压（＞60VDC或＞30VAC）系统绝缘电阻说明要求的基础上，在2018年1月GB《电动汽车安全要求》强制标准征求稿中对于绝缘警示作了进一步说明，参照GB7258-2017相关条例措施，强制要求具有绝缘电阻监测，在整车绝缘电阻低于规定要求时，应通过一个明显的信号（例如：声或光信号）装置提醒驾驶人。

另外，GB/T32960.3-2016《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》第3部分整车数据，要求上报整车的绝缘电阻值数据到远程监测平台，以便监控管理及救援。

 
图3 绝缘监测装置接线示意图
 
【绝缘监测装置设计/选择】
虽然电动汽车安全要求强标中已明确整车高压系统需附加绝缘监测装置（IMD，Insulation monitoring device），但是并未规定何种绝缘监测装置设计才是符合要求的。
总体而言，绝缘监测装置需暴露在电噪声的环境中稳定可靠的运行。目前，国内外绝缘监测装置工作模型一般采用电桥平衡法、信号注入法、电压法及其他衍生电路方案。IDM设计与选型时基于“择优而定”原则，从整车系统需求出发分解各方案对系统的适用性，以此评估供应商或方案优势。


 
图4 IDM设计选型因素占比示意图
 
评价IDM设计选型方案，基于上图所示，可作要点评估，以期最优化选择。对于整车系统而言，IDM对高压平台的兼容性、测试响应时间、工作可靠性以及诊断时效性尤为重要。

关于设计选型因素评估说明举例：
1）在EV/HEV电气平台化架构推进下，不同系统/部件总配置变化，IDM硬件无法具有适配性，则产品就严重缺乏模块化的条件；
2）诊断电路对真实故障条件的响应时间是设计IDM时需要考虑的关键参数之一，如某些信号注入方案，脉冲信号会受到Y电容的RC充电特性影响，需要设置足够的固定时间，以此来避免Y电容对绝缘检测的影响，而过长的检测时间对及时响应故障处理不利。
3）IDM可诊断任何线路，包含AC线路（车载DCAC并不隔离设计），和底盘接地之间的泄露故障，但若IDM无法测量AC端接地故障，则整车系统可额外附加用于AC线路的绝缘监测功能，比如MCU控制器增设接地故障诊断。
另外，建立测试用例，检测IDM实际情况，这也是系统验证的一种有效途径。
 
【绝缘电阻阈值设定】
绝缘电阻，即绝缘介质所具有的电阻值，是衡量介质绝缘性能好坏的物理量。针对B级电压系统的绝缘性能要求，电动汽车安全相关标准（如ISO6469、GB/T18384等）均作了相关定义。
 
由于人体的交/直流电压安全阈值不同，非传导连接的高压电路在工作电压下绝缘电阻最小值要求也有所不同。
根据《IEC60147-1电流对人和家畜的效应指南 第1部分：通用部分》说明，人体无害过流能力电流要求＜10mA（DC）或＜2mA（AC），对应绝缘电阻需＞100Ω/V或＞500Ω/V。



图5 绝缘电阻阻值要求含义（数据来源：IEC60479-1 Effects of current on humanbeings and livestock）
 
值得注意的是，当高压系统回路同时具备交直流带电部分，在对AC电路进行双重或加强绝缘后，绝缘电阻可按＞100Ω/V要求执行，此点GB/T18384.3-2015（ISO6469）、SAE J2344-2010等安全要求标准均有说明。
◆ DC电路：＞100Ω/V
◆ AC电路：＞500Ω/V
◆ DC&AC电路：＞500或者100Ω/V


 
图6 DC&AC混合电路绝缘电阻要求
 
针对燃料电池电动汽车的特殊考虑，此次在GB《电动汽车安全标准》征求意见稿中，对于交流回路增加有附加防护的情况，绝缘电阻以100Ω/V设计予以了特别说明。
有关电动汽车高压零部件电气安全相关标准包括GB/T31467-2015、GB/T18488-2015及GB/T24347-2009、GBT/20234-2015等。实际上，整车“三电”高压系统包含多个部件，为避免系统绝缘总阻抗低于100Ω/V（或500Ω/V）要求，整车绝缘强度指标设定需高于国标要求，而各系统部件的绝缘强度应高于整车一个等级。
另外，由于绝缘监测电路存在对高压系统的附加影响，需要系统评估该监测电路工作或非工作状态下对于整车绝缘性能的影响。IDM在其绝缘电阻监测宽度范围内存在误差（IDM，非精准的测量仪器），因此绝缘电阻安全阈值的设置也需适当考虑绝缘检测精度。

【IDM系统应用】
1）正确理解IDM功能
EV/HEV含有危险的电压或电流等级，在某些超出正常操作范围之外的条件或事件下，电隔离保护作用会被弱化，此时，通过IDM对电隔离的弱化或隔离损失进行探测，进而可采取措施缓解这种弱化或减少（&避免）因弱化带来的危害。
整车电气安全作为一项重要的系统工程，IDM仅作为绝缘失效警示装置，即无法阻止故障的发生。如设计时总是理想化将电池视为一个整体，但实际中，如商用车电池系统，较容易出现电池内局部短路情况，此时，IDM绝缘报警，但无法避免因电池短路引起的热失控（如火灾）。
2）全生命周期的绝缘设计
关于安全，不存在无缘由的风险。如材料在长时间使用下老化，绝缘降级，虽未体现在法规要求下，但整车厂需贯穿整个寿命周期和使用场景对各个环节进行考虑。更进一步而言，在做整车电安全验证测试时，建议在最严酷的条件下展开。

电动汽车 绝缘电阻

图7 绝缘失效分类
3）IDM整车系统布置
结合相关整车厂家及供应商的专利说明，在IDM设计过程中，主要解决如何定位故障点、如何判断绝缘故障正负极性、如何解决杂散电容对监测带来的影响、如何校核IDM是否失效问题等等。
目前国内，普遍通过集成方式（如BMS）将IDM布局于高压网络，并进一步将相关电路（如电压检测）功能复用。不论是基于成本，亦或是出于功能安全考虑，IDM作为重要的电气安全设计措施之一，独立模块布置或集成设计，均需要考虑IDM失效时的系统措施以及作为B级电压部件的安全考虑。
另外，GB/T18487.1-2015规定直流充电时，充电机需具备绝缘监测，则要求车辆IDM和充电机的绝缘监测系统需相互协调配合，分时控制，避免充电时相互影响，导致误报警。

【总结】
整车绝缘电阻不仅仅是一个动态量值，同时也是一种衡量高压系统受破坏程度的维度，配置IDM对于电气安全设计至关重要，作为整车层面不能绕开的系统关注点，需要审慎设计与选择，以期达到最优化方案。
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