一、高壓系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)在整車中主要完成電能供給和安全管理。將動(dòng)力電池的高壓電通過高壓配電箱分給高壓用電設(shè)備和動(dòng)力電池的充電管理。從整體上可看成三個(gè)部分：電源部分、驅(qū)動(dòng)部分和電動(dòng)設(shè)備。

電源部分，主要由維修開關(guān)、直流轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)、充電接口、高壓配電箱、動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)等組成；驅(qū)動(dòng)部分，主要由電機(jī)控制器和電機(jī)本體共同組成；電動(dòng)設(shè)備部分，主要由轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)壓縮機(jī)和電加熱器PTC等組成（見圖1）。

 圖1 純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)框圖

二、高壓絕緣管理策略

電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中，由于碰撞、沖擊、腐蝕、磨損、老化等外界因素的影響，使高壓電路與車身之間的絕緣阻值成為一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的物理量，為此對(duì)高壓電絕緣狀態(tài)的在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是安全監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

高壓系統(tǒng)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)的絕緣電阻，在出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，由故障診斷程序判定后，通過CAN總線上傳控制器，并發(fā)出報(bào)警、降功率運(yùn)行或切斷高電壓路。一旦發(fā)生絕緣失效下電，只有在確認(rèn)排除絕緣故障且符合國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣性要求（直流100Ω/V，交流500Ω/V）后，才會(huì)允許下次上電，閉合主繼電器，高壓上電后，BMS會(huì)實(shí)時(shí)進(jìn)行絕緣檢測(cè)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)絕緣值低于要求時(shí)，控制主繼電器再次下電。

三、高壓絕緣檢測(cè)原理

高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測(cè)，根據(jù)車輛所處不同狀態(tài)，需要進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)是指車輛在READY但未行駛狀態(tài)進(jìn)行高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測(cè)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是指車輛在行駛狀態(tài)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)參與工作狀態(tài)下進(jìn)行高壓系統(tǒng)絕緣性能檢測(cè)。

靜態(tài)檢測(cè)：根據(jù)電動(dòng)汽車國標(biāo)推薦的電動(dòng)汽車絕緣電阻計(jì)算方法，采用電橋測(cè)量法對(duì)絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，高壓系統(tǒng)絕緣電阻的等效電路（見圖2）。UDC為直流母線的電壓，E為地（車體），R3和R4分別為母線正極和負(fù)極對(duì)地（車身）的絕緣電阻，R1、 R2為偏置電阻，K1、 K2為開關(guān)。通過測(cè)量直流母線正負(fù)極對(duì)地電壓在偏置電阻切換前后的電壓值U3和U4，并計(jì)算得到絕緣電阻R3和R4，以此特征量與故障閾值相比較來判斷直流母線對(duì)地的絕緣狀態(tài)。

圖2 高壓絕緣電阻等效電路

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：而此時(shí)直流側(cè)和交流側(cè)絕緣電阻與靜態(tài)時(shí)有所不同，電機(jī)側(cè)絕緣電阻的狀態(tài)與電機(jī)控制器中IGBT的通斷有關(guān)，根據(jù)電機(jī)控制器的矢量控制方式，IGBT不同開關(guān)狀態(tài)下絕緣電阻不同，在零矢量狀態(tài)下三相電纜的絕緣電阻可以等效成一個(gè)電機(jī)側(cè)對(duì)地的絕緣電阻RAC（見圖3）。同理，通過測(cè)量直流母線正負(fù)極對(duì)地電壓在偏置電阻切換前后的電壓值U3和U4，并計(jì)算得到絕緣電阻R3、 R4和RAC，以此特征量與故障閥值相比較來判斷直流母線對(duì)地的絕緣狀態(tài)。

圖3 高壓絕緣電阻等效電路（動(dòng)態(tài)）

四、高壓絕緣保護(hù)措施

高壓電系統(tǒng)回路出現(xiàn)短路、漏電等絕緣故障，都為電動(dòng)汽車的高壓用電安全構(gòu)成了潛在的威脅，因此高壓安全管理的目的在于解決純電動(dòng)汽車高壓電安全問題。首先是確保電動(dòng)汽車在靜止、運(yùn)行及充電等過程的用電安全；其次是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)，當(dāng)汽車發(fā)生絕緣電阻值低于規(guī)定值時(shí)，高壓管理系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)切斷所有的高壓回路并發(fā)出聲光報(bào)警，待故障消失后，才能允許進(jìn)行下一次上電，故而高壓系統(tǒng)必須有絕緣防護(hù)和絕緣監(jiān)測(cè)。

（一）物理保護(hù)措施

1．高壓警示：對(duì)B級(jí)電壓的所有組件設(shè)置高壓警告標(biāo)志（黃底黑邊中間帶黑色箭頭的三角形標(biāo)識(shí)），并具相應(yīng)的防護(hù)等級(jí)。當(dāng)人員接近時(shí)，應(yīng)清晰可見，避免誤接觸。

2．橙色保護(hù)電纜：高電壓系統(tǒng)采用由雙層絕緣耐磨材料制成的橙色警示電纜并用橙色波紋管防護(hù)，特殊部位還會(huì)采用額外的導(dǎo)槽保護(hù)，有效絕緣且防止電磁輻射。

 3．分?jǐn)嘌b置：維修保養(yǎng)時(shí)，斷開維修開關(guān)或鎖閉分?jǐn)噫i，以切斷高電壓。

4．高壓部件封裝：外殼采用具有一定剛度和強(qiáng)度的材料制成，可保證一般情況下觸碰、撞擊或擠壓時(shí)，不出現(xiàn)失效，高壓部件可達(dá)到IP67防護(hù)，可有效保護(hù)高壓部件的安全和人員的安全。

（二）電氣保護(hù)措施

1．電氣隔離：電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)包括低壓電氣系統(tǒng)和高壓電氣系統(tǒng)，高低壓系統(tǒng)分別采用正負(fù)極獨(dú)立回路，實(shí)現(xiàn)高壓系統(tǒng)與車身和低電壓隔離（見圖4）。

圖4 電氣隔離原理圖

2．電位均衡：高壓系統(tǒng)多采用IT網(wǎng)，為實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分之間電位差最小化，將高電壓部件外殼連接為同等電位并接地，以保持電位均衡（見圖5）。

圖5 電位均衡原理圖

3．絕緣監(jiān)測(cè)：對(duì)高電壓電纜和高壓部件進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)，報(bào)警、限功率或切斷高電壓（見圖6）。

圖6 車輛儀表

五、故障檢測(cè)與故障處理

出現(xiàn)絕緣故障時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)故障等級(jí)及時(shí)采取限制輸出功率、禁止充放電等相關(guān)保護(hù)并報(bào)警提醒。分析故障原因時(shí)要考慮故障出現(xiàn)的狀態(tài)：充電狀態(tài)、正常狀態(tài)、淋雨涉水、碰撞事故等，診斷按照以下步驟進(jìn)行。

 ①首先通過解碼儀或上位機(jī)讀取控制系統(tǒng)儲(chǔ)存的故障代碼（出現(xiàn)這類故障，一定有故障記錄，組合儀表也明確顯示有故障）。

②關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，依次斷開MSD開關(guān)并等待3min。

 ③結(jié)合故障現(xiàn)象和故障代碼，分析可能的故障原因。

 ④根據(jù)故障原因可能性的大小和檢測(cè)的方便性進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)、線束的檢測(cè)。

 ⑤用絕緣電阻測(cè)試儀分別測(cè)量線束側(cè)插頭的正、負(fù)極對(duì)車身的絕緣電阻，如果絕緣電阻值低于維修手冊(cè)提供的標(biāo)準(zhǔn)值，說明被測(cè)試的部分有絕緣故障，反之則沒有絕緣故障。

 ⑥依此方法對(duì)其他高壓線束進(jìn)行檢測(cè)。

⑦如果線束檢測(cè)沒有絕緣故障，則考慮零部件故障。

據(jù)此步驟，基本能確認(rèn)發(fā)生絕緣故障的原因和故障點(diǎn)。此方法是將故障類型進(jìn)行了分類，先排除線路故障，后排除部件故障。實(shí)踐中亦可將高壓回路分段進(jìn)行排查，縮小排查范圍，能有效提高排查速度并準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。需要特別說明的是，在進(jìn)行絕緣電阻檢查時(shí)，一定要參考維修手冊(cè)，不同車型、不同部位的絕緣要求都不一定相同（見表1），檢測(cè)時(shí)所用的檢測(cè)電壓也不同，對(duì)絕緣性能要求較低的部件檢測(cè)時(shí)，如果測(cè)試電壓采用了大于其最高電壓，就可能造成人為破壞。

表1 某車型絕緣阻值參考表

典型故障分析和拓展

1．故障現(xiàn)象

   一輛EV 150，點(diǎn)火開關(guān)置于ON擋，儀表顯示整車系統(tǒng)故障、動(dòng)力電池故障、絕緣低故障燈亮。

2．診斷思路

    可能原因：高壓電路絕緣故障、動(dòng)力電池內(nèi)部絕緣故障、電機(jī)絕緣故障、空調(diào)壓縮機(jī)絕緣故障IPTC絕緣故障。

3. 故障診斷與排除

    連接故障解碼儀讀取故障碼和數(shù)據(jù)流，有高壓電路絕緣故障。將車輛下電，斷開低壓蓄電池負(fù)極再拔下動(dòng)力電池端高壓線束，用絕緣表檢測(cè)動(dòng)力電池輸出端的絕緣情況，結(jié)果顯示絕緣電阻正常，可以斷定是動(dòng)力電池以外部分的絕緣故障；依次檢測(cè)高壓控制器及高壓線束、空調(diào)壓縮機(jī)及高壓線束、PTC高壓線束、DC/DC及高壓線束、充電機(jī)及高壓線束、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器及高壓線束。結(jié)果檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)高壓線束到電機(jī)部分顯示絕緣為0Ω，拆下電機(jī)端連接線再次測(cè)量電機(jī)高壓線束絕緣電阻為0Ω，測(cè)量電機(jī)接線端絕緣電阻正常。確定電機(jī)高壓線束絕緣故障，更換電機(jī)高壓線束，故障排除。

4．故障機(jī)理分析

    電動(dòng)汽車絕緣的問題主要可以分為：內(nèi)部故障和外部故障。內(nèi)部故障主要是動(dòng)力電池和高壓用電部件絕緣防護(hù)失效，如動(dòng)力一電池的電解液泄漏、外部液體進(jìn)入、絕緣層被破壞之后，電池模組和單體出現(xiàn)了導(dǎo)電的回路，模組內(nèi)部由于振動(dòng)、沖擊導(dǎo)致磨損、錯(cuò)位，可能出現(xiàn)絕緣紙、隔膜失效的情況，就會(huì)出現(xiàn)絕緣問題。BMS和BDU這兩個(gè)部件由于高壓的直接接入，如果出現(xiàn)隔離失效，也會(huì)產(chǎn)生類似軟短路的情況。外部故障主要是高壓連接器和高壓電纜絕緣防護(hù)失效。

      由此可見，只要報(bào)絕緣故障，基本是動(dòng)力電池內(nèi)部高壓部分或整車各高壓控制器、高壓線束或各高壓電器的絕緣值過低，只能分段檢測(cè)各部件和高壓線束的絕緣情況。