混合动力汽车高压漏电的检测与分析

◆文/江苏 高惠民

一、概述

混合动力汽车集机械装置、动力电池、高压配电传输、变频器、驱动电机/发电机、电力空调系统等为一体，是一个复杂的机电一体化移动综合体。由于混合动力汽车所用的动力电池模块由多个电池组串联而成，其电压一般在直流200V以上，所以电池组与车体之间的绝缘性能就成了重点考虑的问题。其次，混合动力汽车在运行过程中，由于工作环境比较复杂和恶劣，振动、酸碱气体的腐蚀、温度及湿度的变化影响，操作不当的外力损伤都有可能造成高压电气绝缘层迅速老化甚至破损，使设备绝缘性能大大降低，危及人身安全。当车辆高压电路和底盘之间出现多点绝缘性能下降时，还会产生热量积聚效应，严重时会引起电气火灾。因此，如何准确监测绝缘电阻显得尤为重要。本文基于丰田普锐斯混合动力高压系统，介绍分析丰田汽车应用低频脉冲信号注入法实时检测高压绝缘电阻的专利技术。

二、混合动力汽车高压绝缘标准

在混合动力汽车的高压电气系统中，整个高压系统是与底盘绝缘、封闭的。高压系统的HV蓄电池控制ECU漏电检测控制器分别利用电源的正极引线电缆和负极引线电缆对底盘的绝缘电阻进行监控，来反映高压电气系统的绝缘性能。根据国标《GBT18384.3-2015，电动汽车安全要求第三部分:人员触电防护》明确定义混合动力汽车的电压电路属于B级电压电路，其“最大工作电压大于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)的电力组件或电路”。对绝缘电阻要求也有规定，“在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值应至少大于100Ω/V，交流电路应至少大于500Ω/V。整个电路为满足以上要求，依据电路的结构和组件的数量，每个组件应有更高的绝缘电阻值”。因此，采用先进的绝缘电阻检测技术对于混合动力汽车的高压系统安全而言意义重大。

混合动力汽车控制系统监控高压电路和车辆底盘之间的绝缘电阻。高压电路应始终通过特定电阻量与车辆底盘绝缘，以避免潜在构成危险的电流通道。内置于HV蓄电池控制ECU的“漏电检测电路”持续检测高压电路和车身搭铁之间的绝缘电阻保持不变。如果绝缘电阻降至低于规定级别，则存储一个DTC(高压绝缘异常)，且利用组合仪表显示和HV系统主警告灯亮起，将异常信息告知驾驶员，并且自动断开高压电路继电器。

三、丰田混合动力(THS-Ⅱ)高压电气控制系统分析

THS-Ⅱ控制系统结构(图1)。它可分为直流高压系统、低压电气系统、交流高压电气系统。其中，HV蓄电池是混合动力的高压电源，为了满足电力驱动的能量和功率要求，HV蓄电池标称电压为201.6V。变频器一端连接直流电源母线，将直流电压转变为交流电压，另一端连接永磁交流电机MG1和MG2。增压转换器将HV蓄电池201.6V提高到500V，适合电机各个转速运行，从而优化系统损耗。DC/DC变换器将直流电源转化为适合直流设备使用的电源，输出端连接到诸如动力转向机构、制动机构等直流用电设备。另外，DC/DC变换器还可以为低压备用蓄电池充电，为车载控制器、仪表盘、灯光和雨刷等低压系统设备提供电源。THS-Ⅱ系统的控制功能如表1。

图1 THS-Ⅱ控制系统结构

表1 THS-Ⅱ系统的控制功能

综上所述，混合动力系统结构复杂，存在漏电的情况较多，根据短板效应，当车辆某处绝缘电阻性能下降或者降至临界点时，整车的绝缘性能与绝缘良好处无关，只由该处的绝缘特性描述。这种描述方法既符合漏电监控的原则，也最大程度上保障了乘客的电击安全防护。

四、混合动力汽车高压漏电检测原理

与传统的混合动力汽车绝缘检测模型不同，目前大多数混合动力汽车都采用低频脉冲信号注入法实时检测绝缘电阻模型的高压漏电诊断技术。此方法最大特点在于，测量时不受直流电源的影响，运行或停止时都能进行测量，并且因为绝缘电阻计算完全依赖于系统内唯一点的共模电位点采样值，这样整个系统的结构相对简单，绝缘电阻检测硬件的体积也相对缩小，在实际应用中有着良好的可操作性。图2所示为为丰田混合动力THS-Ⅱ系统采用的RC低频脉冲信号注入法的检测车辆绝缘电阻的原理图。

图2 THS-Ⅱ系统检测绝缘电阻原理图

图2中虚线框内即为混合动力系统高压电路整体模型。r1、r3(22，24)是HV蓄电池正极与车辆底盘之间的绝缘电阻，r2、r4(23，25)是HV蓄电池负极与车辆底盘之间的绝缘电阻，HV蓄电池(12)为混合动力汽车的高压直流电源。虚线框下面为绝缘电阻检测系统的主体电路，绝缘电阻检测系统(50)由检测电路和信号处理电路组成。检测电路包括与共模电位参考点(30)串联的耦合电容器(52)、检测电阻(54)和脉冲振荡发生器(56)，信号处理电路包括采样信号Vx滤波器(58)、放大器(60)以及波峰值检测电路(62)和控制器(70)。控制器(70)具有响应于经处理的叠加交流频率信号波峰值(Vx)的输出，与共模电位参考点Vx′(30)的电压作比较，计算相对应的绝缘电阻值。控制器(70)配置包括绝缘电阻降检测模块(72)，用于产生脉冲振荡信号，并基于波峰值检测电路(62)检测到的值判断绝缘电阻是否下降。共模电压变化请求模块(74)用于绝缘电阻对HVCPU(40)的共模电位变化进行平衡，以便能够精确检测绝缘电阻值。绝缘电阻检测故障确定模块(76)，根据通过来自共模电位改变前后的输出比较，以确定绝缘电阻检测部分或类似部件是否存在故障。

这里Vp是脉冲振荡器(56)产生的5V方波信号，信号的地与车辆底盘共地。图中Vx表示采样点的共模电位(电压)。由模拟电子电路知识可知，如果在电路中注入脉冲信号，电路中内阻很小的直流电流源可视为短路，内阻很大的电流源可视为开路。通常来说，HV蓄电池的内阻为mΩ级别，当电压上升后，HV蓄电池的内阻依然很小，依据此原则，当脉冲振荡器(56)发出脉冲信号后，可以认为直流电压源短路，如图3所示为简化电路。

图3 简化电路

由于直流电压源可视为短路，正极绝缘电阻r1、r3与负极绝缘电阻r2、r4形成一个总并联电阻为R，即等效于绝缘电阻。根据电路串并联等效原则可知，R＜min(r1、r3，r2、r4)，如果能在电路中保证R电阻值符合规定绝缘电阻标准，那么就能确保乘驾人员的人生安全。

在检测过程中，检测电阻Rd和绝缘电阻R形成串联电路，当检测电路中施加脉电压号后，采样电压Vx就是电路中的分压。

图4 采样电压Vx与绝缘电阻R的关系

公式中：Vx—采样电压；Vp—脉冲振荡信号电压；R—绝缘电阻值；Rd—检测电阻值；Cc—隔离电容器值；f—脉冲振荡信号频率。由此得到采样电压Vx与绝缘电阻R的关系如图4所示。

由此可知，绝缘电阻越大，采样电压Vx越大，反之，绝缘电阻减小，采样电压Vx变小。丰田混合动力THS-Ⅱ系统将Vx值经处理后转换为HV控制ECU的数据“ShortWaveHighestVal”，该值在0和5V之间来表示绝缘电阻大小。可通过智能检测仪的ECU数据流查看。图5所示为“ShortWaveHighestVal”的特性图。车辆刚开始上电时“ShortWaveHighestVal”会降至约1.5V，应该将车辆置于READY-ON状态一段时间后，再进行漏电检测电路工作情况的检查，“ShortWaveHighestVal”在驱动控制系统升压时可能降至约0V，由共模电压变化请求模块(74)控制，所以应在未进行升压时作出绝缘电阻减小的故障判断。

图5 ShortWaveHighestVal”的特性图

五、故障实例诊断

1.故障现象

2006年生产的车型为NHW20L-AHEEBC丰田普锐斯混合动力汽车，搭载THS-Ⅱ系统，车辆已行驶450 000km。客户反映车辆停车以后，重新启动时发现车辆无法启动，挂档无效，仪表盘上的主警告灯、发动机警告灯、充电指示灯一直点亮，多功能信息显示屏上提示“发生异常”。

2.故障确认

智能诊断仪IT-Ⅱ读取故障码(DTC)为“P0AA6，混合型电池电压系统隔离故障”，信息代码INF为“526，高压电源短路”根据维修手册提示“P0AA6“DTC检测条件：“高压电路与车身间的绝缘电阻减小”。故障可能发生部位：“车架线、系统主继电器、系统主电阻器、HV蓄电池、带电机的压缩机总成、蓄电池ECU、HV变速驱动桥总成、带转换器的变频器总成、HV蓄电池主电缆、HV蓄电池2号主电缆、维修塞连接线端子、2号车架线、接线盒总成”。由于维修手册提示故障部位范围较广，难以诊断操作。因此，利用IT-Ⅱ选择菜单Powertrain/HybridControl/DTC中读取DTC定格数据。每个DTC定格数据都包含了信息代码和详细信息。其中信息代码(DetailCode)划分了故障区域范围，详细信息(DetailInformation)记录了与故障有关的参考数据，如发动机转速、MG1、MG2转速、扭矩、温度，变频器温度，升压转换器电压、温度，充电状态(SOC)等，故障发生顺序栏中的数据(OccurrenceOrder)，规定了从顺序数字最小的DTC开始检查的原则。“P0AA6”故障码定格数据(图6)。

图6 “P0AA6”故障码定格数据

在定格数据中，故障信息代码“526”所指定的故障区域“612”，即绝缘电阻减小的区域是HV蓄电池区域(图7)。

图7 HV蓄电池电压系统绝缘电阻故障部位区域

图8 故障车“ShortWaveHighestVal”动态数据流

为了验证故障，保存DTC和定格数据。清除DTC。试着启动车辆，车辆能够启动。车辆路试数据流中，偶尔发现HV控制ECU的数据“ShortWaveHighestVal”减小(如图8)，说明在HV蓄电池区域内确有绝缘电阻下降的偶发故障。

3.故障检查

进行下列操作前戴上绝缘手套：

①关闭电源开关；

②准备拆卸维修塞时，维修塞拔不出，硬拔出维修塞，发现维修塞底座变形；

③用兆欧表(量程500V)测量维修塞上两根HV蓄电池连接电缆与车身之间电阻，在拉动电缆瞬间，兆欧表测量的电阻值瞬间下降到1MΩ上下变化(标准＞10MΩ)，说明车辆绝缘性能确有存在异常；

④拆开这两根电缆，发现电缆的绝缘胶皮已经被蓄电池底部安装螺钉磨了破损(图9)。

根据客户后来反映，该车HV蓄电池曾经亏电过，在其他修理厂拆卸过蓄电池。原因可能是没有正确安装好HV蓄电池和维修塞以及连接电缆，致使电缆绝缘胶皮被磨破，车辆行驶中受到振动，导致磨破处导线与螺钉接触，与车身之间发生短路。

4.故障修理

更换维修塞电缆，正确安装维修塞。试车检查HV控制ECU的数据“ShortWaveHighestVal”在非增压阶段一直保持在4.99V，确认故障排除。

图9 故障车HV蓄电池维修塞电缆破损示意图

六、结论

以上故障实例是丰田混合动力系统采用在耦合电容器和检测电阻之间的连接处，对注入的低频脉冲信号施加滤波器，使其在预定的频率范围内通过交流信号的变化得到的测量结果，确定绝缘电阻降低的故障，保证了绝缘检测的精度和可靠性，是一种较为理想的绝缘电阻检测方案，广泛适合于应用到混合动力汽车的高压电源安全性能在线检测系统中，同时为诊断混合动力系统高压漏电故障提供精确的数据参考。