陈宝丽
天津市捷威动力工业有限公司 天津300380
摘要：近年来，随着环境形势越来越严峻，世界各国都在大力推行新能源汽车，我国更是将发展新能源汽车上升为国家战略，新能源汽车产业得到快速发展。现阶段新能源汽车维修人员存在很大缺口，导致现在的新能源汽车不仅仅修不起，还有很多维修场所修不了、不敢修，尤其牵涉到动力电池。动力电池维修俨然成了行业发展的痛点。
关键词：电动汽车；电池组；内部绝缘故障
引言
动力电池作为电动汽车的唯一能量源，为保证足够的输出功率，其端电压一般都高于人体安全电压。在动力电池的工作环境中，振动、温度、湿度和酸碱性气体的腐蚀都有可能造成高压线路的绝缘材料加速老化甚至破损，危及人身安全。对此国家标准对车载可充电储能系统的绝缘性能做了严格规定:动力电池的高压电路对车身地的绝缘电阻值应不小于500Ω/V。因此，实时检测车载电池的绝缘情况和确定发生绝缘故障的位置，对于车辆安全性和故障排除具有重要意义。目前国内实时车载绝缘检测装置的绝缘检测方法主要分为两大类:无源式和有源式。其中，无源式检测方法需要利用向电路接入偏置电阻前后的电压采样值来计算绝缘电阻，不足之处是接入偏置电阻后会改变电池对地的绝缘。有源式检测方法则需要通过向电池高压回路注入电压波形前后反馈的电压采样值来计算绝缘电阻，其优点是在电池未加电的情况下也能进行绝缘等级判断，缺点是采样电路多，成本高。据此，国外车载绝缘检测装置的相关专利也主要是针对无源式检测方案。
1电动汽车动力电池管理系统常见故障
在电动汽车动力电池管理系统中，受到各种因素的影响，难免会出现各类故障问题，这些故障问题会影响系统的工作能力，进而对电池的健康和使用寿命产生威胁。动力电池是电动汽车的主要能量来源，电池的可靠性、安全性、维护成本等都对电动汽车的总体质量、安全和效益有很大影响。高能量密度电池在实际使用的过程中会遇到各种恶劣的条件、环境，包括电池过充、过放，环境温度过高、过低、震动等情况都会损害电池，导致电池性能下降，严重时还有可能出现起火、爆炸等危险。为了确保电池的安全使用，需要充分发挥电池管理系统的作用，其可以监测动力电池的各项参数、实时状态，还可以诊断电池是否在健康运行、是否存在故障，利用电池管理系统，可以实时掌握电池的运行状态，并对其变化趋势进行合理的分析，进而避免危险、故障的出现。虽然动力电池管理系统可以在一定程度上确保电池的安全性和可靠性，但系统难免会出现故障问题，常见故障包括以下几种:CAN系统通信故障、电压或温度采集异常、绝缘故障、BMS工作状态不正常、无法充电、电流无法正常显示等。
2动汽车电池组内部绝缘故障研究
2.1单点绝缘故障物理模型
考虑到电池组内部的绝缘问题及其结构，动力电池包与电池模组之间、电池模组与电池单体之间均可视为此模型。其表示在无绝缘故障问题的电池组中，每个电池的正、负极都有1个与车身接地的绝缘电阻，2个相串联的电池之间用1个绝缘电阻表示，若电池组内有n个电池则有n+1个绝缘点，Ｒ1表示电池组负极与车身接地的绝缘电阻，Ｒn+1表示电池组正极与车身接地的绝缘电阻，Ｒ2～Ｒn为表示各个串联电池之间的绝缘电阻，U1表示电池组负极与车身接地之间的电压，U2表示电池组正极与车身接地之间电压。
2.2四合一配电箱绝缘故障的判断和解决方案
在该配电箱内，B级电压主电路上的元器件是MSD开关、继电器主触点、熔断器、电流分配器和铜排。在测量绝缘前，需断掉B级电压系统供电，拔出全部MSD开关，然后拔出或拆下该设备上全部B级电压电缆;各继电器主触点恢复常态，铜排之间断开连接。由于铜排分段造成电路不通，需按实际分段，分别测量各段主电路铜排与金属外壳之间的绝缘电阻，按照厂商的技术要求，只要有一处测得的绝缘电阻值低于3MΩ，就可以确定四合一配电箱存在绝缘故障;如果所有分段的绝缘电阻值都＞6MΩ，就不存在绝缘故障;如果测得的值介于3MΩ与6MΩ之间，表示存在绝缘隐患。从安全考虑，对存在绝缘故障的四合一配电箱一定要马上拆除交由厂商处理，换上正常的设备。
2.3单体电压跳变
与单体欠压故障相比，纯电动汽车动力电池的单体电压跳变故障虽然同样十分常见，但由于故障持续时间短，故障原因多，相关数据也难以收集，因此故障判断难度较高，维修时需要先了解电池的电芯电压工作范围、报警阈值等信息，并对电池组采压原理及线路加以熟悉，之后再询问车辆重启情况、剩余电量变化、仪表故障报警情况等故障信息。在确定各方面信息后，还展开综合分析，判断其是否存在采压线虚焊、采压线插件接触不良等单体电压跳变故障原因，并根据具体故障原因来采取针对性维修措施。
2.4单体欠压
单体欠压是目前最常见的动力电池故障，虽然电芯质量相比以前有很大提高，但动力电池组要用到大量的单体电芯，以特斯拉为例，一台60KWH的ModelS就由6216颗单体电芯组成，如果有一颗电芯出现低压情况，随着车辆的使用，电池老化，就可能引起此电芯所在串的低压。单体欠压故障比较容易判断，但需要我们掌握单体电芯电压工作范围、报警阀值、电池厂家规定欠压标准，重点听取或询问驾驶员行驶里程有无缩短，车辆限速或无法行驶时，剩余多少电量。如果仪表有最低最高单体电压显示，可快速查看仪表，确定具体数值和所在串数编号；若无，可利用USBCAN等工具，调取历史数据确定。单体欠压故障易判断，但维修时要注意两个事项，一是要确定单体欠压数量，一共有几串出现欠压，二是如何保障与电池组电量一致。对于第一个，可通过读取历史数据或放电末期数据得到；第二个处理方法，通常采用满电状态下，更换低压单体，或者利用均衡设备对整个电池组进行均衡。
2.5绝缘故障
在管理系统中，工作线束的接插件内芯和外壳短接、高压线破损等情况发生时，都会造成绝缘故障，且电压采集线破损、箱体短接等情况也会造成绝缘故障，在这种情况下，可以从以下几个方面着手分析:①高压负载漏电。可以将DC/DC、PCU、充电机等设备依次断开，等到故障解除之后，确认故障件并进行更换。②高压线/连接器损坏。可以利用兆欧表测量，检查后确定是否损坏，如果已经损坏，需要及时更换。③电池箱进水、电池漏液。检查电池箱内部，如果出现此类情况要及时处理，如果出现电池漏夜的情况，需要更换电池。④电压采集线受损。确认电池箱内部漏电之后，要对采集线进行检查，如果存在破损问题，要及时更换采集线。⑤高压板检测结果汇报错误。如果出现此类情况，则需要更换高压板，更换后故障解除则说明高压板检测出现问题，如果未解除，则需要寻找其他故障原因。此外，无法充电也是比较常见的故障情况，可能是因为CAN线端子退针、脱落，进而造成主板无法与充电机进行通信，影响正常充电。也可能是保险损坏，造成无法形成充电回路。针对此类问题，可以采取更换线束、保险的维修方式，确保充电正常。
2.6BMS故障
在BMS出现故障无法正常工作的情况下，可以从以下几个方面着手分析:①检测供电电压，主要对整车接插件位置进行测量，确认供电电压的输出是否稳定。②检查CAN线连接是否可靠，如果没有可靠连接，就会出现通信故障。要检查主板、从板/高压板的通信线和电源线，如果出现线束脱落或断开的情况，应该更换线束或将线束重新连接。③接插件退针/损坏。如果低压通信航空插头出现退针的情况，则从板无电源、从板数据无法向主板传输，需要对插头、接插件进行详细的检查，如果出现损坏、退针的情况，要更换新的插头或接插件。④控制主板出现问题，更换主板并监控使用情况，如果更换后故障解除，则说明主板存在问题。
2.7检测安全防护
纯电动汽车的动力电池重量大多为几百公斤，在进行故障诊断时，单纯依靠人工进行拆卸比较困难，同时还具有一定的危险性，因此在拆卸动力电池时，必须要由专业人员负责，并提前用托举设备来进行支撑，周围区域还要设置好安全警示牌。另外，为防止触电事故的发生，还要提前准备好绝缘工具与相关防护用品，拆卸维修人员则应持有电工证，且身上不得佩戴任何金属物品。一般来说，动力电池的拆卸大多由两人配合完成，拆卸过程中应严格按照涉电作业安全操作规范来对各项操作进行监督，尤其是在需要接触高压线路部分时，更是要求确保输出电压低于人体安全电压，如发现高压线路存在金属裸露现象，还要及时对其进行绝缘处理。
2.8动态试验结果
该绝缘监测系统装在苏州海格纯电动客车上进行了实车测试，客车的电压平台为530V。为实车连续运行900s的动态监控数据，由于整个测试过程中并没有出现绝缘故障，所以并未给出绝缘故障定位值。0－100s之间车辆起动后处于怠速工况，此时电池端电压稳定在平台电压530V附近，绝缘阻值在4MΩ左右;100－800s之间车辆处于城市道路运行工况，由于加减速导致电池端电压发生近30V的波动，同时，因为电机带电流运转而导致绝缘阻值降低至3MΩ附近;800－900s之间车辆停止，电池端电压回复到平台电压附近，绝缘阻值也升高到静态状况下的阻值。为验证该系统对绝缘故障判断的实时性和有效性，进行手动注入绝缘故障的实车试验。试验车的动力电池组由5个电池包串联而成，总负侧的电池包记为1#，总正侧的电池包记为5#，3#电池包的负端和正端距离电池总负极的百分比位置分别为40%和60%。在手动注入绝缘故障后，绝缘监测系统在5s内上报了绝缘故障报警，并给出了绝缘阻值和绝缘故障位置。值得注意的是，在实车环境下，电机侧有1200μF的等效电容，对于额定电压为530V的高压系统，其充放电时间常数τ=0.636s。而对于一次计算，需要进行一次完整的充放电过程，5s的响应时间对应单次充电或者放电的时间为3.93τ，此时电压计算误差为e－3.93≈2.0%，该值大于仿真分析中1%的电压采样误差。因此实车试验结果中的故障定位误差大于仿真分析的结果。
2.9电压和温度采集异常
在电压采集异常的情况下，可以从以下几个方面着手处理:①电池欠压，获取监控电压值，然后利用万用表测量电压，对比两个电压值，如果存在欠压现象，需要更换电池。②采集线端子紧固螺栓松动或解除不良。如果是这种情况可以轻轻摇晃采集端子，确认电子是否存在松动、解除不良的情况，如果存在这种情况可以紧固螺栓或者更换一条新的采集线。③保险丝损坏。对保险丝的阻值进行测量，如果超过1Ω，则需要更换保险丝。④从板检测存在问题。对采集电压和实际电压进行对比，确认二者数值是否一致，如果一致，则需要对从板进行更换，还要对现场数据进行收集，掌握历史故障数据信息，进行全面有效的综合性分析。
结语
基于电池组单点绝缘故障计算模型提出了一种无源式绝缘故障计算和定位方法。该方法仅须对电池组总正和总负对车身接地共两路进行采样。结合理论推导和MATLAB仿真，分析了该方法的计算误差，并基于分析结果确定所设计系统的采样误差。最后通过台架和实车试验，验证了该绝缘监测系统的有效性与实时性，结果表明在100～1000kΩ内，绝缘电阻的计算误差和定位偏差皆小于10%，并能对绝缘故障在5s内进行报警，满足在电动汽车上应用的要求。
参考文献
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