浅析导致整车绝缘监测仪报出绝缘故障的典型原因
1 引言
相比于传统汽车，新能源汽车的典型特征为增加了整车高压回路：动力电池，高压配电柜，充电回路，高压负载。其中，高压负载主要包括电驱动系统、电动空调、电动助力转向油泵系统、电动空压机系统、高压转24v的dc/dc、电暖风、电除霜等，详见图1所示。（注：图1仅为整车高压回路示意图，回路中的接触器、充电接口等均未体现）
图1电动汽车高压回路简图
本文主要包括四个方面：
（1） 实车案例现象及问题解析；
（2） 国标及整车厂对新能源汽车整车绝缘要求；
（3） 绝缘检测仪基本原理；
（4） y电容对绝缘监测的影响；
（5） 整车各高压零部件对y电容的分配原则；
2 实车案例现象描述及问题解析
案例现象描述：
现象一：部分车辆在长时间停放（断高低压）后，初次上电时，整车报绝缘故障；但是，绝缘阻值会在几秒内从报警值瞬间恢复到正常值。
现象二：部分车辆在长时间停放（断高低压）后，初次上电时，仪表显示整车绝缘阻值在10~40kω，仪表报出——整车绝缘故障，无法上高压；若此时关钥匙开关，立刻重新上电，则仪表不再报整车绝缘故障，整车绝缘阻值恢复正常。
现象三：部分车辆上电时，整车报绝缘故障；整车绝缘阻值过低。重新上下电后，依然报整车绝缘故障。
问题排查过程：
（1） 考虑到绝缘监测仪实时监测整车直流母线处的绝缘阻值，因此整车绝缘故障问题排查应从高压回路所有零部件直流侧绝缘阻值测量开始。
（2） 排除法：逐个断开高压负载零部件后，整车上电，观察仪表是否报绝缘故障；
（3） 绝缘电阻测量法：采用摇表或绝缘表逐个测量高压负载零部件的高压直流输入侧绝缘阻值；
（4） 采用排除法时，发现将某两个零部件中的任何一个直流供电线缆从整车高压回路断开后，整车不再报绝缘故障；因此，将问题点定位在此两个零部件上。
（5） 采用绝缘电阻测量法时，发现此两个零部件的绝缘电阻测量过程存在一个共同点：采用摇表或绝缘表测此零部件绝缘阻值时，零部件绝缘阻值从小逐渐变大，最后稳定在可接受的绝缘阻值上，且初始绝缘阻值很小。
（6） 第（5）步骤中的测量结果极其类似于电容的充电过程，因此联系供应商分析其内部电路原理，并现场对此两个零部件的直流输入侧高压正对地和高压负对地的电容值进行测量，测量结果示例见图2。
(a)零部件1：实际单边y电容1.5uf （x电容的存在影响测量结果）
(b)零部件2：实际单边y电容1.1uf
图2零部件y电容实测实例
结合以上问题排查过程，为了更加透彻的分析并解决此问题，我们需了解国标及整车厂对新能源汽车整车绝缘要求（见本文第3部分）；绝缘监测仪实时检测整车绝缘性能的基本原理（见本文第4部分）；分析此两个问题零部件的内部电路原理，明确问题原因（见本文第5部分）；最终，笔者提出了针对此问题，未来的工作重点及建议（见本文第6部分）。
3 国标及整车厂对新能源汽车整车绝缘要求
gb/t 18384 《电动汽车 安全要求》分为三个部分：车载可充电储能系统（reess）、操作安全和故障防护、人员触电防护；该标准规定了电动汽车所特有的b级电压驱动电路系统的车载可充电储能系统（reess）、电动汽车电力驱动系统和传导连接的辅助系统（如果有）的安全要求，以保护车辆内外的人员安全。其中，根据电动汽车最大工作电压u，将电气元件或电路分为以下等级，见表1所示。
表1电动汽车电压等级
电压等级 最大工作电压
直流 交流（rms）
a 0＜u≤60 0＜u≤30
b 60＜u≤1500 30＜u≤1000
考虑人员安全，gb 4943.1规定流过人体的交流电流不应超过5ma，因此必须对电动汽车的b级电压电路进行防护措施，整车b级电压电路需要满足绝缘要求。gb/t 18384. 3-2015绝缘电阻要求通则：在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值应至少大于100ω/v，交流电路应至少大于500ω/v。例如，当前新能源客车最高工作电压在750vdc左右时，考虑裕量等因素，其直流绝缘电阻至少应大于100kω。因此，客车整车厂对直流母线处绝缘电阻值的要求应至少大于100kω；其它车型绝缘电阻的要求亦可根据以上通则而定。
4 绝缘检测仪基本原理
绝缘监测仪的作用：实时监测整车高压直流系统正负母线对底盘地的绝缘阻值，并在实测绝缘阻值低于整车设置值时，发出预定的报警信号或执行预定的保护操作，以达到保证人员和车辆安全运行的目的。
绝缘监测仪的基本工作原理：当前，绝缘监测仪大多采用自适应低频电压方波监测法，其工作原理见图3。由图3可知，绝缘监测仪内部的方波信号发生器发出低频电压方波信号，此方波信号通过精密监测电阻rm、大电阻ra、高压正负线缆l+和l-、直流高压系统和底盘之间的绝缘电阻rf，形成绝缘监测闭合回路。检测的rm两端电压um与绝缘电阻rf之间存在确定关系，在得到um后可通过查表或计算求出绝缘电阻rf的阻值。
图3绝缘监测仪工作原理简图
5 y电容对绝缘监测的影响
y电容简介：y电容和x电容同属于安规电容，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全的安全电容器。出于对安全和emc性能的考虑，一般将安规电容放在电源入口处，从而达到抑制emi传导干扰的作用。 x电容和y电容的定义和作用见图4。
图4安规电容简介
图5为典型电源电路输入端的电磁兼容防护措施电路图。图5中，c1和c2为y电容，c3为x电容。从y电容的定义及图5举例可知，其连接的位置十分关键，即y电容间接将电源与地接通；因此，必须严格限制y电容的漏电流，防止引起设备漏电或机壳带电，从而危及人身安全及生命。
图5 典型电源电路输入端的电磁兼容防护措施电路图
y电容对绝缘监测的影响：如上文所述，y电容的加入导致电源与底盘地之间增加了一条电气通道，此通道的存在必然降低电源对地的绝缘性能；同时，也会影响到绝缘监测仪对整车高压直流处绝缘性能的判断，参看图6。
图6 直流母线侧加入y电容后，绝缘监测等效电路图
如图6所示，rf表示高压系统与底盘地之间的等效绝缘电阻，cy表示高压系统与底盘之间的等效泄漏电容，绝缘监测仪检测到的整车绝缘电阻等于cy的阻抗和rf并联的结果。当cy在充电的时候，其阻抗非常小，相当于给绝缘电阻rf并联一个小电阻，整车绝缘电阻≤cy阻抗，即整车绝缘电阻会被拉低。当cy充满电后，其阻抗无穷大，此时根据并联计算公式得出：整车绝缘电阻≈rf。因此，整车会出现上文所述的现象一和现象二；但是，随着cy的增加，其等效阻值越小，则整车稳定状态的绝缘电阻= rf//cy阻抗（随着cy的增加，高压直流电源经过cy流入底盘的漏电流增加），则会导致如上文所述现象三的严重情况。
综上所述，当整车高压直流母线上增加的y电容过大时，必然会影响整车绝缘监测仪的判断，出现仪表报出整车绝缘故障问题。高压直流母线上的y电容总容值越大，出现绝缘监测仪误报的情况越严重；因此，会出现“案例现象描述”中的三种依次严重的情况。
6 整车各高压零部件对y电容的分配原则
为彻底解决以上问题，笔者认为需要从以下两大方面入手。
问题一：
如上文所述，增加y电容的主要目的为：减小开关电源输入侧传导发射量，从而满足零部件emc要求；但是，整车高压直流母线上y电容容值过大，势必影响整车绝缘监测对绝缘阻值的测量结果。为此，我们亟待解决的第一个问题：整车绝缘监测仪可接受的直流母线上y电容容值为多少？
解决方案：实验测试及整车验证
针对此问题，笔者建议需要整车厂与绝缘检测仪厂家共同努力，通过实验室实验测试及整车验证的方法得出较为准确的结论。首先，整车厂应根据实际情况，给出正常情况下整车绝缘阻值范围、整车高压工作电压范围等数据，为实验验证提供数据依据。其次，绝缘监测仪厂家需根据整车厂提供数据，搭建实验平台，设定不同等级y电容，多次测试后，分析测试结果，从而给出改绝缘监测仪可接受的y电容容值范围。
问题二：
如图1所示，整车高压回路中可能增加y电容的零部件主要包括：电驱动系统控制器、电动空调dc/ac变频器、电动助力转向油泵dc/ac控制器、电动空压机dc/ac控制器、高压转24v的dc/dc等。那么，从整车厂角度出发，在确定整车可接受的y电容总容值后，又如何给各个有需求的零部件分配合理的y电容容值范围，从而对各零部件供应商提出合理要求呐？
解决方案：
针对此问题，以笔者当前的经验，提出以下三条建议：
（1）调查所有接入直流母线的零部件当前实际y电容的大小，作为数据统计及后续实车问题排查的依据；并从中寻找规律作为制定分配原则的依据。
（2）gb/t 18384.3-2015中规定：任何带电的b级电压带电部件和电平台之间的总电容在其最大工作电压时所存储的能量应小于0.2j。笔者认为此条规定可最为限定y电容大小的边界条件之一。
图7 gjb 151b-2013对海军军品滤波电容的要求
（3）图7为gjb 151b-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》关于滤波的要求。从此图可知，我国对海军军用潜艇和飞机上直流电源供电的设备，明确规定在其用户接口处，各极性电源线对地的电容量应不超过所连接负载的0.075uf/kw；为此，考虑到军工产品对技术的把控更加严格，对成本的把控要求略低的情况，笔者认为汽车零部件对y电容的限制可参考0.075uf/kw的要求，并进行适当的放宽。
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图1电动汽车高压回路简图
本文主要包括四个方面：
（1） 实车案例现象及问题解析；
（2） 国标及整车厂对新能源汽车整车绝缘要求；
（3） 绝缘检测仪基本原理；
（4） y电容对绝缘监测的影响；
（5） 整车各高压零部件对y电容的分配原则；
2 实车案例现象描述及问题解析
案例现象描述：
现象一：部分车辆在长时间停放（断高低压）后，初次上电时，整车报绝缘故障；但是，绝缘阻值会在几秒内从报警值瞬间恢复到正常值。
现象二：部分车辆在长时间停放（断高低压）后，初次上电时，仪表显示整车绝缘阻值在10~40kω，仪表报出——整车绝缘故障，无法上高压；若此时关钥匙开关，立刻重新上电，则仪表不再报整车绝缘故障，整车绝缘阻值恢复正常。
现象三：部分车辆上电时，整车报绝缘故障；整车绝缘阻值过低。重新上下电后，依然报整车绝缘故障。
问题排查过程：
（1） 考虑到绝缘监测仪实时监测整车直流母线处的绝缘阻值，因此整车绝缘故障问题排查应从高压回路所有零部件直流侧绝缘阻值测量开始。
（2） 排除法：逐个断开高压负载零部件后，整车上电，观察仪表是否报绝缘故障；
（3） 绝缘电阻测量法：采用摇表或绝缘表逐个测量高压负载零部件的高压直流输入侧绝缘阻值；
（4） 采用排除法时，发现将某两个零部件中的任何一个直流供电线缆从整车高压回路断开后，整车不再报绝缘故障；因此，将问题点定位在此两个零部件上。
（5） 采用绝缘电阻测量法时，发现此两个零部件的绝缘电阻测量过程存在一个共同点：采用摇表或绝缘表测此零部件绝缘阻值时，零部件绝缘阻值从小逐渐变大，最后稳定在可接受的绝缘阻值上，且初始绝缘阻值很小。
（6） 第（5）步骤中的测量结果极其类似于电容的充电过程，因此联系供应商分析其内部电路原理，并现场对此两个零部件的直流输入侧高压正对地和高压负对地的电容值进行测量，测量结果示例见图2。
(a)零部件1：实际单边y电容1.5uf （x电容的存在影响测量结果）
(b)零部件2：实际单边y电容1.1uf
图2零部件y电容实测实例
结合以上问题排查过程，为了更加透彻的分析并解决此问题，我们需了解国标及整车厂对新能源汽车整车绝缘要求（见本文第3部分）；绝缘监测仪实时检测整车绝缘性能的基本原理（见本文第4部分）；分析此两个问题零部件的内部电路原理，明确问题原因（见本文第5部分）；最终，笔者提出了针对此问题，未来的工作重点及建议（见本文第6部分）。
3 国标及整车厂对新能源汽车整车绝缘要求
gb/t 18384 《电动汽车 安全要求》分为三个部分：车载可充电储能系统（reess）、操作安全和故障防护、人员触电防护；该标准规定了电动汽车所特有的b级电压驱动电路系统的车载可充电储能系统（reess）、电动汽车电力驱动系统和传导连接的辅助系统（如果有）的安全要求，以保护车辆内外的人员安全。其中，根据电动汽车最大工作电压u，将电气元件或电路分为以下等级，见表1所示。
表1电动汽车电压等级
电压等级 最大工作电压
直流 交流（rms）
a 0＜u≤60 0＜u≤30
b 60＜u≤1500 30＜u≤1000
考虑人员安全，gb 4943.1规定流过人体的交流电流不应超过5ma，因此必须对电动汽车的b级电压电路进行防护措施，整车b级电压电路需要满足绝缘要求。gb/t 18384. 3-2015绝缘电阻要求通则：在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值应至少大于100ω/v，交流电路应至少大于500ω/v。例如，当前新能源客车最高工作电压在750vdc左右时，考虑裕量等因素，其直流绝缘电阻至少应大于100kω。因此，客车整车厂对直流母线处绝缘电阻值的要求应至少大于100kω；其它车型绝缘电阻的要求亦可根据以上通则而定。
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绝缘监测仪的作用：实时监测整车高压直流系统正负母线对底盘地的绝缘阻值，并在实测绝缘阻值低于整车设置值时，发出预定的报警信号或执行预定的保护操作，以达到保证人员和车辆安全运行的目的。
绝缘监测仪的基本工作原理：当前，绝缘监测仪大多采用自适应低频电压方波监测法，其工作原理见图3。由图3可知，绝缘监测仪内部的方波信号发生器发出低频电压方波信号，此方波信号通过精密监测电阻rm、大电阻ra、高压正负线缆l+和l-、直流高压系统和底盘之间的绝缘电阻rf，形成绝缘监测闭合回路。检测的rm两端电压um与绝缘电阻rf之间存在确定关系，在得到um后可通过查表或计算求出绝缘电阻rf的阻值。
图3绝缘监测仪工作原理简图
5 y电容对绝缘监测的影响
y电容简介：y电容和x电容同属于安规电容，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全的安全电容器。出于对安全和emc性能的考虑，一般将安规电容放在电源入口处，从而达到抑制emi传导干扰的作用。 x电容和y电容的定义和作用见图4。
图4安规电容简介
图5为典型电源电路输入端的电磁兼容防护措施电路图。图5中，c1和c2为y电容，c3为x电容。从y电容的定义及图5举例可知，其连接的位置十分关键，即y电容间接将电源与地接通；因此，必须严格限制y电容的漏电流，防止引起设备漏电或机壳带电，从而危及人身安全及生命。
图5 典型电源电路输入端的电磁兼容防护措施电路图
y电容对绝缘监测的影响：如上文所述，y电容的加入导致电源与底盘地之间增加了一条电气通道，此通道的存在必然降低电源对地的绝缘性能；同时，也会影响到绝缘监测仪对整车高压直流处绝缘性能的判断，参看图6。
图6 直流母线侧加入y电容后，绝缘监测等效电路图
如图6所示，rf表示高压系统与底盘地之间的等效绝缘电阻，cy表示高压系统与底盘之间的等效泄漏电容，绝缘监测仪检测到的整车绝缘电阻等于cy的阻抗和rf并联的结果。当cy在充电的时候，其阻抗非常小，相当于给绝缘电阻rf并联一个小电阻，整车绝缘电阻≤cy阻抗，即整车绝缘电阻会被拉低。当cy充满电后，其阻抗无穷大，此时根据并联计算公式得出：整车绝缘电阻≈rf。因此，整车会出现上文所述的现象一和现象二；但是，随着cy的增加，其等效阻值越小，则整车稳定状态的绝缘电阻= rf//cy阻抗（随着cy的增加，高压直流电源经过cy流入底盘的漏电流增加），则会导致如上文所述现象三的严重情况。
综上所述，当整车高压直流母线上增加的y电容过大时，必然会影响整车绝缘监测仪的判断，出现仪表报出整车绝缘故障问题。高压直流母线上的y电容总容值越大，出现绝缘监测仪误报的情况越严重；因此，会出现“案例现象描述”中的三种依次严重的情况。
6 整车各高压零部件对y电容的分配原则
为彻底解决以上问题，笔者认为需要从以下两大方面入手。
问题一：
如上文所述，增加y电容的主要目的为：减小开关电源输入侧传导发射量，从而满足零部件emc要求；但是，整车高压直流母线上y电容容值过大，势必影响整车绝缘监测对绝缘阻值的测量结果。为此，我们亟待解决的第一个问题：整车绝缘监测仪可接受的直流母线上y电容容值为多少？
解决方案：实验测试及整车验证
针对此问题，笔者建议需要整车厂与绝缘检测仪厂家共同努力，通过实验室实验测试及整车验证的方法得出较为准确的结论。首先，整车厂应根据实际情况，给出正常情况下整车绝缘阻值范围、整车高压工作电压范围等数据，为实验验证提供数据依据。其次，绝缘监测仪厂家需根据整车厂提供数据，搭建实验平台，设定不同等级y电容，多次测试后，分析测试结果，从而给出改绝缘监测仪可接受的y电容容值范围。
问题二：
如图1所示，整车高压回路中可能增加y电容的零部件主要包括：电驱动系统控制器、电动空调dc/ac变频器、电动助力转向油泵dc/ac控制器、电动空压机dc/ac控制器、高压转24v的dc/dc等。那么，从整车厂角度出发，在确定整车可接受的y电容总容值后，又如何给各个有需求的零部件分配合理的y电容容值范围，从而对各零部件供应商提出合理要求呐？
解决方案：
针对此问题，以笔者当前的经验，提出以下三条建议：
（1）调查所有接入直流母线的零部件当前实际y电容的大小，作为数据统计及后续实车问题排查的依据；并从中寻找规律作为制定分配原则的依据。
（2）gb/t 18384.3-2015中规定：任何带电的b级电压带电部件和电平台之间的总电容在其最大工作电压时所存储的能量应小于0.2j。笔者认为此条规定可最为限定y电容大小的边界条件之一。
图7 gjb 151b-2013对海军军品滤波电容的要求
（3）图7为gjb 151b-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》关于滤波的要求。从此图可知，我国对海军军用潜艇和飞机上直流电源供电的设备，明确规定在其用户接口处，各极性电源线对地的电容量应不超过所连接负载的0.075uf/kw；为此，考虑到军工产品对技术的把控更加严格，对成本的把控要求略低的情况，笔者认为汽车零部件对y电容的限制可参考0.075uf/kw的要求，并进行适当的放宽。
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Rockchip 3588 系统启动流程
操作和编程不等于贴装设备应用
浅析导致整车绝缘监测仪报出绝缘故障的典型原因
机器视觉镜头内部结构及成像原理解析
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什么是PMIC PMIC电源管理芯片典型应用案例
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浅析PWM对单路并联电流检测的影响
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AI 和工业数字化时代，开发者对 OpenUSD 满怀期待
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