電池管理系統的絕緣檢測功能探討

電動(dòng)汽車(chē)較傳統車(chē)多了一整套高壓部件(ESS、DCDC、電機等)，較高的工作電壓對高電壓系統與車(chē)輛底盤(pán)之間的絕緣性能提出了更高的要求。所以從安全性上考量必須增加對絕緣狀態(tài)的檢測，特別是車(chē)輛在復雜的應用環(huán)境下一旦出現碰撞、部件老化都可能導致絕緣性能的下降使底盤(pán)電位上升,不僅影響車(chē)載設備和ECU的工作，還會(huì )導致漏電回路的熱積累效應造成車(chē)輛起火燃燒。動(dòng)力電池系統ESS是高壓的來(lái)源，因此絕緣檢測也成為了BMS關(guān)鍵的功能之一。

1.規范要求

GB/T 18384.3-2015人員觸電防護中定義最大工作電壓小于等于60V的電力組件為A級電壓等級，最大工作電壓大于60V的電力組件為B級電壓等級，對于B級電力組件必須滿(mǎn)足其有足夠的絕緣電阻(Ri ≥ (Vb * 500 Ω/V))。在GB/T 18384.1-2015車(chē)載可充電儲能系統中規定BMS需要對動(dòng)力電池系統所有部件集成完畢的狀態(tài)下進(jìn)行絕緣檢測，且采用絕緣電阻阻值來(lái)衡量絕緣狀態(tài)。絕緣電阻可分為總正對地Rp和總負對地Rn，衡量系統絕緣狀態(tài)Ri一般取兩者之間的最小值。(目前48V系統正是出于避免達到B級電壓等級的要求而來(lái)的)

在QCT 897-2011電池管理系統技術(shù)條件中并未明確對絕緣電阻采集精度提出要求(如下表)。所以在項目應用中需以OEM的SOR為準或參考企業(yè)標準。絕緣檢測的范圍較寬(一般在0~10M)因此保證全量程高精度難度較高且實(shí)際意義并不大，在測試中可根據在不同的量程范圍設置不同的精度要求。例如在低阻值區間(≤100kΩ)精度要求≤15%，在高阻值區間(100kΩ~10MΩ)精度要求≤10%

2.檢測方式

目前BMS主要采用國標推薦的測量方法：

step1：閉合S1，斷開(kāi)S2，采集U1點(diǎn)電壓和總壓U;

step2：閉合S2，斷開(kāi)S1，采集U2點(diǎn)電壓和總壓U;

可得方程Rx=(U*R2-(R1+R2)*(U1+U2))/U1;Ry=(U*R2-(R1+R2)*(U1+U2))/U2;

代入U1、U2、R1、R2、以及總壓U即可通過(guò)方程求解Rx、Ry。

在商用車(chē)的應用中絕緣檢測功能經(jīng)常會(huì )從BMU中剝離出來(lái)，采用絕緣檢測儀實(shí)現對絕緣電阻的測量。絕緣檢測儀多數采用的是低頻信號注入法，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)正負對稱(chēng)的方波信號，使ESS與GND構成測量回路，通過(guò)回路電流Im與Rm求得的電壓值計算出絕緣電阻Ri。

3.Benchmark

收集了行業(yè)內部分企業(yè)組織關(guān)于絕緣檢測功能的技術(shù)專(zhuān)利：

4.應用中常見(jiàn)的問(wèn)題

在實(shí)際應用中經(jīng)常會(huì )出現客戶(hù)抱怨ESS有絕緣報警的情況，并且通常需要由BMS工程師到現場(chǎng)進(jìn)行問(wèn)題排查。但在高壓電池系統設計的過(guò)程中對絕緣防護的考量是重中之重，實(shí)際中真的是由于ESS問(wèn)題導致的絕緣報警相對還是少數，更多的故障可能性來(lái)自于應用環(huán)境。例如是由于電機、DCDC等部件的絕緣問(wèn)題出發(fā)了BMS的報警。所以在處理故障之前首先要確認ESS在高壓斷開(kāi)情況下的狀態(tài)以排除外部因素。另一種情況在于與充電樁連接時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題。在GB/T 18487.1-2015電動(dòng)汽車(chē)傳導充電系統：通用要求中明確規定充電樁在充電啟動(dòng)前自檢自身絕緣狀態(tài)并在進(jìn)入充電狀態(tài)前關(guān)閉絕緣檢測，因此在合閘后的整個(gè)充電過(guò)程期間電動(dòng)汽車(chē)(即BMS)是唯一一個(gè)負責進(jìn)行高壓絕緣檢測的部件，但實(shí)際上有很多品牌的充電樁并不能按照標準要求執行，導致絕緣采樣互相干擾觸發(fā)絕緣報警。