插电式混合动力客车充电时高压绝缘故障分析与排除

罗丙荷，张福成，姜传云

插电式混合动力客车充电时高压绝缘故障分析与排除

罗丙荷，张福成，姜传云

（中国恒天·江西凯马百路佳客车有限公司，南昌330013）

描述一插电式混合动力客车充电时报高压绝缘故障的问题解析思路。通过现场测量直流母线绝缘电阻值，采集CAN总线数据，分析相关软硬件逻辑等手段，列出各种可能的故障原因，按照先易后难的原则，最终确定真正的故障原因并予以排除。

插电式混合动力客车；充电；绝缘故障；电池管理系统；CAN总线

随着新能源车辆数量的不断增加，新能源车辆的充电问题日益凸显，充电过程中遇到的问题也越来越多，原因也越来越复杂。本文通过百路佳一款插电式气电混合动力客车在充电过程中出现高压绝缘故障导致充电中断的问题，详细分析故障的原因及故障排除方法［1］。

1　充电总体流程及绝缘检测原理

百路佳自主研发的一款插电式混合动力客车，根据GB/T 27930-2011《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》的相关规定［2］，设计整车充电通讯协议，其充电总体流程见图1。

此款插电式混合动力客车的电池管理系统（以下简称BMS）绝缘状态检测原理参照GB/T 18384.1-18384.3-2001《电动汽车安全要求》［3］，采用类电桥平衡法进行测量，其测量原理如图2所示。

图2中，Rp、Rn分别是动力电池的正负母线对混合动力底盘大梁的等效绝缘电阻；Rp1、Rp2、Rps、Rn1、Rn2、Rns是电池管理系统设计的绝缘检测电路，其中Rps、Rns是采样电阻［4］。

其绝缘检测原理如下：

1）当整车绝缘性能良好时，即绝缘等效电阻Rp、Rn很大，电池通过Rp1、Rp2、Rps、Rn1、Rn2、Rns构成回路，且采样电阻Rps、Rns分得的电压Up和Un的比值是恒定的：Up/Un=Rps/Rns。

2）当绝缘电阻Rp、Rn只有一个很大，另一个却很小，即发生不对称绝缘故障时，在采样电阻Rps、Rns分得的电压Up和Un的比值已经失去了Rps/Rns的关系，不对称绝缘越严重，采样电阻分得的电压比例关系越偏离Rps/Rns。

2　故障分析及排除

2.1故障现象

该车在充电站正常充电过程中多次出现自动中断的现象，且发生充电中断的时长也不同。

现场统计该车充电中断时间和中断次数，数据如表1所示。其中Soc为充电中断时电池剩余容量；t为充电中断前已充电时间。

表1　充电中断前已充电时间和剩余容量

2.2现场CAN数据采集及解析

通过软件现场采集充电过程中CAN总线数据，截取的部分数据见表2［5］。

表2　现场充电CAN数据

根据文献［2］的规定，充电阶段报文分类如表3所示。

表3　充电阶段报文分类

通过充电阶段报文分类，查询BMS终止充电报文（PGN6400）的定义如下［6］：BMS终止充电故障原因的SPN 为3512，其中第1-2位：绝缘故障，＜00＞=正常，＜01＞=故障，＜10＞=不可信状态；第3-4位：输出连接器过温故障，＜00＞=正常，＜01＞=故障，＜10＞=不可信状态。

通过现场采集的数据以及报文定义得到：PGN6400报文中SPN3512的第1-2位值为01，代表BMS报绝缘故障。

2.3绝缘故障分析及处理

通过解析CAN数据，可以确认充电中断的原因是BMS报绝缘故障导致，从以下几方面分析故障原因：

1）整车高压系统或者充电插枪确实存在绝缘问题。

2）充电状态下整车漏电流较大，导致直流母线对地阻值过小，低于BMS报警值。

3）整车无绝缘故障问题，仅仅是BMS绝缘检测电路受干扰或电路有误，导致误报。

对于以上几种可能导致的故障，逐一进行分析排查。

2.3.1测量高压系统绝缘电阻值

拔掉充电插枪，根据文献［3］的要求切断整车低压系统，即断开动力电池和蓄电池的连接状态，使用绝缘电阻测量表测量高压系统直流母线正极端、负极端分别对地的绝缘电阻值，数据如表4所示。

从数据可以确定，整车高压系统绝缘电阻值均大于550MΩ，此混合动力客车的动力电池标称电压为356 V，故单位电压的绝缘阻值大于1.5 MΩ/V，满足文献［3］中规定的单位电压的绝缘电阻值大于100 Ω/V的要求。同时，测量充电桩插枪口的直流母线正负对地的绝缘阻值均大于220 MΩ，故整车高压系统和充电桩不存在绝缘问题。因而排除第一种可能。

2.3.2测量高压系统漏电流

关闭钥匙至OFF档，保持机械式电源总开关处于闭合状态。现场使用漏电流检测表测量充电状态下的交流漏电流值，测量数据如表5所示。

表5　充电状态下整车漏电流值

文献［3］中规定对地绝缘电阻值大于100 Ω/V，即等效漏电流值小于1/100=10 mA；而表5的实际测量数据均≤10 mA。因此，可以判断该车漏电流不会对绝缘检测造成干扰。

2.3.3检查绝缘检测电路

对于BMS误报绝缘，从两个方面排查：第一，测量充电插枪辅助24 V电源的纹波情况；第二，监测BMS内部绝缘检测模块硬件及软件处理情况。

首先，使用示波器测量充电机内的辅助24 V电源的纹波大小。实际测量结果：辅助24 V电源的纹波峰值为1.95 V，有可能会对BMS检测电路造成干扰。为验证是否是此干扰导致BMS误报绝缘，断开辅助24 V，使用铅酸蓄电瓶作为BMS充电唤醒电源。现场测试发现，依旧会发生多次充电中断，分析CAN总线数据，中断原因还是BMS报绝缘故障。因此，可以排除辅助24 V电源纹波过大导致充电中断的可能。

由此，目前阶段最大的可能原因就是BMS内部硬件或者软件解析错误。首先分析BMS内部绝缘检测机制及数据处理流程［7］，如图3所示。

图3中：INTER-CAN为电池控制系统各模组间的通讯网络；BMU为电池管理系统从控单元；BCU为电池控制系统主控单元，承担数据处理及与HCU（混合动力控制单元）通讯；HMU为电池系统高压测量单元，主要测量电池组总电压、电流及绝缘，并将相应的数据发送到INTER-CAN；HCAN为混合动力控制部件通讯网络。

通过连接BMS高压控制单元，监测充电过程中BMS绝缘检测模块AD采样值是否会抖动。通过监控的数据发现，BMS测量的AD值非常稳定，未因充电而导致受到干扰等异常。因此，排除了BMS采样电路受干扰，导致误报的可能。

由于整车高压系统绝缘阻抗均处于正常状态，且绝缘采样电路也未出现异常，因此，对软件程序控制进行排查。在实验室对软件进行仿真测试发现，在整个测试过程中BMS的HMU未报绝缘异常的情况下，BCU相应的绝缘故障标识存在被置有效的异常情况。

由仿真数据发现BMS解包后的数据与CAN总线实际发送的数据已经不一致。因此，针对数据解包过程来分析数据被改写的可能原因：

1）在BMU处理BMS内网数据的流程可以看出，BMS的CAN接收，采用消息缓冲区的方式来缓存CAN总线上发过来的数据，同时BMS软件处理CAN总线接收的数据源也来自此缓冲区。

2）BMS的CAN接收数据缓冲区的大小是16个CAN消息，BMS完成一个消息的时间是50 us［8］。

3）CAN消息的接收采用中断的方式接收数据，CAN的处理在main函数主循环调用CAN消息数据处理函数［9］。软件架构采用前后台处理机制，因此，存在CAN消息缓冲区同时读、同时写的情况，造成数据处理不一致。

通过优化程序给CAN接收缓冲区增加消息锁（Lock），解决数据共享问题。即对任意一个消息区操作时，无论是读，还是写操作，先判断该消息区是否上锁。如果已上锁，则不对此缓冲区操作；如果未上锁，则先主动对该缓冲区上锁，然后再对该缓冲区进行读或写操作。操作完成以后，再对该缓冲区解锁。

优化处理后，经过现场反复验证，均未再出现数据改写现象，误报绝缘问题消失。

3　结束语

本文较好地通过实际案例详细分析了插电式混合动力充电时报高压绝缘故障的原因，并详细地说明了如何通过优化BMS程序的方法来解决此类问题。随着新能源车辆的不断普及，对于分析此类问题的要求越来越高，需要始终坚持以科学、严谨的态度来分析问题。

［1］节能与新能源汽车网.关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知［EB/OL］.（2015-04-29）［2015-06-06］.

http：//www.chinaev.org/DisplayView/Normal/News/De tail.aspx？id=20560

［2］GB/T27930-2011，电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［3］GB/T 18384.1～18384.3-2001，电动汽车安全要求［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［4］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.2版.北京：高等教育出版社，2000.3.

［5］SAE，J1939/71 Vehicle Application Layer，1996.5.

［6］广州周立功单片机发展有限公司.CANlite、CANmini并口CAN接口卡用户手册［K］.2003.

［7］Bosch，CANspecification，V2.0［K］.Robert Bosch GmbH，1991.

［8］朱正礼，任少云，殷承良，等.CAN总线系统在电动轿车上的应用［J］.汽车工程，2003，（4）：380-383.

［9］谭浩强.C程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2000.

修改稿日期：2015-06-16

Trouble Analysis and Clearing of High Voltage Insulation Fault During Charging for Plug-in Hybrid Bus

LuoBinghe，ZhangFucheng，JiangChuanyun
（CHTC·BONLUCKBUSCo.，Ltd，Nanchang 330013，China）

The authors introduce the trouble shooting ideas of high voltage insulation fault during charging for a plug-in hybrid bus.By measuring the insulation resistance value between high voltage DC bus and ground，collectingthe CANbus data，analyzingthe logic ofrelated software and hardware，and listingdifferent possible causes，they finallyfind out the real trouble cause and clear it.

plug-in hybrid electric bus；charging；insulation fault；BMS；CANbus

U469.7；U463.6

B

1006-3331（2015）06-0044-03

罗丙荷（1981-），男，助理工程师；电气设计部经理；研究方向：新能源客车电气系统。