国标18384中明确定义了高压,就是直流电大于60V且小于1500V,交流电大于30V且小于1000V,这是B级电压,就是通常说的新能源汽车的高压,这种电压会对人产生肌肉收缩、血压上升、呼吸困难甚至死亡,所以就带来了一个安全的问题。安全问题涉及面较广,包括车辆生产、使用、维修等都会给人带来触电的危险,所以简单地说,高压安全技术就是防止高压对人造成伤害的技术。
新能源汽车的绝缘状况以直流正、负母线搭铁(车身)的绝缘电阻来衡量。电动汽车的国际标准规定:绝缘电阻值R除以电动汽车直流系统标称电压 U ,结果应大于100Ω/V,才符合安全要求。
电气系统是新能源汽车的重要组成部分,根据不同用途,新能源汽车的电气系统通常分为低压系统和高压系统。前者为车辆的中央控制器和灯光、刮水器等提供电能,一般采用直流12V或24V电源,车用低压系统的设计与结构布置采用相应的规范与标准,技术成熟、可靠性高;后者为车辆的驱动电机等大功率部件提供电能。
新能源汽车高压系统主要由慢充系统、DC/DC变换器、MCU和驱动电动机、车载充电机、高压分配盒、空调系统、连接电缆等电气设备组成,如图1-45红色部件及连接电缆所示。
新能源汽车的高压一般为直流100V以上,采用较高的电压规范,减小了电气设备的工作电流、降低了电气设备和整车集成的重量。但是,较高的工作电压对高压系统与车辆底盘之间的绝缘性能提出了更高的要求。高压电缆线绝缘介质老化或受潮湿环境影响等因素都会导致高压电路和车辆底盘之间的绝缘性能下降,电源正、负极引线将通过绝缘层和底盘构成漏电流回路,使底盘电位上升,不仅会危及乘客的人身安全,而且会影响低压电气和车辆控制器的正常工作。当高压电路和底盘之间发生多点绝缘性能严重下降时,还会导致漏电回路的热积累效应,可能会造成车辆的电气火灾。因此,实时、定量地检测高压电气系统相对车辆底盘的电气绝缘性能,对保证乘客安全、电气设备正常工作和车辆安全运行具有重要意义。
图1-45 新能源高压部件及连接结构
图1-46 新能源汽车桥式电阻法绝缘监测电路结构
对于封闭回路的高压直流电气系统,其绝缘性能通常用电气系统中电源搭铁漏电流的大小来表征。现在普遍使用3种漏电电流检测的方法:辅助电源法、电流传感法和桥式电阻法。本文重点介绍桥式电阻法。
图1-46所示为桥式电阻法绝缘电阻监测电路, A 点与慢充系统正极相连, B 点与慢充系统负极相连, O 点与车辆底盘相连。 U o 为慢充系统高压电源的输出电压, R g1 、 R g2 分别为高压电源正、负极引线对底盘的等效绝缘电阻,此电阻的数值不是固定的,是随着环境等因素而变化的, R 为限流电阻,可以取一个合适的较大数值,如取 R =51kΩ。 T 1 、 T 2 为电子控制开关管。
控制单元通过 T 1 和 T 2 让其导通与关断,改变点 A (慢充系统正极连接点)和点 B (慢充系统负极连接点)之间的等效电阻和慢充系统电源的输出电流 I ,根据为慢充系统高压电源的输出电压 U o 、慢充系统电源的输出电流 I 和等效电阻之间的关系,便可以计算出等效绝缘电阻 R g1 和等效绝缘电阻 R g2 的阻值。
图1-47所示为电动汽车绝缘电阻检测原理,图中 R C1 、 R C2 的标准阻值为51kΩ,其监测的工作原理如下:
图1-47 新能源汽车桥式电阻法绝缘监测电路结构
相对电压 U o 而言,开关管 T 1 和 T 2 的导通电压很小,可以忽略不计。在电动汽车运行过程中,电压 U o 不是恒定不变的,其读数需要和电流 I 同时采集。
1)当 T 1 导通、 T 2 关断时,桥式电路的等效形式为 R g1 与 R C1 并联后与 R g2 串联,如图1-48所示,这时,电源电压为 U 01 、电流为 I 1 :
图1-48 T 1 导通、 T 2 关断时的等效形式
2)当 T 2 导通、 T 1 关断时,桥式电路的等效形式为 R g2 与 R C2 并联后与 R g1 串联,如图1-49所示,这时,电源电压为 U 02 、电流为 I 2 :
图1-49 T 2 导通、 T 1 关断时的等效形式
当高压电源正、负极引线对底盘绝缘性能较好,满足 R g1 >10 R c1 、 R g2 >10 R c2 时,可以做以下近似处理:
R g1 R c1 /( R g1 + R c1 )≌ R C1
R g2 R c2 /( R g2 + R c2 )≌ R C2
由以上2个可得到:
R g1 = U 02 / I 2 - R C1
R g2 = U 01 / I 1 - R C2
3)如果绝缘电阻 R g1 、 R g2 之和小于250kΩ,说明电流 I 大于2mA,则 T 1 和 T 2 同时关断,电源的正、负极引线对底盘的绝缘性能都不好,检测系统不再单独检测 R g1 和 R g2 ,并立即发出警告信号,同时VCU停止慢充系统上电。