了解故障检测方法和潜在挑战

作者：Sensata Technologies高压传感总工程师Matt Birnie
 
尽管电动汽车在美国的销售表现不如他们曾经过高的预期，但它们的持续扩张和成熟促使监管机构对围绕它们的各种安全标准和相应的充电基础设施更加具体。
一个仍然适合继续进行监管改革的领域是电动汽车和充电站的绝缘监测（也称为隔离监测）。
在高压系统中，电气隔离是通过使用非导电屏障来实现的，如电缆上的绝缘、组件上的塑料外壳和物理距离。隔离故障意味着存在一个电阻路径，允许过大的电流流向不应该流向的地方。快速确定故障发生的时间至关重要，因为它会给人类带来触电死亡的风险。
在高压系统中，隔离通常以欧姆/伏特表示，其中隔离电阻除以大系统电压。因此，所需的电阻量随着整体系统电压的增加而增加。小绝缘电阻的典型行业标准是100欧姆/伏。

什么是绝缘监测？

顾名思义，绝缘监测器监测浮动高压系统与车辆底盘或充电站框架之间的电阻。它基本上确保了有人可以安全地触摸电动汽车的门或充电站的把手，而不会暴露在高压下。这种持续监测对于此类系统的安全至关重要，因为即使是单一故障也会对与这些系统接触的人员造成危害。
在标准IT电源系统中，电源端子和机箱之间的电阻连接可以在数学上组合为“隔离电阻”，表示从电源端子到机箱的所有电阻路径的并联组合。这些在图1中显示为Rp和Rn。电压Vp和Vn均等于电池电压的一半，在具有适当隔离的系统正常运行期间也是如此。
在电动汽车和充电站内，系统内组件的高频切换会对电源轨产生电磁干扰和高频干扰，也称为共模噪声。为了满足标准规定的相关电磁干扰限制——确保设备和系统之间的无干扰——工程师通常会集成Y电容器来抑制这种干扰。
电动汽车或充电站中的总电容由有意设计的Y电容器和金属外壳、冷却系统和相关结构形成的寄生电容决定。这些寄生电容值的变化可以用作此类系统运行状态的指示之一，包括与冷却和电子测量相关的状态。源极端子和地之间的有意Y电容和寄生电容的总和如图1中的Cp和Cn所示。
以这种方式总结复杂的电动汽车和充电站架构有助于理解IMD负责监测的参数。


图1：广义IT电源系统

IT电源系统故障类型

当存在允许过大电流流向不应流向的电阻路径时，就会发生电阻故障。如果发生电阻故障（将其中一个隔离电阻推到100欧姆/伏以下），如果有人接触到故障电阻器对面的端子，则有可能发生危险。在这种情况下，他们将关闭电路，并允许潜在致命的电流流过他们的身体（图2）。这被称为“不对称”断层。电阻故障也可能同时发生在电路的正极和负极，这被称为“对称”或“双重”隔离故障。


图2：不对称电阻故障导致人类处于危险状态
电阻故障可能由多种因素引起。一些更常见的原因包括：

• 车辆碰撞——碰撞产生的巨大冲击可能会导致几个电阻故障。这些包括车辆框架变形、高压结构损坏或内部电池部件松动。
• 高压连接器故障——随着时间的推移或误用，连接器内的物理屏障安装不正确或损坏，可能会为需要检测的电流产生泄漏路径。
• 人为错误——在维修车辆或充电站时，安装不正确或根本没有重新安装的零件可能会导致意外的电流。
• 腐蚀——随着时间的推移，隔离架逐渐劣化或高压电缆磨损。
• 污染——导电材料的异物会在高压系统和车辆底盘或充电站之间形成连接。这种连接也可能是由冷凝、烟雾或电池泄漏等异物造成的。

除了电阻性故障外，系统中还可能出现电容性故障。虽然还不需要国际标准进行监测，但这种危险可能是由于系统电容器中储存的能量过多造成的。电气子系统内的故障、冷却液泄漏或不正确的维修可能会改变设计的电容值。在这种情况下，通过人体释放的能量会造成危险事件，如图3所示。储存的能量以及随后的危险严重程度随着系统电压的增加呈指数级增长。例如，从400V电池到800V电池，其Y电容器中存储的能量增加了四倍。
 

图3：浮动式高压系统中的电容性故障状态

故障检测方法

目前有几种策略用于监测未接地高压系统的隔离状态。有些比其他更有能力，技术选择是基于系统设计者在成本和能力之间的平衡。
电压测量方法——这是检测隔离故障的简单方法。在这种方法中，每个电源极和底盘之间的电压测量用于检测由于两个电压Vp和Vn之间的不平衡而导致的隔离故障。然而，由于这种方法无法检测对称故障，其有效性受到限制。此外，这种方法容易受到共模噪声的影响，无法检测电容性故障。
电阻切换法——在这种方法中，已知的电阻器与系统中已经存在的隔离电阻（Rp和Rn）并联插入。这些如图4所示，标记为R0p和R0n，并通过IMD控制的开关连接到系统。这些电阻器以周期性间隔交替插入系统，以产生小干扰。这些干扰使IMD能够测量电压的微小变化，并确定整体系统电阻。这种方法的核心挑战是，插入系统的电阻器通常需要在100至500Ω/V范围内才能达到精度和性能目标。这正是系统隔离变得危险的范围，这意味着在测量期间（插入其中一个电阻器时），系统可能变得不安全。它也没有测量系统电容的能力，需要一定程度的整体系统电压稳定性才能获得准确的测量结果。然而，如果实施得当，这种方法可以是一种经济高效的绝缘监测方法，目前在许多应用中都有使用。


图4：电阻切换方法示意图
信号注入法——如名称所示，在这种方法中，通过向电路的正负分支注入小电压，在系统中产生必要的干扰。该激励电压如图5所示，分别为Vep和Ven。系统的响应是整个系统负载的函数，系统响应的变化可用于确定其状态。这种方法允许检测不对称和对称故障，而不会在测量过程中引入潜在的危险情况，如电阻切换法所示。其他优点包括能够在电池未连接时测量系统电阻，以及对电池电压变化的鲁棒性。挑战包括与信号生成硬件和开发固件相关的成本，以破译系统对合成电阻值的响应。


图5：信号注入方法示意图

Sensata的专利信号注入方法

正如在电阻切换方法的描述中提到的，在稳定状态下精确测量IT系统中的电阻是非常困难的。因此，需要一个小的干扰来产生可以在一致的基础上测量的系统响应。
与大多数使用信号注入方法的IMD一样，Sensata的SIM系列IMD通过隔离电阻器向正负高压轨道注入小电压来产生这种干扰。注入脉冲在设定的时间段内在正轨道和负轨道之间交替。电压如何返回IMD是系统电阻和电容的函数，可以建模为RC曲线。可以调整这些脉冲的持续时间和幅度，使其与系统电压和总电容紧密匹配，从而对系统的代表性RC曲线进行精确建模。
Sensata的SIM系列IMD使用专利算法对RC曲线进行建模，不仅推断出系统正负侧的合成电阻，还推断出系统的总电容。该算法还输出测量的实时不确定度。


图6：使用高级IMD固件将系统电阻和电容建模为RC曲线
回想一下，信号注入方法的关键优势之一是能够在没有高电压的情况下确定系统的安全性。（例如，在电动汽车上的主接触器闭合之前或在充电电缆连接到车辆之前。）这是可能的，因为这种IMD可以产生自己的激励电压。Sensata的SIM系列集成了其他几个功能，从而巩固了这一关键优势：

• 高压系统正极或负极故障位置的识别
• 电容故障监测和整个系统电容测量
• 测量不确定度输出

未来IMD法规

随着电动汽车和充电站的不断发展和功率的增加，法规将继续变化，以确保这些系统的安全。IMD将被要求更准确，响应更快，并提供更多信息，而不仅仅是确定系统阻力。未来监管的两个领域是电容监测和测量时间。
兆瓦级及以上的充电将需要充电器和车辆侧的系统电容大幅增加，以适应增加的电力需求。这种大电容与未来超过1000V的充电电压相结合，将产生大量储存的能量，可能需要对其进行安全监测。能够准确测量这种电容，并在出现不符合规格的情况时迅速做出反应，是确保这些系统在如此高的功率水平下保持安全运行的关键。
除了更多的电力，客户也一直在寻求更快的车辆充电时间。当将车辆连接到充电站时，现行法规要求充电站IMD在允许电池充电之前确定系统的安全性。这可能需要几秒钟或几分钟的时间，特别是如果选择的IMD技术很慢，需要系统通电才能确定其安全性。要求IMD在不打开系统电源的情况下更快地执行隔离检查是未来隔离监测规范的一个潜在补充。
绝缘监测技术正在成为一个有趣的创新技术领域，随着法规的成熟和系统变得更加复杂和强大，它将继续发展。今天。使用信号注入方法的IMD可以满足这些领域的任何未来法规，因为该技术灵活、可扩展，并且由能够适应新需求和规范的固件控制。在我们追求一个更加电气化的世界时，确保我们高压系统周围的每个人都是安全的，将保障他们的持续增长和创新。
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