ZHCAFV5 October   2025 AMC0386-Q1 , TPS61170 , TPS61170-Q1 , TPSI2140-Q1

 

  1.   1
  2.   摘要
  3. 1简介
    1. 1.1 背景
    2. 1.2 系统要求
    3. 1.3 典型挑战
      1. 1.3.1 Y 电容器的影响
      2. 1.3.2 高电势测试
      3. 1.3.3 宽交流电压范围
  4. 2绝缘监测架构
    1. 2.1 基本架构
    2. 2.2 双开关架构
    3. 2.3 有源单开关架构
    4. 2.4 架构比较
  5. 3主要元件
    1. 3.1 固态继电器
    2. 3.2 电压传感器
    3. 3.3 DC 电源
  6. 4总结
  7. 5参考
  8.   商标

1.1 背景

电动汽车为了提供更远的行驶里程和更强的电源能力而不断发展，电池系统也随之越来越多地采用 800V 或更高的架构。在这些高压 (HV) 系统中，用户安全仍然至关重要。因此，所有 HV 元件都必须通过高电阻路径与保护性接地端保持隔离。绝缘故障可能由多种原因引起；包括线束老化、电源处理元件老化或极端电应力事件，例如 Y 电容器损坏。当发生任何单次绝缘故障时，系统会进入不安全状态。电击不一定直接 由阻抗的初始降低引起，但是如果发生人体接触，这种情况会带来潜在的危及生命的风险，因此降低阻抗需要立即发出警告。

隔离式电源系统（包括直流快速充电站）必须遵守适用的安全标准。这些标准因地区而异，如表 1-1 所示。

表 1-1 不同地区的 IMD 相关标准
区域 标准 范围
欧洲 IEC 61851-23 定义与直流快速充电器通信时 OBC 必须支持的车辆侧监测功能。
欧洲 IEC 61557‑8 信息技术系统中使用的 IMDS 的一般要求，汽车 OBC 采用了这些要求
欧洲 ISO 6469‑3 全车的安全要求，ECE R100 将其用作参考。
北美 UL 2231‑1 | UL 2231‑2 指定必须与充电器的 IMD 一起使用的车辆侧保护功能。
中国 GB/T 18487.1 IEC 61851‑21 和 IEC 61851‑23 的中国对应标准。
中国 GB/T 18487.4 第 4 部分是对电动汽车的放电要求。
日本 JARI | JSAE 指南 符合 ISO 6469‑3 和 IEC 61557‑8，增加了日本的环境限值。
其他地区（澳大利亚 (AS)、新西兰 (NZ)，韩国，印度等） 不同国家对 IEC 61851‑23、IEC 61557‑8 和 ISO 6469‑3 的采用 与欧洲版本的功能范围相同，但气候或标签稍有变化。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) 阈值针对隔离栅电阻设置。IMD 电路监测绝缘电阻，并在绝缘电阻不足的情况下报告故障。如果绝缘电阻不足，电流泄漏可能会升高到允许的限值以上。

图 1-1 显示在充电器侧和车辆侧均安装了绝缘监测器件 (IMD)。两个 IMD 在整个充电过程和车辆运行期间协作监测直流电源电路的隔离栅。

TPSI2140 AMC0381 TPS61170 汽车应用中 IMD 用例图 1-1 汽车应用中 IMD 用例

根据 GB/T 18487.1‑2023，适用以下顺序和要求：

  • 在车辆耦合器建立连接到继电器闭合的时间范围内，充电器完成内部绝缘监测（包括充电电缆）。
  • 继电器闭合后，电动汽车在能量传输阶段完成整个充电系统的绝缘监测。

因此，这两个 IMD 电路协同工作，以验证充电端和车辆端的绝缘电阻是否在充电和驾驶过程中均保持在正常范围内。

无论是交流电路正在充电还是直流电路正在快速充电，在这两种情况下交流侧通常都有剩余电流检测 (RCD) 电路。RCD 和 IMD 电路的功能略有不同。RCD 电路通过监测总漏电流来确定绝缘故障，而 IMD 电路则监测绝缘电阻。表 1-2 对 IMD 和 RCD 电路进行了比较。

表 1-2 IMD 和 RCD 电路之间的差异
方法 RCD IMD
用途 检测相线和中性线之间的不平衡，这表明存在故障至接地路径，并快速断开电源。 验证隔离栅（保护性接地的 HV±）保持在规定的电阻值以上。
原理 测量导线中的电流总和。任何大于设定阈值的剩余电流都会触发器件。
额定电流 < 30mA
直流电流 < 6mA		 通过高欧姆路径注入测试电压并读取产生的电流，以此来测量绝缘电阻。
安全：> 500Ω/V
警告：≅100Ω/V 至 500Ω/V
故障：< 100Ω/V。
地点 通常安装在交流侧的用户可接触负载的上游。
对于直流快速充电站：RCD 可以作为额外的保护器件放置在直流链路上。
  • 充电器侧 IMD：充电器高压总线和电源接头之间（包括电缆）。
  • 车辆侧 IMD：在高压总线和直流进口之间（盖板电缆、连接器、车载高压总线）。
响应时间 对于 30mA 器件，≤30ms（典型值）。 对于故障检测，≤10s (IEC 61557‑8)；许多 OEM 要求 ≤5s。常见的是以 0.5 至 1s 的间隔进行连续监测。
运行模式 检测到剩余电流时发生瞬时跳闸；不执行预充电绝缘检查。 持续监测功率流之前和期间的绝缘电阻。必须进行预充电验证。
选项 电流互感器。 电桥开关。
参考设计 TIDA-010237 TIDA-010232（直流侧）、TIDA-020085（交流侧）

现有 IMD 和 RCD 电路涵盖了单向 OBC 的场景。但是，随着电动汽车 (EV) 车载充电器 (OBC) 中出现双向功率流功能，这些系统不仅支持传统的电网到车辆充电，还支持应用中的反向功率流。随着 EV 越来越多地用作移动电源，增强的安全措施对于保护用户免受绝缘故障所引发的潜在电击危险伤害至关重要。因此，对绝缘监测存在下述新要求：

  • 在 V2X 配置中，车辆既不连接到直流快速充电器，也不连接到交流充电站，因此不能使用由 RCD 或外部充电器中 IMD 电路提供的绝缘监测功能。
  • 当 OBC 在反向功率模式（直流转交流）下运行时，动力总成采用隔离式直流-交流拓扑；因此，位于 BMS 侧的 IMD 只能检测直流侧故障，无法检测转换器交流侧可能发生的绝缘故障。
  • 出于这些原因，车载充电器的交流输入侧必须集成绝缘监测设备，以涵盖 V2X 工作场景，如图 1-1 中的红色框所示。