怎樣在電動汽車整車上設(shè)計(jì)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)？

在電動汽車新一輪的革命熱潮中，電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化一直作為各廠商推陳出新的賣點(diǎn)。每個人對好車的定義不一樣，但不可否認(rèn)的基礎(chǔ)是——好車首先得足夠安全。

比如汽車碰撞，如何獲得相關(guān)機(jī)構(gòu)全五星安全性評級一直是各廠商努力的聚焦點(diǎn)之一，獲得碰撞安全的車一般都能獲得顧客的信賴，也會對汽車的銷量產(chǎn)生積極正面的影響，如Tesla Model S獲得了NHTSA史上最高分5．4分，也創(chuàng)造了一個全新的記錄，對Model S后來得到用戶的認(rèn)可和好評功不可沒。

圖1 各NCAP機(jī)構(gòu)示意圖

電動汽車的誕生就一直伴隨著消費(fèi)者的疑問，電動汽車涉水安全嗎？、電動汽車碰撞后會觸電嗎？等等，諸如此類問題思考的背后折射出人們對于安全出行的強(qiáng)烈意愿。針對EV／HEV安全，中國新車評價(jià)規(guī)程C－NCAP（China－New Car Assessment Program）2018年新規(guī)率先將電安全納入了評分方案。

在2018版C－NCAP中，關(guān)于EV／HEV防觸電保護(hù)評測，其中，REESS（車載可充電儲能系統(tǒng)）端高壓母線與電底盤間絕緣電阻≥100Ω／V作為基本評測條款，而電力系統(tǒng)負(fù)載端絕緣電阻滿足相關(guān)要求作為碰撞后車輛電安全評測選項(xiàng)條款之一。

EV／HEV絕緣故障監(jiān)測

國內(nèi)外電動汽車安全要求，是以高壓電池系統(tǒng)防護(hù)為中心，按系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)而到電機(jī)電控等，衍生出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條款。整車安全規(guī)范則主要囊括了包括電氣、機(jī)械、化學(xué)和功能安全。

圖2 EV／HEV相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)

絕緣性能作為EV／HEV電氣安全設(shè)計(jì)的其中一項(xiàng)要求，在GB／T18384－2015中B級電壓（＞60VDC或＞30VAC）系統(tǒng)絕緣電阻說明要求的基礎(chǔ)上，在2018年1月GB《電動汽車安全要求》強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)征求稿中對于絕緣警示作了進(jìn)一步說明，參照GB7258－2017相關(guān)條例措施，強(qiáng)制要求具有絕緣電阻監(jiān)測，在整車絕緣電阻低于規(guī)定要求時(shí)，應(yīng)通過一個明顯的信號（例如：聲或光信號）裝置提醒駕駛?cè)恕?/span>

另外，GB／T32960．3－2016《電動汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第3部分整車數(shù)據(jù)，要求上報(bào)整車的絕緣電阻值數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺，以便監(jiān)控管理及救援。

圖3 絕緣監(jiān)測裝置接線示意圖

絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)／選擇

雖然電動汽車安全要求強(qiáng)標(biāo)中已明確整車高壓系統(tǒng)需附加絕緣監(jiān)測裝置（IMD，Insulation monitoring device），但是并未規(guī)定何種絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)才是符合要求的。

總體而言，絕緣監(jiān)測裝置需暴露在電噪聲的環(huán)境中穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。目前，國內(nèi)外絕緣監(jiān)測裝置工作模型一般采用電橋平衡法、信號注入法、電壓法及其他衍生電路方案。IDM設(shè)計(jì)與選型時(shí)基于“擇優(yōu)而定”原則，從整車系統(tǒng)需求出發(fā)分解各方案對系統(tǒng)的適用性，以此評估供應(yīng)商或方案優(yōu)勢。

圖4 IDM設(shè)計(jì)選型因素占比示意圖

評價(jià)IDM設(shè)計(jì)選型方案，基于上圖所示，可作要點(diǎn)評估，以期最優(yōu)化選擇。對于整車系統(tǒng)而言，IDM對高壓平臺的兼容性、測試響應(yīng)時(shí)間、工作可靠性以及診斷時(shí)效性尤為重要。

關(guān)于設(shè)計(jì)選型因素評估說明舉例：

1）在EV／HEV電氣平臺化架構(gòu)推進(jìn)下，不同系統(tǒng)／部件總配置變化，IDM硬件無法具有適配性，則產(chǎn)品就嚴(yán)重缺乏模塊化的條件；

2）診斷電路對真實(shí)故障條件的響應(yīng)時(shí)間是設(shè)計(jì)IDM時(shí)需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)之一，如某些信號注入方案，脈沖信號會受到Y(jié)電容的RC充電特性影響，需要設(shè)置足夠的固定時(shí)間，以此來避免Y電容對絕緣檢測的影響，而過長的檢測時(shí)間對及時(shí)響應(yīng)故障處理不利。

3）IDM可診斷任何線路，包含AC線路（車載DCAC并不隔離設(shè)計(jì)），和底盤接地之間的泄露故障，但若IDM無法測量AC端接地故障，則整車系統(tǒng)可額外附加用于AC線路的絕緣監(jiān)測功能，比如MCU控制器增設(shè)接地故障診斷。

另外，建立測試用例，檢測IDM實(shí)際情況，這也是系統(tǒng)驗(yàn)證的一種有效途徑。

絕緣電阻閾值設(shè)定

絕緣電阻，即絕緣介質(zhì)所具有的電阻值，是衡量介質(zhì)絕緣性能好壞的物理量。針對B級電壓系統(tǒng)的絕緣性能要求，電動汽車安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如ISO6469、GB／T18384等）均作了相關(guān)定義。

由于人體的交／直流電壓安全閾值不同，非傳導(dǎo)連接的高壓電路在工作電壓下絕緣電阻最小值要求也有所不同。

根據(jù)《IEC60147－1電流對人和家畜的效應(yīng)指南 第1部分：通用部分》說明，人體無害過流能力電流要求＜10mA（DC）或＜2mA（AC），對應(yīng)絕緣電阻需＞100Ω／V或＞500Ω／V。

圖5 絕緣電阻阻值要求含義（數(shù)據(jù)來源：IEC60479－1 Effects of current on humanbeings and livestock）

值得注意的是，當(dāng)高壓系統(tǒng)回路同時(shí)具備交直流帶電部分，在對AC電路進(jìn)行雙重或加強(qiáng)絕緣后，絕緣電阻可按＞100Ω／V要求執(zhí)行，此點(diǎn)GB／T18384．3－2015（ISO6469）、SAE J2344－2010等安全要求標(biāo)準(zhǔn)均有說明。

◆DC電路：＞100Ω／V

◆ AC電路：＞500Ω／V

◆ DC＆AC電路：＞500或者100Ω／V

圖6 DC＆AC混合電路絕緣電阻要求

針對燃料電池電動汽車的特殊考慮，此次在GB《電動汽車安全標(biāo)準(zhǔn)》征求意見稿中，對于交流回路增加有附加防護(hù)的情況，絕緣電阻以100Ω／V設(shè)計(jì)予以了特別說明。

有關(guān)電動汽車高壓零部件電氣安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括GB／T31467－2015、GB／T18488－2015及GB／T24347－2009、GBT／20234－2015等。實(shí)際上，整車“三電”高壓系統(tǒng)包含多個部件，為避免系統(tǒng)絕緣總阻抗低于100Ω／V（或500Ω／V）要求，整車絕緣強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)定需高于國標(biāo)要求，而各系統(tǒng)部件的絕緣強(qiáng)度應(yīng)高于整車一個等級。

另外，由于絕緣監(jiān)測電路存在對高壓系統(tǒng)的附加影響，需要系統(tǒng)評估該監(jiān)測電路工作或非工作狀態(tài)下對于整車絕緣性能的影響。IDM在其絕緣電阻監(jiān)測寬度范圍內(nèi)存在誤差（IDM，非精準(zhǔn)的測量儀器），因此絕緣電阻安全閾值的設(shè)置也需適當(dāng)考慮絕緣檢測精度。

IDM系統(tǒng)應(yīng)用

1）正確理解IDM功能

EV／HEV含有危險(xiǎn)的電壓或電流等級，在某些超出正常操作范圍之外的條件或事件下，電隔離保護(hù)作用會被弱化，此時(shí)，通過IDM對電隔離的弱化或隔離損失進(jìn)行探測，進(jìn)而可采取措施緩解這種弱化或減少（＆避免）因弱化帶來的危害。

整車電氣安全作為一項(xiàng)重要的系統(tǒng)工程，IDM僅作為絕緣失效警示裝置，即無法阻止故障的發(fā)生。如設(shè)計(jì)時(shí)總是理想化將電池視為一個整體，但實(shí)際中，如商用車電池系統(tǒng)，較容易出現(xiàn)電池內(nèi)局部短路情況，此時(shí)，IDM絕緣報(bào)警，但無法避免因電池短路引起的熱失控（如火災(zāi)）。

2）全生命周期的絕緣設(shè)計(jì)

關(guān)于安全，不存在無緣由的風(fēng)險(xiǎn)。如材料在長時(shí)間使用下老化，絕緣降級，雖未體現(xiàn)在法規(guī)要求下，但整車廠需貫穿整個壽命周期和使用場景對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮。更進(jìn)一步而言，在做整車電安全驗(yàn)證測試時(shí)，建議在最嚴(yán)酷的條件下展開。

圖7 絕緣失效分類

3）IDM整車系統(tǒng)布置

結(jié)合相關(guān)整車廠家及供應(yīng)商的專利說明，在IDM設(shè)計(jì)過程中，主要解決如何定位故障點(diǎn)、如何判斷絕緣故障正負(fù)極性、如何解決雜散電容對監(jiān)測帶來的影響、如何校核IDM是否失效問題等等。

目前國內(nèi)，普遍通過集成方式（如BMS）將IDM布局于高壓網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步將相關(guān)電路（如電壓檢測）功能復(fù)用。不論是基于成本，亦或是出于功能安全考慮，IDM作為重要的電氣安全設(shè)計(jì)措施之一，獨(dú)立模塊布置或集成設(shè)計(jì)，均需要考慮IDM失效時(shí)的系統(tǒng)措施以及作為B級電壓部件的安全考慮。

另外，GB／T18487．1－2015規(guī)定直流充電時(shí)，充電機(jī)需具備絕緣監(jiān)測，則要求車輛IDM和充電機(jī)的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)需相互協(xié)調(diào)配合，分時(shí)控制，避免充電時(shí)相互影響，導(dǎo)致誤報(bào)警。

總結(jié)

整車絕緣電阻不僅僅是一個動態(tài)量值，同時(shí)也是一種衡量高壓系統(tǒng)受破壞程度的維度，配置IDM對于電氣安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要，作為整車層面不能繞開的系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)，需要審慎設(shè)計(jì)與選擇，以期達(dá)到最優(yōu)化方案。

來源：第一電動網(wǎng)