淺析導(dǎo)致整車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)儀報(bào)出絕緣故障的典型原因

1 引言

相比于傳統(tǒng)汽車(chē)，新能源汽車(chē)的典型特征為增加了整車(chē)高壓回路：動(dòng)力電池，高壓配電柜，充電回路，高壓負(fù)載。其中，高壓負(fù)載主要包括電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向油泵系統(tǒng)、電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)、高壓轉(zhuǎn)24V的DC/DC、電暖風(fēng)、電除霜等，詳見(jiàn)圖1所示。（注：圖1僅為整車(chē)高壓回路示意圖，回路中的接觸器、充電接口等均未體現(xiàn)）

圖1電動(dòng)汽車(chē)高壓回路簡(jiǎn)圖

本文主要包括四個(gè)方面：

（1） 實(shí)車(chē)案例現(xiàn)象及問(wèn)題解析；

（2） 國(guó)標(biāo)及整車(chē)廠對(duì)新能源汽車(chē)整車(chē)絕緣要求；

（3） 絕緣檢測(cè)儀基本原理；

（4） Y電容對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)的影響；

（5） 整車(chē)各高壓零部件對(duì)Y電容的分配原則；

2 實(shí)車(chē)案例現(xiàn)象描述及問(wèn)題解析

案例現(xiàn)象描述：

現(xiàn)象一：部分車(chē)輛在長(zhǎng)時(shí)間停放（斷高低壓）后，初次上電時(shí)，整車(chē)報(bào)絕緣故障；但是，絕緣阻值會(huì)在幾秒內(nèi)從報(bào)警值瞬間恢復(fù)到正常值。

現(xiàn)象二：部分車(chē)輛在長(zhǎng)時(shí)間停放（斷高低壓）后，初次上電時(shí)，儀表顯示整車(chē)絕緣阻值在10~40kΩ，儀表報(bào)出——整車(chē)絕緣故障，無(wú)法上高壓；若此時(shí)關(guān)鑰匙開(kāi)關(guān)，立刻重新上電，則儀表不再報(bào)整車(chē)絕緣故障，整車(chē)絕緣阻值恢復(fù)正常。

現(xiàn)象三：部分車(chē)輛上電時(shí)，整車(chē)報(bào)絕緣故障；整車(chē)絕緣阻值過(guò)低。重新上下電后，依然報(bào)整車(chē)絕緣故障。

問(wèn)題排查過(guò)程：

（1） 考慮到絕緣監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整車(chē)直流母線(xiàn)處的絕緣阻值，因此整車(chē)絕緣故障問(wèn)題排查應(yīng)從高壓回路所有零部件直流側(cè)絕緣阻值測(cè)量開(kāi)始。

（2） 排除法：逐個(gè)斷開(kāi)高壓負(fù)載零部件后，整車(chē)上電，觀察儀表是否報(bào)絕緣故障；

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

（4） 采用排除法時(shí)，發(fā)現(xiàn)將某兩個(gè)零部件中的任何一個(gè)直流供電線(xiàn)纜從整車(chē)高壓回路斷開(kāi)后，整車(chē)不再報(bào)絕緣故障；因此，將問(wèn)題點(diǎn)定位在此兩個(gè)零部件上。

（5） 采用絕緣電阻測(cè)量法時(shí)，發(fā)現(xiàn)此兩個(gè)零部件的絕緣電阻測(cè)量過(guò)程存在一個(gè)共同點(diǎn)：采用搖表或絕緣表測(cè)此零部件絕緣阻值時(shí)，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(cè)量結(jié)果極其類(lèi)似于電容的充電過(guò)程，因此聯(lián)系供應(yīng)商分析其內(nèi)部電路原理，并現(xiàn)場(chǎng)對(duì)此兩個(gè)零部件的直流輸入側(cè)高壓正對(duì)地和高壓負(fù)對(duì)地的電容值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果示例見(jiàn)圖2。

(a)零部件1：實(shí)際單邊Y電容1.5uF （X電容的存在影響測(cè)量結(jié)果）

(b)零部件2：實(shí)際單邊Y電容1.1uF

圖2零部件Y電容實(shí)測(cè)實(shí)例

結(jié)合以上問(wèn)題排查過(guò)程，為了更加透徹的分析并解決此問(wèn)題，我們需了解國(guó)標(biāo)及整車(chē)廠對(duì)新能源汽車(chē)整車(chē)絕緣要求（見(jiàn)本文第3部分）；絕緣監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)整車(chē)絕緣性能的基本原理（見(jiàn)本文第4部分）；分析此兩個(gè)問(wèn)題零部件的內(nèi)部電路原理，明確問(wèn)題原因（見(jiàn)本文第5部分）；最終，筆者提出了針對(duì)此問(wèn)題，未來(lái)的工作重點(diǎn)及建議（見(jiàn)本文第6部分）。

3 國(guó)標(biāo)及整車(chē)廠對(duì)新能源汽車(chē)整車(chē)絕緣要求

GB/T 18384 《電動(dòng)汽車(chē) 安全要求》分為三個(gè)部分：車(chē)載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（REESS）、操作安全和故障防護(hù)、人員觸電防護(hù)；該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動(dòng)汽車(chē)所特有的B級(jí)電壓驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的車(chē)載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（REESS）、電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳導(dǎo)連接的輔助系統(tǒng)（如果有）的安全要求，以保護(hù)車(chē)輛內(nèi)外的人員安全。其中，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)最大工作電壓U，將電氣元件或電路分為以下等級(jí)，見(jiàn)表1所示。

表1電動(dòng)汽車(chē)電壓等級(jí)

考慮人員安全，GB 4943.1規(guī)定流過(guò)人體的交流電流不應(yīng)超過(guò)5mA，因此必須對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的B級(jí)電壓電路進(jìn)行防護(hù)措施，整車(chē)B級(jí)電壓電路需要滿(mǎn)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(yīng)至少大于100Ω/V，交流電路應(yīng)至少大于500Ω/V。例如，當(dāng)前新能源客車(chē)最高工作電壓在750VDC左右時(shí)，考慮裕量等因素，其直流絕緣電阻至少應(yīng)大于100kΩ。因此，客車(chē)整車(chē)廠對(duì)直流母線(xiàn)處絕緣電阻值的要求應(yīng)至少大于100kΩ；其它車(chē)型絕緣電阻的要求亦可根據(jù)以上通則而定。

4 絕緣檢測(cè)儀基本原理

絕緣監(jiān)測(cè)儀的作用：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整車(chē)高壓直流系統(tǒng)正負(fù)母線(xiàn)對(duì)底盤(pán)地的絕緣阻值，并在實(shí)測(cè)絕緣阻值低于整車(chē)設(shè)置值時(shí)，發(fā)出預(yù)定的報(bào)警信號(hào)或執(zhí)行預(yù)定的保護(hù)操作，以達(dá)到保證人員和車(chē)輛安全運(yùn)行的目的。

絕緣監(jiān)測(cè)儀的基本工作原理：當(dāng)前，絕緣監(jiān)測(cè)儀大多采用自適應(yīng)低頻電壓方波監(jiān)測(cè)法，其工作原理見(jiàn)圖3。由圖3可知，絕緣監(jiān)測(cè)儀內(nèi)部的方波信號(hào)發(fā)生器發(fā)出低頻電壓方波信號(hào)，此方波信號(hào)通過(guò)精密監(jiān)測(cè)電阻Rm、大電阻RA、高壓正負(fù)線(xiàn)纜L+和L-、直流高壓系統(tǒng)和底盤(pán)之間的絕緣電阻RF，形成絕緣監(jiān)測(cè)閉合回路。檢測(cè)的Rm兩端電壓Um與絕緣電阻RF之間存在確定關(guān)系，在得到Um后可通過(guò)查表或計(jì)算求出絕緣電阻RF的阻值。

圖3絕緣監(jiān)測(cè)儀工作原理簡(jiǎn)圖

5 Y電容對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)的影響

Y電容簡(jiǎn)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(huì)導(dǎo)致電擊，不危及人身安全的安全電容器。出于對(duì)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(dá)到抑制EMI傳導(dǎo)干擾的作用。 X電容和Y電容的定義和作用見(jiàn)圖4。

圖4安規(guī)電容簡(jiǎn)介

圖5為典型電源電路輸入端的電磁兼容防護(hù)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(guān)鍵，即Y電容間接將電源與地接通；因此，必須嚴(yán)格限制Y電容的漏電流，防止引起設(shè)備漏電或機(jī)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(hù)措施電路圖

Y電容對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)的影響：如上文所述，Y電容的加入導(dǎo)致電源與底盤(pán)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(duì)地的絕緣性能；同時(shí)，也會(huì)影響到絕緣監(jiān)測(cè)儀對(duì)整車(chē)高壓直流處絕緣性能的判斷，參看圖6。

圖6 直流母線(xiàn)側(cè)加入Y電容后，絕緣監(jiān)測(cè)等效電路圖

如圖6所示，RF表示高壓系統(tǒng)與底盤(pán)地之間的等效絕緣電阻，CY表示高壓系統(tǒng)與底盤(pán)之間的等效泄漏電容，絕緣監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)到的整車(chē)絕緣電阻等于CY的阻抗和RF并聯(lián)的結(jié)果。當(dāng)CY在充電的時(shí)候，其阻抗非常小，相當(dāng)于給絕緣電阻RF并聯(lián)一個(gè)小電阻，整車(chē)絕緣電阻≤CY阻抗，即整車(chē)絕緣電阻會(huì)被拉低。當(dāng)CY充滿(mǎn)電后，其阻抗無(wú)窮大，此時(shí)根據(jù)并聯(lián)計(jì)算公式得出：整車(chē)絕緣電阻≈RF。因此，整車(chē)會(huì)出現(xiàn)上文所述的現(xiàn)象一和現(xiàn)象二；但是，隨著CY的增加，其等效阻值越小，則整車(chē)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(jīng)過(guò)CY流入底盤(pán)的漏電流增加），則會(huì)導(dǎo)致如上文所述現(xiàn)象三的嚴(yán)重情況。

綜上所述，當(dāng)整車(chē)高壓直流母線(xiàn)上增加的Y電容過(guò)大時(shí)，必然會(huì)影響整車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)儀的判斷，出現(xiàn)儀表報(bào)出整車(chē)絕緣故障問(wèn)題。高壓直流母線(xiàn)上的Y電容總?cè)葜翟酱螅霈F(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)儀誤報(bào)的情況越嚴(yán)重；因此，會(huì)出現(xiàn)“案例現(xiàn)象描述”中的三種依次嚴(yán)重的情況。

6 整車(chē)各高壓零部件對(duì)Y電容的分配原則

為徹底解決以上問(wèn)題，筆者認(rèn)為需要從以下兩大方面入手。

問(wèn)題一：

如上文所述，增加Y電容的主要目的為：減小開(kāi)關(guān)電源輸入側(cè)傳導(dǎo)發(fā)射量，從而滿(mǎn)足零部件EMC要求；但是，整車(chē)高壓直流母線(xiàn)上Y電容容值過(guò)大，勢(shì)必影響整車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)對(duì)絕緣阻值的測(cè)量結(jié)果。為此，我們亟待解決的第一個(gè)問(wèn)題：整車(chē)絕緣監(jiān)測(cè)儀可接受的直流母線(xiàn)上Y電容容值為多少？

解決方案：實(shí)驗(yàn)測(cè)試及整車(chē)驗(yàn)證

針對(duì)此問(wèn)題，筆者建議需要整車(chē)廠與絕緣檢測(cè)儀廠家共同努力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測(cè)試及整車(chē)驗(yàn)證的方法得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論。首先，整車(chē)廠應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，給出正常情況下整車(chē)絕緣阻值范圍、整車(chē)高壓工作電壓范圍等數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)依據(jù)。其次，絕緣監(jiān)測(cè)儀廠家需根據(jù)整車(chē)廠提供數(shù)據(jù)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)定不同等級(jí)Y電容，多次測(cè)試后，分析測(cè)試結(jié)果，從而給出改絕緣監(jiān)測(cè)儀可接受的Y電容容值范圍。

問(wèn)題二：

如圖1所示，整車(chē)高壓回路中可能增加Y電容的零部件主要包括：電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器、電動(dòng)空調(diào)DC/AC變頻器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向油泵DC/AC控制器、電動(dòng)空壓機(jī)DC/AC控制器、高壓轉(zhuǎn)24V的DC/DC等。那么，從整車(chē)廠角度出發(fā)，在確定整車(chē)可接受的Y電容總?cè)葜岛螅秩绾谓o各個(gè)有需求的零部件分配合理的Y電容容值范圍，從而對(duì)各零部件供應(yīng)商提出合理要求吶？

解決方案：

針對(duì)此問(wèn)題，以筆者當(dāng)前的經(jīng)驗(yàn)，提出以下三條建議：

（1）調(diào)查所有接入直流母線(xiàn)的零部件當(dāng)前實(shí)際Y電容的大小，作為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及后續(xù)實(shí)車(chē)問(wèn)題排查的依據(jù)；并從中尋找規(guī)律作為制定分配原則的依據(jù)。

（2）GB/T 18384.3-2015中規(guī)定：任何帶電的B級(jí)電壓帶電部件和電平臺(tái)之間的總電容在其最大工作電壓時(shí)所存儲(chǔ)的能量應(yīng)小于0.2J。筆者認(rèn)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(duì)海軍軍品濾波電容的要求

（3）圖7為GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》關(guān)于濾波的要求。從此圖可知，我國(guó)對(duì)海軍軍用潛艇和飛機(jī)上直流電源供電的設(shè)備，明確規(guī)定在其用戶(hù)接口處，各極性電源線(xiàn)對(duì)地的電容量應(yīng)不超過(guò)所連接負(fù)載的0.075uF/kW；為此，考慮到軍工產(chǎn)品對(duì)技術(shù)的把控更加嚴(yán)格，對(duì)成本的把控要求略低的情況，筆者認(rèn)為汽車(chē)零部件對(duì)Y電容的限制可參考0.075uF/kW的要求，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆艑挕?/p>