电动客车高压安全监测模块设计

徐 彪, 刘 涛, 魏 琳, 魏洋洋

(中通客车控股股份有限公司， 山东 聊城 252000)

电动客车的高压安全是整车安全内容的重点之一，随着电动车辆的大量普及，高压安全问题导致的事故也随之增多[1-2]。因此，随着电动汽车产业化进程的推进，对电动汽车电安全的研究刻不容缓[3]。为了减少电动客车安全事故的发生，需要针对高压电安全问题建立一套完善的管理策略，对绝缘故障、短路故障等进行实时诊断，以便在高压电系统故障发生前或发生时能自动采取有效的保护措施[4]。本文基于高压集成控制系统设计一种高压安全监测模块，通过对高压部件及节点全生命周期内的全范围安全监控，可实现对高压器件的工作状态进行判断，从而保障整车高压用电的安全性。

1 高压安全监测模块整体设计

高压安全监测模块内置于高压集成控制系统内，如图1所示。虚线框内的模块及节点的组合构成电动客车用高压集成控制系统。其中高压安全监测模块采集系统内各支路、部件和连接节点相关性能参数，通过内部控制器对参数计算分析，及时发现系统内故障点，实现对高压系统全方面、全生命周期的安全监控[5-10]。

图1 电动客车高压架构图

1.1 高压安全监测模块的功能

高压安全监测模块内置于电动客车用高压集成控制系统内，主要用于高压零部件的状态监控和整车绝缘检测，能够实时监控高压零部件的工作异常，适时预警，该模块应具备如下主要功能：绝缘电阻检测及预警；接触器、熔断器工作(故障)状态实时监控及预警；高压支路负载功率实时检测及高压端子温度检测与预警；环境温度检测与充电冗余监测保护。

1.2 高压安全监测模块的检测原理

为实现高压安全监测模块的上述功能，在高压集成控制系统回路中设置电压、电流、温度信号采样点，通过内置算法和控制逻辑将采集信号转换为回路中对应高压零部件、负载功率、绝缘阻值和环境温度的状态参数，实现对高压集成控制系统的安全监控及预警，同时可将设定的故障信号通过CAN总线播报传递给整车控制器。图2为高压安全监测模块的检测原理示意图，其中各支路电压采集点传感器连接高压安全监测模块对应脚位，FU1～FUn为被监测支路高压熔断器，K1～K4为被监测支路高压接触器。

图2 高压安全监测模块的检测原理示意图

1.3 高压安全监测模块结构组成

电动客车用高压安全监测模块如图3所示，其内部结构包括微控制器、信号采集单元、AD转换单元、电源单元、通讯单元、绝缘检测单元。

图3 高压安全监测模块内部单元示意图

1) 微控制器用于电信号的计算、控制及故障诊断，微控制器与AD转换单元、电源单元、通讯单元、绝缘检测单元连接。

2) 信号采集单元包括多路电压、多路端子温度、多路电流采集和1路环境温度采集，同时各信号采集均可扩展接口。

3) AD转换单元与信号采集单元和微控制器连接，用于将信号采集单元的模拟信号转换为数字信号传递给微控制器。

4) 电源单元与微控制器和外部24 V电源连接，用于供给模块工作压电。

5) 通讯单元与微控制器和整车控制器连接，用于信号的共享与控制，通过CAN总线与整车控制器(VCU)、电池系管理统(BMS)进行信息交互，并将故障信息实时上报VCU。

6) 绝缘检测单元与微控制器连接，用于执行绝缘监控功能，检测并测量高压系统对地绝缘电阻值。

2 高压安全监测模块关键设计

2.1 绝缘检测设计

绝缘检测作为高压安全监测模块的内置单元之一，其采用低频信号交流电流注入法，产品内部生成激励脉冲，在高压系统和车身之间正负脉动，从而形成正负脉动的响应信号，当被测对象Rd不同时，响应信号与被测对象Rd之间呈现一定的数学关系，从而可以计算得出被测对象Rd。

图4 绝缘检测原理图

其原理图如图4所示，绝缘检测仪等效内阻很高，测量回路与主电路之间的等效内阻≥2.3 MΩ，测量回路与主电路单端等效内阻≥4.7 MΩ，故检测仪进行测量时对主电路的扰动小，避免因为测量电路的接入而导致系统绝缘电阻下降，产生安全隐患；可检测并测量出正端接地、负端接地、电池组内部接地和多重接地时的对地绝缘电阻，当发生多重接地时，检测的电阻值为等效并联电阻值；绝缘检测模块具备滤波Y 电容自适应功能；内置直流高压测量的电路，在进行绝缘检测时，同步测量直流高压。

2.2 电压信号采集设计

如图5所示，图中电压检测模块集成电压采集、AD转换单元和微控制器。电压检测模块实时采集接触器和熔断器的前后端电压，与高压电源的正负极取样电压进行对比，判断接触器和熔断器的导通状态；与VCU对接触器的开闭状态控制指令进行对比，从而判断是否存在故障，如表1所示。高压安全监测模块与BMS进行CAN通讯，两者可相互校验高压电源正负极电压数据的准确性；在接触器粘连故障前，微控制器可通过记录接触器电压变化次数统计接触器机械寿命。

高压电源电压为：V1=VHV+1-VHV-；接触器电压为：V2=VHV+2-VHV-；熔断器电压为：V3=VHV+3-VHV-。其中，高压电源的正极取样电压为VHV+1，接触器的后端取样电压为VHV+2，熔断器的取样电压为VHV+3，高压电源的负极采样电压为VHV-。图5和表1所述分别为单支路的电压采样原理和状态诊断表，对于高压集成控制系统内的多支路与此方法雷同，本文不再赘述。

图5 电压采样原理图

采样电压接触器熔断器接触器闭合指令故障接触器断开指令故障V1=V2=V3导通导通无故障接触器粘连V1=V2;V3=0导通断路断路器故障接触器粘连;熔断器故障V1;V2=V3=0断路—接触器故障无故障

2.3 电流信号采集设计

通过在高压集成控制系统配电支路上设置的电流传感器，用于同步测量如图2所示的多路电流。适配 5 V 供电的电压输出型电流传感器， 传感器输出信号范围 0～5 V，如DHAB_S24，根据各支路负载功率需求选用不同的电流通道量程。通过记录各支路瞬时电流，清楚地掌握各支路的能量流向，为统计各支路电耗提供数据支撑。

2.4 充电冗余监测设计

为实现充电过程冗余监测功能，利用高压安全监测模块采集电流、电压、温度等参数，计算充电瞬时功率、总能量，同BMS播报出的CAN总线数据做冗余保护，进一步避免动力电池在充电过程中的过充、热失控等异常或者事故的发生。其中，温度参数采集采用NTC热敏电阻，实时检测高压集成控制系统回路中大电流端子的温度，微控制器内设定温度阈值并预警。

3 结束语

电动客车高压安全监测模块能帮助车辆使用人员及时获取车辆高压状态信息，可根据故障报警快速定位系统内故障点。为整车全范围高压安全监测提供保障。另外，还能帮助整车开发者充分了解整车的能量流分配，对优化整车能量分配策略和节能降耗有重要指导意义；能记录接触器真实工作寿命，为选择接触器产品和提升高压集成控制系统可靠性提供数据支撑；能实现高压集成控制系统的全范围、全生命周期监测，节省公用电路的成本。