電動客車高壓安全監測模塊設計

徐 彪, 劉 濤, 魏 琳, 魏洋洋

(中通客車控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

電動客車的高壓安全是整車安全內容的重點之一，隨著電動車輛的大量普及，高壓安全問題導致的事故也隨之增多[1-2]。因此，隨著電動汽車產業化進程的推進，對電動汽車電安全的研究刻不容緩[3]。為了減少電動客車安全事故的發生，需要針對高壓電安全問題建立一套完善的管理策略，對絕緣故障、短路故障等進行實時診斷，以便在高壓電系統故障發生前或發生時能自動采取有效的保護措施[4]。本文基于高壓集成控制系統設計一種高壓安全監測模塊，通過對高壓部件及節點全生命周期內的全范圍安全監控，可實現對高壓器件的工作狀態進行判斷，從而保障整車高壓用電的安全性。

1 高壓安全監測模塊整體設計

高壓安全監測模塊內置于高壓集成控制系統內，如圖1所示。虛線框內的模塊及節點的組合構成電動客車用高壓集成控制系統。其中高壓安全監測模塊采集系統內各支路、部件和連接節點相關性能參數，通過內部控制器對參數計算分析，及時發現系統內故障點，實現對高壓系統全方面、全生命周期的安全監控[5-10]。

圖1 電動客車高壓架構圖

1.1 高壓安全監測模塊的功能

高壓安全監測模塊內置于電動客車用高壓集成控制系統內，主要用于高壓零部件的狀態監控和整車絕緣檢測，能夠實時監控高壓零部件的工作異常，適時預警，該模塊應具備如下主要功能：絕緣電阻檢測及預警；接觸器、熔斷器工作(故障)狀態實時監控及預警；高壓支路負載功率實時檢測及高壓端子溫度檢測與預警；環境溫度檢測與充電冗余監測保護。

1.2 高壓安全監測模塊的檢測原理

為實現高壓安全監測模塊的上述功能，在高壓集成控制系統回路中設置電壓、電流、溫度信號采樣點，通過內置算法和控制邏輯將采集信號轉換為回路中對應高壓零部件、負載功率、絕緣阻值和環境溫度的狀態參數，實現對高壓集成控制系統的安全監控及預警，同時可將設定的故障信號通過CAN總線播報傳遞給整車控制器。圖2為高壓安全監測模塊的檢測原理示意圖，其中各支路電壓采集點傳感器連接高壓安全監測模塊對應腳位，FU1～FUn為被監測支路高壓熔斷器，K1～K4為被監測支路高壓接觸器。

圖2 高壓安全監測模塊的檢測原理示意圖

1.3 高壓安全監測模塊結構組成

電動客車用高壓安全監測模塊如圖3所示，其內部結構包括微控制器、信號采集單元、AD轉換單元、電源單元、通訊單元、絕緣檢測單元。

圖3 高壓安全監測模塊內部單元示意圖

1) 微控制器用于電信號的計算、控制及故障診斷，微控制器與AD轉換單元、電源單元、通訊單元、絕緣檢測單元連接。

2) 信號采集單元包括多路電壓、多路端子溫度、多路電流采集和1路環境溫度采集，同時各信號采集均可擴展接口。

3) AD轉換單元與信號采集單元和微控制器連接，用于將信號采集單元的模擬信號轉換為數字信號傳遞給微控制器。

4) 電源單元與微控制器和外部24 V電源連接，用于供給模塊工作壓電。

5) 通訊單元與微控制器和整車控制器連接，用于信號的共享與控制，通過CAN總線與整車控制器(VCU)、電池系管理統(BMS)進行信息交互，并將故障信息實時上報VCU。

6) 絕緣檢測單元與微控制器連接，用于執行絕緣監控功能，檢測并測量高壓系統對地絕緣電阻值。

2 高壓安全監測模塊關鍵設計

2.1 絕緣檢測設計

絕緣檢測作為高壓安全監測模塊的內置單元之一，其采用低頻信號交流電流注入法，產品內部生成激勵脈沖，在高壓系統和車身之間正負脈動，從而形成正負脈動的響應信號，當被測對象Rd不同時，響應信號與被測對象Rd之間呈現一定的數學關系，從而可以計算得出被測對象Rd。

圖4 絕緣檢測原理圖

其原理圖如圖4所示，絕緣檢測儀等效內阻很高，測量回路與主電路之間的等效內阻≥2.3 MΩ，測量回路與主電路單端等效內阻≥4.7 MΩ，故檢測儀進行測量時對主電路的擾動小，避免因為測量電路的接入而導致系統絕緣電阻下降，產生安全隱患；可檢測并測量出正端接地、負端接地、電池組內部接地和多重接地時的對地絕緣電阻，當發生多重接地時，檢測的電阻值為等效并聯電阻值；絕緣檢測模塊具備濾波Y 電容自適應功能；內置直流高壓測量的電路，在進行絕緣檢測時，同步測量直流高壓。

2.2 電壓信號采集設計

如圖5所示，圖中電壓檢測模塊集成電壓采集、AD轉換單元和微控制器。電壓檢測模塊實時采集接觸器和熔斷器的前后端電壓，與高壓電源的正負極取樣電壓進行對比，判斷接觸器和熔斷器的導通狀態；與VCU對接觸器的開閉狀態控制指令進行對比，從而判斷是否存在故障，如表1所示。高壓安全監測模塊與BMS進行CAN通訊，兩者可相互校驗高壓電源正負極電壓數據的準確性；在接觸器粘連故障前，微控制器可通過記錄接觸器電壓變化次數統計接觸器機械壽命。

高壓電源電壓為：V1=VHV+1-VHV-；接觸器電壓為：V2=VHV+2-VHV-；熔斷器電壓為：V3=VHV+3-VHV-。其中，高壓電源的正極取樣電壓為VHV+1，接觸器的后端取樣電壓為VHV+2，熔斷器的取樣電壓為VHV+3，高壓電源的負極采樣電壓為VHV-。圖5和表1所述分別為單支路的電壓采樣原理和狀態診斷表，對于高壓集成控制系統內的多支路與此方法雷同，本文不再贅述。

圖5 電壓采樣原理圖

采樣電壓接觸器熔斷器接觸器閉合指令故障接觸器斷開指令故障V1=V2=V3導通導通無故障接觸器粘連V1=V2;V3=0導通斷路斷路器故障接觸器粘連;熔斷器故障V1;V2=V3=0斷路—接觸器故障無故障

2.3 電流信號采集設計

通過在高壓集成控制系統配電支路上設置的電流傳感器，用于同步測量如圖2所示的多路電流。適配 5 V 供電的電壓輸出型電流傳感器， 傳感器輸出信號范圍 0～5 V，如DHAB_S24，根據各支路負載功率需求選用不同的電流通道量程。通過記錄各支路瞬時電流，清楚地掌握各支路的能量流向，為統計各支路電耗提供數據支撐。

2.4 充電冗余監測設計

為實現充電過程冗余監測功能，利用高壓安全監測模塊采集電流、電壓、溫度等參數，計算充電瞬時功率、總能量，同BMS播報出的CAN總線數據做冗余保護，進一步避免動力電池在充電過程中的過充、熱失控等異?；蛘呤鹿实陌l生。其中，溫度參數采集采用NTC熱敏電阻，實時檢測高壓集成控制系統回路中大電流端子的溫度，微控制器內設定溫度閾值并預警。

3 結束語

電動客車高壓安全監測模塊能幫助車輛使用人員及時獲取車輛高壓狀態信息，可根據故障報警快速定位系統內故障點。為整車全范圍高壓安全監測提供保障。另外，還能幫助整車開發者充分了解整車的能量流分配，對優化整車能量分配策略和節能降耗有重要指導意義；能記錄接觸器真實工作壽命，為選擇接觸器產品和提升高壓集成控制系統可靠性提供數據支撐；能實現高壓集成控制系統的全范圍、全生命周期監測，節省公用電路的成本。