混合動力汽車高壓漏電的檢測與分析

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

混合動力汽車集機械裝置、動力電池、高壓配電傳輸、變頻器、驅動電機/發電機、電力空調系統等為一體，是一個復雜的機電一體化移動綜合體。由于混合動力汽車所用的動力電池模塊由多個電池組串聯而成，其電壓一般在直流200V以上，所以電池組與車體之間的絕緣性能就成了重點考慮的問題。其次，混合動力汽車在運行過程中，由于工作環境比較復雜和惡劣，振動、酸堿氣體的腐蝕、溫度及濕度的變化影響，操作不當的外力損傷都有可能造成高壓電氣絕緣層迅速老化甚至破損，使設備絕緣性能大大降低，危及人身安全。當車輛高壓電路和底盤之間出現多點絕緣性能下降時，還會產生熱量積聚效應，嚴重時會引起電氣火災。因此，如何準確監測絕緣電阻顯得尤為重要。本文基于豐田普銳斯混合動力高壓系統，介紹分析豐田汽車應用低頻脈沖信號注入法實時檢測高壓絕緣電阻的專利技術。

二、混合動力汽車高壓絕緣標準

在混合動力汽車的高壓電氣系統中，整個高壓系統是與底盤絕緣、封閉的。高壓系統的HV蓄電池控制ECU漏電檢測控制器分別利用電源的正極引線電纜和負極引線電纜對底盤的絕緣電阻進行監控，來反映高壓電氣系統的絕緣性能。根據國標《GBT18384.3-2015，電動汽車安全要求第三部分:人員觸電防護》明確定義混合動力汽車的電壓電路屬于B級電壓電路，其“最大工作電壓大于30Va.c(rms)且小于或等于1 000Va.c(rms)，或大于60V直流(d.c)且小于或等于1 500V直流(d.c)的電力組件或電路”。對絕緣電阻要求也有規定，“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。整個電路為滿足以上要求，依據電路的結構和組件的數量，每個組件應有更高的絕緣電阻值”。因此，采用先進的絕緣電阻檢測技術對于混合動力汽車的高壓系統安全而言意義重大。

混合動力汽車控制系統監控高壓電路和車輛底盤之間的絕緣電阻。高壓電路應始終通過特定電阻量與車輛底盤絕緣，以避免潛在構成危險的電流通道。內置于HV蓄電池控制ECU的“漏電檢測電路”持續檢測高壓電路和車身搭鐵之間的絕緣電阻保持不變。如果絕緣電阻降至低于規定級別，則存儲一個DTC(高壓絕緣異常)，且利用組合儀表顯示和HV系統主警告燈亮起，將異常信息告知駕駛員，并且自動斷開高壓電路繼電器。

三、豐田混合動力(THS-Ⅱ)高壓電氣控制系統分析

THS-Ⅱ控制系統結構(圖1)。它可分為直流高壓系統、低壓電氣系統、交流高壓電氣系統。其中，HV蓄電池是混合動力的高壓電源，為了滿足電力驅動的能量和功率要求，HV蓄電池標稱電壓為201.6V。變頻器一端連接直流電源母線，將直流電壓轉變為交流電壓，另一端連接永磁交流電機MG1和MG2。增壓轉換器將HV蓄電池201.6V提高到500V，適合電機各個轉速運行，從而優化系統損耗。DC/DC變換器將直流電源轉化為適合直流設備使用的電源，輸出端連接到諸如動力轉向機構、制動機構等直流用電設備。另外，DC/DC變換器還可以為低壓備用蓄電池充電，為車載控制器、儀表盤、燈光和雨刷等低壓系統設備提供電源。THS-Ⅱ系統的控制功能如表1。

圖1 THS-Ⅱ控制系統結構

表1 THS-Ⅱ系統的控制功能

綜上所述，混合動力系統結構復雜，存在漏電的情況較多，根據短板效應，當車輛某處絕緣電阻性能下降或者降至臨界點時，整車的絕緣性能與絕緣良好處無關，只由該處的絕緣特性描述。這種描述方法既符合漏電監控的原則，也最大程度上保障了乘客的電擊安全防護。

四、混合動力汽車高壓漏電檢測原理

與傳統的混合動力汽車絕緣檢測模型不同，目前大多數混合動力汽車都采用低頻脈沖信號注入法實時檢測絕緣電阻模型的高壓漏電診斷技術。此方法最大特點在于，測量時不受直流電源的影響，運行或停止時都能進行測量，并且因為絕緣電阻計算完全依賴于系統內唯一點的共模電位點采樣值，這樣整個系統的結構相對簡單，絕緣電阻檢測硬件的體積也相對縮小，在實際應用中有著良好的可操作性。圖2所示為為豐田混合動力THS-Ⅱ系統采用的RC低頻脈沖信號注入法的檢測車輛絕緣電阻的原理圖。

圖2 THS-Ⅱ系統檢測絕緣電阻原理圖

圖2中虛線框內即為混合動力系統高壓電路整體模型。r1、r3(22，24)是HV蓄電池正極與車輛底盤之間的絕緣電阻，r2、r4(23，25)是HV蓄電池負極與車輛底盤之間的絕緣電阻，HV蓄電池(12)為混合動力汽車的高壓直流電源。虛線框下面為絕緣電阻檢測系統的主體電路，絕緣電阻檢測系統(50)由檢測電路和信號處理電路組成。檢測電路包括與共模電位參考點(30)串聯的耦合電容器(52)、檢測電阻(54)和脈沖振蕩發生器(56)，信號處理電路包括采樣信號Vx濾波器(58)、放大器(60)以及波峰值檢測電路(62)和控制器(70)。控制器(70)具有響應于經處理的疊加交流頻率信號波峰值(Vx)的輸出，與共模電位參考點Vx′(30)的電壓作比較，計算相對應的絕緣電阻值。控制器(70)配置包括絕緣電阻降檢測模塊(72)，用于產生脈沖振蕩信號，并基于波峰值檢測電路(62)檢測到的值判斷絕緣電阻是否下降。共模電壓變化請求模塊(74)用于絕緣電阻對HVCPU(40)的共模電位變化進行平衡，以便能夠精確檢測絕緣電阻值。絕緣電阻檢測故障確定模塊(76)，根據通過來自共模電位改變前后的輸出比較，以確定絕緣電阻檢測部分或類似部件是否存在故障。

這里Vp是脈沖振蕩器(56)產生的5V方波信號，信號的地與車輛底盤共地。圖中Vx表示采樣點的共模電位(電壓)。由模擬電子電路知識可知，如果在電路中注入脈沖信號，電路中內阻很小的直流電流源可視為短路，內阻很大的電流源可視為開路。通常來說，HV蓄電池的內阻為mΩ級別，當電壓上升后，HV蓄電池的內阻依然很小，依據此原則，當脈沖振蕩器(56)發出脈沖信號后，可以認為直流電壓源短路，如圖3所示為簡化電路。

圖3 簡化電路

由于直流電壓源可視為短路，正極絕緣電阻r1、r3與負極絕緣電阻r2、r4形成一個總并聯電阻為R，即等效于絕緣電阻。根據電路串并聯等效原則可知，R＜min(r1、r3，r2、r4)，如果能在電路中保證R電阻值符合規定絕緣電阻標準，那么就能確保乘駕人員的人生安全。

在檢測過程中，檢測電阻Rd和絕緣電阻R形成串聯電路，當檢測電路中施加脈電壓號后，采樣電壓Vx就是電路中的分壓。

圖4 采樣電壓Vx與絕緣電阻R的關系

公式中：Vx—采樣電壓；Vp—脈沖振蕩信號電壓；R—絕緣電阻值；Rd—檢測電阻值；Cc—隔離電容器值；f—脈沖振蕩信號頻率。由此得到采樣電壓Vx與絕緣電阻R的關系如圖4所示。

由此可知，絕緣電阻越大，采樣電壓Vx越大，反之，絕緣電阻減小，采樣電壓Vx變小。豐田混合動力THS-Ⅱ系統將Vx值經處理后轉換為HV控制ECU的數據“ShortWaveHighestVal”，該值在0和5V之間來表示絕緣電阻大小。可通過智能檢測儀的ECU數據流查看。圖5所示為“ShortWaveHighestVal”的特性圖。車輛剛開始上電時“ShortWaveHighestVal”會降至約1.5V，應該將車輛置于READY-ON狀態一段時間后，再進行漏電檢測電路工作情況的檢查，“ShortWaveHighestVal”在驅動控制系統升壓時可能降至約0V，由共模電壓變化請求模塊(74)控制，所以應在未進行升壓時作出絕緣電阻減小的故障判斷。

圖5 ShortWaveHighestVal”的特性圖

五、故障實例診斷

1.故障現象

2006年生產的車型為NHW20L-AHEEBC豐田普銳斯混合動力汽車，搭載THS-Ⅱ系統，車輛已行駛450 000km。客戶反映車輛停車以后，重新啟動時發現車輛無法啟動，掛檔無效，儀表盤上的主警告燈、發動機警告燈、充電指示燈一直點亮，多功能信息顯示屏上提示“發生異常”。

2.故障確認

智能診斷儀IT-Ⅱ讀取故障碼(DTC)為“P0AA6，混合型電池電壓系統隔離故障”，信息代碼INF為“526，高壓電源短路”根據維修手冊提示“P0AA6“DTC檢測條件：“高壓電路與車身間的絕緣電阻減小”。故障可能發生部位：“車架線、系統主繼電器、系統主電阻器、HV蓄電池、帶電機的壓縮機總成、蓄電池ECU、HV變速驅動橋總成、帶轉換器的變頻器總成、HV蓄電池主電纜、HV蓄電池2號主電纜、維修塞連接線端子、2號車架線、接線盒總成”。由于維修手冊提示故障部位范圍較廣，難以診斷操作。因此，利用IT-Ⅱ選擇菜單Powertrain/HybridControl/DTC中讀取DTC定格數據。每個DTC定格數據都包含了信息代碼和詳細信息。其中信息代碼(DetailCode)劃分了故障區域范圍，詳細信息(DetailInformation)記錄了與故障有關的參考數據，如發動機轉速、MG1、MG2轉速、扭矩、溫度，變頻器溫度，升壓轉換器電壓、溫度，充電狀態(SOC)等，故障發生順序欄中的數據(OccurrenceOrder)，規定了從順序數字最小的DTC開始檢查的原則。“P0AA6”故障碼定格數據(圖6)。

圖6 “P0AA6”故障碼定格數據

在定格數據中，故障信息代碼“526”所指定的故障區域“612”，即絕緣電阻減小的區域是HV蓄電池區域(圖7)。

圖7 HV蓄電池電壓系統絕緣電阻故障部位區域

圖8 故障車“ShortWaveHighestVal”動態數據流

為了驗證故障，保存DTC和定格數據。清除DTC。試著啟動車輛，車輛能夠啟動。車輛路試數據流中，偶爾發現HV控制ECU的數據“ShortWaveHighestVal”減小(如圖8)，說明在HV蓄電池區域內確有絕緣電阻下降的偶發故障。

3.故障檢查

進行下列操作前戴上絕緣手套：

①關閉電源開關；

②準備拆卸維修塞時，維修塞拔不出，硬拔出維修塞，發現維修塞底座變形；

③用兆歐表(量程500V)測量維修塞上兩根HV蓄電池連接電纜與車身之間電阻，在拉動電纜瞬間，兆歐表測量的電阻值瞬間下降到1MΩ上下變化(標準＞10MΩ)，說明車輛絕緣性能確有存在異常；

④拆開這兩根電纜，發現電纜的絕緣膠皮已經被蓄電池底部安裝螺釘磨了破損(圖9)。

根據客戶后來反映，該車HV蓄電池曾經虧電過，在其他修理廠拆卸過蓄電池。原因可能是沒有正確安裝好HV蓄電池和維修塞以及連接電纜，致使電纜絕緣膠皮被磨破，車輛行駛中受到振動，導致磨破處導線與螺釘接觸，與車身之間發生短路。

4.故障修理

更換維修塞電纜，正確安裝維修塞。試車檢查HV控制ECU的數據“ShortWaveHighestVal”在非增壓階段一直保持在4.99V，確認故障排除。

圖9 故障車HV蓄電池維修塞電纜破損示意圖

六、結論

以上故障實例是豐田混合動力系統采用在耦合電容器和檢測電阻之間的連接處，對注入的低頻脈沖信號施加濾波器，使其在預定的頻率范圍內通過交流信號的變化得到的測量結果，確定絕緣電阻降低的故障，保證了絕緣檢測的精度和可靠性，是一種較為理想的絕緣電阻檢測方案，廣泛適合于應用到混合動力汽車的高壓電源安全性能在線檢測系統中，同時為診斷混合動力系統高壓漏電故障提供精確的數據參考。