新能源汽车高压绝缘故障解析

一

高压系统的总体结构

纯电动汽车高压系统在整车中主要完成电能供给和安全管理。将动力电池的高压电通过高压配电箱分给高压用电设备和动力电池的充电管理。从整体上可看成三个部分：电源部分、驱动部分和电动设备。

电源部分，主要由维修开关、直流转换器、车载充电机、充电接口、高压配电箱、动力电池及管理系统等组成；驱动部分，主要由电机控制器和电机本体共同组成；电动设备部分，主要由转向助力系统、制动系统、电动压缩机和电加热器PTC等组成（见图1）。

图1 纯电动汽车高压系统框图

二

高压绝缘管理策略

电动汽车在运行过程中，由于碰撞、冲击、腐蚀、磨损、老化等外界因素的影响，使高压电路与车身之间的绝缘阻值成为一个动态变化的物理量，为此对高压电绝缘状态的在线动态监测是安全监测的关键。

高压系统控制器实时监测高压系统的绝缘电阻，在出现绝缘故障时，由故障诊断程序判定后，通过CAN总线上传控制器，并发出报警、降功率运行或切断高电压路。一旦发生绝缘失效下电，只有在确认排除绝缘故障且符合国家标准对绝缘性要求（直流100Ω/V，交流500Ω/V）后，才会允许下次上电，闭合主继电器，高压上电后，BMS会实时进行绝缘检测；当发现绝缘值低于要求时，控制主继电器再次下电。

三

高压绝缘检测原理

高压系统绝缘性能检测，根据车辆所处不同状态，需要进行静态检测和动态监测。静态检测是指车辆在READY但未行驶状态进行高压系统绝缘性能检测，动态监测是指车辆在行驶状态或驱动电机参与工作状态下进行高压系统绝缘性能检测。

静态检测：根据电动汽车国标推荐的电动汽车绝缘电阻计算方法，采用电桥测量法对绝缘电阻进行检测，高压系统绝缘电阻的等效电路（见图2）。UDC为直流母线的电压，E为地（车体），R3和R4分别为母线正极和负极对地（车身）的绝缘电阻，R1、 R2为偏置电阻，K1、 K2为开关。通过测量直流母线正负极对地电压在偏置电阻切换前后的电压值U3和U4，并计算得到绝缘电阻R3和R4，以此特征量与故障阈值相比较来判断直流母线对地的绝缘状态。

图2 高压绝缘电阻等效电路

动态监测：而此时直流侧和交流侧绝缘电阻与静态时有所不同，电机侧绝缘电阻的状态与电机控制器中IGBT的通断有关，根据电机控制器的矢量控制方式，IGBT不同开关状态下绝缘电阻不同，在零矢量状态下三相电缆的绝缘电阻可以等效成一个电机侧对地的绝缘电阻RAC（见图3）。同理，通过测量直流母线正负极对地电压在偏置电阻切换前后的电压值U3和U4，并计算得到绝缘电阻R3、 R4和RAC，以此特征量与故障阀值相比较来判断直流母线对地的绝缘状态。

图3 高压绝缘电阻等效电路（动态）

四

高压绝缘保护措施

高压电系统回路出现短路、漏电等绝缘故障，都为电动汽车的高压用电安全构成了潜在的威胁，因此高压安全管理的目的在于解决纯电动汽车高压电安全问题。首先是确保电动汽车在静止、运行及充电等过程的用电安全；其次是实时监测高压系统，当汽车发生绝缘电阻值低于规定值时，高压管理系统应及时切断所有的高压回路并发出声光报警，待故障消失后，才能允许进行下一次上电，故而高压系统必须有绝缘防护和绝缘监测。

（一）物理保护措施

    1．高压警示：对B级电压的所有组件设置高压警告标志（黄底黑边中间带黑色箭头的三角形标识），并具相应的防护等级。当人员接近时，应清晰可见，避免误接触。

    2．橙色保护电缆：高电压系统采用由双层绝缘耐磨材料制成的橙色警示电缆并用橙色波纹管防护，特殊部位还会采用额外的导槽保护，有效绝缘且防止电磁辐射。

    3．分断装置：维修保养时，断开维修开关或锁闭分断锁，以切断高电压。

    4．高压部件封装：外壳采用具有一定刚度和强度的材料制成，可保证一般情况下触碰、撞击或挤压时，不出现失效，高压部件可达到IP67防护，可有效保护高压部件的安全和人员的安全。

（二）电气保护措施

    1．电气隔离：电动汽车电气系统包括低压电气系统和高压电气系统，高低压系统分别采用正负极独立回路，实现高压系统与车身和低电压隔离（见图4）。

图4 电气隔离原理图

    2．电位均衡：高压系统多采用IT网，为实现电气设备的外露可导电部分之间电位差最小化，将高电压部件外壳连接为同等电位并接地，以保持电位均衡（见图5）。

图5 电位均衡原理图

    3．绝缘监测：对高电压电缆和高压部件进行绝缘监测，报警、限功率或切断高电压（见图6）。

图6 车辆仪表

五

故障检测与故障处理

出现绝缘故障时控制系统会根据故障等级及时采取限制输出功率、禁止充放电等相关保护并报警提醒。分析故障原因时要考虑故障出现的状态：充电状态、正常状态、淋雨涉水、碰撞事故等，诊断按照以下步骤进行。

    ①首先通过解码仪或上位机读取控制系统储存的故障代码（出现这类故障，一定有故障记录，组合仪表也明确显示有故障）。

    ②关闭点火开关，依次断开MSD开关并等待3min。

    ③结合故障现象和故障代码，分析可能的故障原因。

    ④根据故障原因可能性的大小和检测的方便性进行相关系统、线束的检测。

    ⑤用绝缘电阻测试仪分别测量线束侧插头的正、负极对车身的绝缘电阻，如果绝缘电阻值低于维修手册提供的标准值，说明被测试的部分有绝缘故障，反之则没有绝缘故障。

    ⑥依此方法对其他高压线束进行检测。

    ⑦如果线束检测没有绝缘故障，则考虑零部件故障。

据此步骤，基本能确认发生绝缘故障的原因和故障点。此方法是将故障类型进行了分类，先排除线路故障，后排除部件故障。实践中亦可将高压回路分段进行排查，缩小排查范围，能有效提高排查速度并准确定位故障点。需要特别说明的是，在进行绝缘电阻检查时，一定要参考维修手册，不同车型、不同部位的绝缘要求都不一定相同（见表1），检测时所用的检测电压也不同，对绝缘性能要求较低的部件检测时，如果测试电压采用了大于其最高电压，就可能造成人为破坏。

表1 某车型绝缘阻值参考表

典型故障分析和拓展

1．故障现象

   一辆EV 150，点火开关置于ON挡，仪表显示整车系统故障、动力电池故障、绝缘低故障灯亮。

2．诊断思路

    可能原因：高压电路绝缘故障、动力电池内部绝缘故障、电机绝缘故障、空调压缩机绝缘故障IPTC绝缘故障。

3. 故障诊断与排除

    连接故障解码仪读取故障码和数据流，有高压电路绝缘故障。将车辆下电，断开低压蓄电池负极再拔下动力电池端高压线束，用绝缘表检测动力电池输出端的绝缘情况，结果显示绝缘电阻正常，可以断定是动力电池以外部分的绝缘故障；依次检测高压控制器及高压线束、空调压缩机及高压线束、PTC高压线束、DC/DC及高压线束、充电机及高压线束、驱动电机控制器及高压线束。结果检测驱动电机高压线束到电机部分显示绝缘为0Ω，拆下电机端连接线再次测量电机高压线束绝缘电阻为0Ω，测量电机接线端绝缘电阻正常。确定电机高压线束绝缘故障，更换电机高压线束，故障排除。

4．故障机理分析

    电动汽车绝缘的问题主要可以分为：内部故障和外部故障。内部故障主要是动力电池和高压用电部件绝缘防护失效，如动力一电池的电解液泄漏、外部液体进入、绝缘层被破坏之后，电池模组和单体出现了导电的回路，模组内部由于振动、冲击导致磨损、错位，可能出现绝缘纸、隔膜失效的情况，就会出现绝缘问题。BMS和BDU这两个部件由于高压的直接接入，如果出现隔离失效，也会产生类似软短路的情况。外部故障主要是高压连接器和高压电缆绝缘防护失效。

      由此可见，只要报绝缘故障，基本是动力电池内部高压部分或整车各高压控制器、高压线束或各高压电器的绝缘值过低，只能分段检测各部件和高压线束的绝缘情况。