淺析導致整車絕緣監(jiān)測儀報出絕緣故障的典型原因

1 引言

相比于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車的典型特征為增加了整車高壓回路：動力電池，高壓配電柜，充電回路，高壓負載。其中，高壓負載主要包括電驅動系統(tǒng)、電動空調、電動助力轉向油泵系統(tǒng)、電動空壓機系統(tǒng)、高壓轉24V的DC/DC、電暖風、電除霜等，詳見圖1所示。（注：圖1僅為整車高壓回路示意圖，回路中的接觸器、充電接口等均未體現）

圖1電動汽車高壓回路簡圖

本文主要包括四個方面：

（1） 實車案例現象及問題解析；

（2） 國標及整車廠對新能源汽車整車絕緣要求；

（3） 絕緣檢測儀基本原理；

（4） Y電容對絕緣監(jiān)測的影響；

（5） 整車各高壓零部件對Y電容的分配原則；

2 實車案例現象描述及問題解析

案例現象描述：

現象一：部分車輛在長時間停放（斷高低壓）后，初次上電時，整車報絕緣故障；但是，絕緣阻值會在幾秒內從報警值瞬間恢復到正常值。

現象二：部分車輛在長時間停放（斷高低壓）后，初次上電時，儀表顯示整車絕緣阻值在10~40kΩ，儀表報出——整車絕緣故障，無法上高壓；若此時關鑰匙開關，立刻重新上電，則儀表不再報整車絕緣故障，整車絕緣阻值恢復正常。

現象三：部分車輛上電時，整車報絕緣故障；整車絕緣阻值過低。重新上下電后，依然報整車絕緣故障。

問題排查過程：

（1） 考慮到絕緣監(jiān)測儀實時監(jiān)測整車直流母線處的絕緣阻值，因此整車絕緣故障問題排查應從高壓回路所有零部件直流側絕緣阻值測量開始。

（2） 排除法：逐個斷開高壓負載零部件后，整車上電，觀察儀表是否報絕緣故障；

（3） 絕緣電阻測量法：采用搖表或絕緣表逐個測量高壓負載零部件的高壓直流輸入側絕緣阻值；

（4） 采用排除法時，發(fā)現將某兩個零部件中的任何一個直流供電線纜從整車高壓回路斷開后，整車不再報絕緣故障；因此，將問題點定位在此兩個零部件上。

（5） 采用絕緣電阻測量法時，發(fā)現此兩個零部件的絕緣電阻測量過程存在一個共同點：采用搖表或絕緣表測此零部件絕緣阻值時，零部件絕緣阻值從小逐漸變大，最后穩(wěn)定在可接受的絕緣阻值上，且初始絕緣阻值很小。

（6） 第（5）步驟中的測量結果極其類似于電容的充電過程，因此聯系供應商分析其內部電路原理，并現場對此兩個零部件的直流輸入側高壓正對地和高壓負對地的電容值進行測量，測量結果示例見圖2。

(a)零部件1：實際單邊Y電容1.5uF （X電容的存在影響測量結果）

(b)零部件2：實際單邊Y電容1.1uF

圖2零部件Y電容實測實例

結合以上問題排查過程，為了更加透徹的分析并解決此問題，我們需了解國標及整車廠對新能源汽車整車絕緣要求（見本文第3部分）；絕緣監(jiān)測儀實時檢測整車絕緣性能的基本原理（見本文第4部分）；分析此兩個問題零部件的內部電路原理，明確問題原因（見本文第5部分）；最終，筆者提出了針對此問題，未來的工作重點及建議（見本文第6部分）。

3 國標及整車廠對新能源汽車整車絕緣要求

GB/T 18384 《電動汽車 安全要求》分為三個部分：車載可充電儲能系統(tǒng)（REESS）、操作安全和故障防護、人員觸電防護；該標準規(guī)定了電動汽車所特有的B級電壓驅動電路系統(tǒng)的車載可充電儲能系統(tǒng)（REESS）、電動汽車電力驅動系統(tǒng)和傳導連接的輔助系統(tǒng)（如果有）的安全要求，以保護車輛內外的人員安全。其中，根據電動汽車最大工作電壓U，將電氣元件或電路分為以下等級，見表1所示。

表1電動汽車電壓等級

考慮人員安全，GB 4943.1規(guī)定流過人體的交流電流不應超過5mA，因此必須對電動汽車的B級電壓電路進行防護措施，整車B級電壓電路需要滿足絕緣要求。GB/T 18384. 3-2015絕緣電阻要求通則：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應至少大于100Ω/V，交流電路應至少大于500Ω/V。例如，當前新能源客車最高工作電壓在750VDC左右時，考慮裕量等因素，其直流絕緣電阻至少應大于100kΩ。因此，客車整車廠對直流母線處絕緣電阻值的要求應至少大于100kΩ；其它車型絕緣電阻的要求亦可根據以上通則而定。

4 絕緣檢測儀基本原理

絕緣監(jiān)測儀的作用：實時監(jiān)測整車高壓直流系統(tǒng)正負母線對底盤地的絕緣阻值，并在實測絕緣阻值低于整車設置值時，發(fā)出預定的報警信號或執(zhí)行預定的保護操作，以達到保證人員和車輛安全運行的目的。

絕緣監(jiān)測儀的基本工作原理：當前，絕緣監(jiān)測儀大多采用自適應低頻電壓方波監(jiān)測法，其工作原理見圖3。由圖3可知，絕緣監(jiān)測儀內部的方波信號發(fā)生器發(fā)出低頻電壓方波信號，此方波信號通過精密監(jiān)測電阻Rm、大電阻RA、高壓正負線纜L+和L-、直流高壓系統(tǒng)和底盤之間的絕緣電阻RF，形成絕緣監(jiān)測閉合回路。檢測的Rm兩端電壓Um與絕緣電阻RF之間存在確定關系，在得到Um后可通過查表或計算求出絕緣電阻RF的阻值。

圖3絕緣監(jiān)測儀工作原理簡圖

5 Y電容對絕緣監(jiān)測的影響

Y電容簡介：Y電容和X電容同屬于安規(guī)電容，即電容器失效后，不會導致電擊，不危及人身安全的安全電容器。出于對安全和EMC性能的考慮，一般將安規(guī)電容放在電源入口處，從而達到抑制EMI傳導干擾的作用。 X電容和Y電容的定義和作用見圖4。

圖4安規(guī)電容簡介

圖5為典型電源電路輸入端的電磁兼容防護措施電路圖。圖5中，C1和C2為Y電容，C3為X電容。從Y電容的定義及圖5舉例可知，其連接的位置十分關鍵，即Y電容間接將電源與地接通；因此，必須嚴格限制Y電容的漏電流，防止引起設備漏電或機殼帶電，從而危及人身安全及生命。

圖5 典型電源電路輸入端的電磁兼容防護措施電路圖

Y電容對絕緣監(jiān)測的影響：如上文所述，Y電容的加入導致電源與底盤地之間增加了一條電氣通道，此通道的存在必然降低電源對地的絕緣性能；同時，也會影響到絕緣監(jiān)測儀對整車高壓直流處絕緣性能的判斷，參看圖6。

圖6 直流母線側加入Y電容后，絕緣監(jiān)測等效電路圖

如圖6所示，RF表示高壓系統(tǒng)與底盤地之間的等效絕緣電阻，CY表示高壓系統(tǒng)與底盤之間的等效泄漏電容，絕緣監(jiān)測儀檢測到的整車絕緣電阻等于CY的阻抗和RF并聯的結果。當CY在充電的時候，其阻抗非常小，相當于給絕緣電阻RF并聯一個小電阻，整車絕緣電阻≤CY阻抗，即整車絕緣電阻會被拉低。當CY充滿電后，其阻抗無窮大，此時根據并聯計算公式得出：整車絕緣電阻≈RF。因此，整車會出現上文所述的現象一和現象二；但是，隨著CY的增加，其等效阻值越小，則整車穩(wěn)定狀態(tài)的絕緣電阻= RF//CY阻抗（隨著CY的增加，高壓直流電源經過CY流入底盤的漏電流增加），則會導致如上文所述現象三的嚴重情況。

綜上所述，當整車高壓直流母線上增加的Y電容過大時，必然會影響整車絕緣監(jiān)測儀的判斷，出現儀表報出整車絕緣故障問題。高壓直流母線上的Y電容總容值越大，出現絕緣監(jiān)測儀誤報的情況越嚴重；因此，會出現“案例現象描述”中的三種依次嚴重的情況。

6 整車各高壓零部件對Y電容的分配原則

為徹底解決以上問題，筆者認為需要從以下兩大方面入手。

問題一：

如上文所述，增加Y電容的主要目的為：減小開關電源輸入側傳導發(fā)射量，從而滿足零部件EMC要求；但是，整車高壓直流母線上Y電容容值過大，勢必影響整車絕緣監(jiān)測對絕緣阻值的測量結果。為此，我們亟待解決的第一個問題：整車絕緣監(jiān)測儀可接受的直流母線上Y電容容值為多少？

解決方案：實驗測試及整車驗證

針對此問題，筆者建議需要整車廠與絕緣檢測儀廠家共同努力，通過實驗室實驗測試及整車驗證的方法得出較為準確的結論。首先，整車廠應根據實際情況，給出正常情況下整車絕緣阻值范圍、整車高壓工作電壓范圍等數據，為實驗驗證提供數據依據。其次，絕緣監(jiān)測儀廠家需根據整車廠提供數據，搭建實驗平臺，設定不同等級Y電容，多次測試后，分析測試結果，從而給出改絕緣監(jiān)測儀可接受的Y電容容值范圍。

問題二：

如圖1所示，整車高壓回路中可能增加Y電容的零部件主要包括：電驅動系統(tǒng)控制器、電動空調DC/AC變頻器、電動助力轉向油泵DC/AC控制器、電動空壓機DC/AC控制器、高壓轉24V的DC/DC等。那么，從整車廠角度出發(fā)，在確定整車可接受的Y電容總容值后，又如何給各個有需求的零部件分配合理的Y電容容值范圍，從而對各零部件供應商提出合理要求吶？

解決方案：

針對此問題，以筆者當前的經驗，提出以下三條建議：

（1）調查所有接入直流母線的零部件當前實際Y電容的大小，作為數據統(tǒng)計及后續(xù)實車問題排查的依據；并從中尋找規(guī)律作為制定分配原則的依據。

（2）GB/T 18384.3-2015中規(guī)定：任何帶電的B級電壓帶電部件和電平臺之間的總電容在其最大工作電壓時所存儲的能量應小于0.2J。筆者認為此條規(guī)定可最為限定Y電容大小的邊界條件之一。

圖7 GJB 151B-2013對海軍軍品濾波電容的要求

（3）圖7為GJB 151B-2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》關于濾波的要求。從此圖可知，我國對海軍軍用潛艇和飛機上直流電源供電的設備，明確規(guī)定在其用戶接口處，各極性電源線對地的電容量應不超過所連接負載的0.075uF/kW；為此，考慮到軍工產品對技術的把控更加嚴格，對成本的把控要求略低的情況，筆者認為汽車零部件對Y電容的限制可參考0.075uF/kW的要求，并進行適當的放寬。