ZHCAFV5 October 2025 AMC0386-Q1 , TPS61170 , TPS61170-Q1 , TPSI2140-Q1
1.1 背景
電動(dòng)汽車為了提供更遠(yuǎn)的行駛里程和更強(qiáng)的電源能力而不斷發(fā)展，電池系統(tǒng)也隨之越來(lái)越多地采用 800V 或更高的架構(gòu)。在這些高壓 (HV) 系統(tǒng)中，用戶安全仍然至關(guān)重要。因此，所有 HV 元件都必須通過(guò)高電阻路徑與保護(hù)性接地端保持隔離。絕緣故障可能由多種原因引起；包括線束老化、電源處理元件老化或極端電應(yīng)力事件，例如 Y 電容器損壞。當(dāng)發(fā)生任何單次絕緣故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入不安全狀態(tài)。電擊不一定直接 由阻抗的初始降低引起，但是如果發(fā)生人體接觸，這種情況會(huì)帶來(lái)潛在的危及生命的風(fēng)險(xiǎn)，因此降低阻抗需要立即發(fā)出警告。
隔離式電源系統(tǒng)（包括直流快速充電站）必須遵守適用的安全標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)因地區(qū)而異，如表 1-1 所示。
| 區(qū)域 | 標(biāo)準(zhǔn) | 范圍 |
|---|---|---|
| 歐洲 | IEC 61851-23 | 定義與直流快速充電器通信時(shí) OBC 必須支持的車輛側(cè)監(jiān)測(cè)功能。 |
| 歐洲 | IEC 61557?8 | 信息技術(shù)系統(tǒng)中使用的 IMDS 的一般要求，汽車 OBC 采用了這些要求 |
| 歐洲 | ISO?6469?3 | 全車的安全要求，ECE R100 將其用作參考。 |
| 北美 | UL?2231?1 | UL?2231?2 | 指定必須與充電器的 IMD 一起使用的車輛側(cè)保護(hù)功能。 |
| 中國(guó) | GB/T?18487.1 | IEC 61851?21 和 IEC 61851?23 的中國(guó)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。 |
| 中國(guó) | GB/T 18487.4 | 第 4 部分是對(duì)電動(dòng)汽車的放電要求。 |
| 日本 | JARI | JSAE 指南 | 符合 ISO 6469?3 和 IEC 61557?8，增加了日本的環(huán)境限值。 |
| 其他地區(qū)（澳大利亞 (AS)、新西蘭 (NZ)，韓國(guó)，印度等） | 不同國(guó)家對(duì) IEC 61851?23、IEC 61557?8 和 ISO 6469?3 的采用 | 與歐洲版本的功能范圍相同，但氣候或標(biāo)簽稍有變化。例如，AS/NZS?61851?21?1、KS?C?IEC?61851?21?1 和 BIS?ISO?6469?3。 |
在 IEC 61557-8 和 GB/T 18487.1 中，警告 (500Ω/ V d.c.– 2mA）和故障（100Ω/V d.c.– 10mA) 閾值針對(duì)隔離柵電阻設(shè)置。IMD 電路監(jiān)測(cè)絕緣電阻，并在絕緣電阻不足的情況下報(bào)告故障。如果絕緣電阻不足，電流泄漏可能會(huì)升高到允許的限值以上。
圖 1-1 顯示在充電器側(cè)和車輛側(cè)均安裝了絕緣監(jiān)測(cè)器件 (IMD)。兩個(gè) IMD 在整個(gè)充電過(guò)程和車輛運(yùn)行期間協(xié)作監(jiān)測(cè)直流電源電路的隔離柵。
圖 1-1 汽車應(yīng)用中 IMD 用例根據(jù) GB/T 18487.1?2023，適用以下順序和要求：
- 在車輛耦合器建立連接到繼電器閉合的時(shí)間范圍內(nèi)，充電器完成內(nèi)部絕緣監(jiān)測(cè)（包括充電電纜）。
- 繼電器閉合后，電動(dòng)汽車在能量傳輸階段完成整個(gè)充電系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)。
因此，這兩個(gè) IMD 電路協(xié)同工作，以驗(yàn)證充電端和車輛端的絕緣電阻是否在充電和駕駛過(guò)程中均保持在正常范圍內(nèi)。
無(wú)論是交流電路正在充電還是直流電路正在快速充電，在這兩種情況下交流側(cè)通常都有剩余電流檢測(cè) (RCD) 電路。RCD 和 IMD 電路的功能略有不同。RCD 電路通過(guò)監(jiān)測(cè)總漏電流來(lái)確定絕緣故障，而 IMD 電路則監(jiān)測(cè)絕緣電阻。表 1-2 對(duì) IMD 和 RCD 電路進(jìn)行了比較。
| 方法 | RCD | IMD |
|---|---|---|
| 用途 | 檢測(cè)相線和中性線之間的不平衡，這表明存在故障至接地路徑，并快速斷開(kāi)電源。 | 驗(yàn)證隔離柵（保護(hù)性接地的 HV±）保持在規(guī)定的電阻值以上。 |
| 原理 | 測(cè)量導(dǎo)線中的電流總和。任何大于設(shè)定閾值的剩余電流都會(huì)觸發(fā)器件。 額定電流 < 30mA 直流電流 < 6mA |
通過(guò)高歐姆路徑注入測(cè)試電壓并讀取產(chǎn)生的電流，以此來(lái)測(cè)量絕緣電阻。 安全：> 500Ω/V 警告：?100Ω/V 至 500Ω/V 故障：< 100Ω/V。 |
| 地點(diǎn) | 通常安裝在交流側(cè)的用戶可接觸負(fù)載的上游。 對(duì)于直流快速充電站：RCD 可以作為額外的保護(hù)器件放置在直流鏈路上。 |
|
| 響應(yīng)時(shí)間 | 對(duì)于 30mA 器件，≤30ms（典型值）。 | 對(duì)于故障檢測(cè)，≤10s (IEC 61557?8)；許多 OEM 要求 ≤5s。常見(jiàn)的是以 0.5 至 1s 的間隔進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。 |
| 運(yùn)行模式 | 檢測(cè)到剩余電流時(shí)發(fā)生瞬時(shí)跳閘；不執(zhí)行預(yù)充電絕緣檢查。 | 持續(xù)監(jiān)測(cè)功率流之前和期間的絕緣電阻。必須進(jìn)行預(yù)充電驗(yàn)證。 |
| 選項(xiàng) | 電流互感器。 | 電橋開(kāi)關(guān)。 |
| 參考設(shè)計(jì) | TIDA-010237 | TIDA-010232（直流側(cè)）、TIDA-020085（交流側(cè)） |
現(xiàn)有 IMD 和 RCD 電路涵蓋了單向 OBC 的場(chǎng)景。但是，隨著電動(dòng)汽車 (EV) 車載充電器 (OBC) 中出現(xiàn)雙向功率流功能，這些系統(tǒng)不僅支持傳統(tǒng)的電網(wǎng)到車輛充電，還支持應(yīng)用中的反向功率流。隨著 EV 越來(lái)越多地用作移動(dòng)電源，增強(qiáng)的安全措施對(duì)于保護(hù)用戶免受絕緣故障所引發(fā)的潛在電擊危險(xiǎn)傷害至關(guān)重要。因此，對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)存在下述新要求：
- 在 V2X 配置中，車輛既不連接到直流快速充電器，也不連接到交流充電站，因此不能使用由 RCD 或外部充電器中 IMD 電路提供的絕緣監(jiān)測(cè)功能。
- 當(dāng) OBC 在反向功率模式（直流轉(zhuǎn)交流）下運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力總成采用隔離式直流-交流拓?fù)?；因此，位?BMS 側(cè)的 IMD 只能檢測(cè)直流側(cè)故障，無(wú)法檢測(cè)轉(zhuǎn)換器交流側(cè)可能發(fā)生的絕緣故障。
- 出于這些原因，車載充電器的交流輸入側(cè)必須集成絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備，以涵蓋 V2X 工作場(chǎng)景，如圖 1-1 中的紅色框所示。