電池管理系統(tǒng)的絕緣檢測功能探討

電動汽車較傳統(tǒng)車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(tǒng)與車輛底盤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，特別是車輛在復雜的應用環(huán)境下一旦出現(xiàn)碰撞、部件老化都可能導致絕緣性能的下降使底盤電位上升,不僅影響車載設備和ECU的工作，還會導致漏電回路的熱積累效應造成車輛起火燃燒。動力電池系統(tǒng)ESS是高壓的來源，因此絕緣檢測也成為了BMS關鍵的功能之一。

1.規(guī)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級電力組件必須滿足其有足夠的絕緣電阻(Ri ≥ (Vb * 500 Ω/V))。在GB/T 18384.1-2015車載可充電儲能系統(tǒng)中規(guī)定BMS需要對動力電池系統(tǒng)所有部件集成完畢的狀態(tài)下進行絕緣檢測，且采用絕緣電阻阻值來衡量絕緣狀態(tài)。絕緣電阻可分為總正對地Rp和總負對地Rn，衡量系統(tǒng)絕緣狀態(tài)Ri一般取兩者之間的最小值。(目前48V系統(tǒng)正是出于避免達到B級電壓等級的要求而來的)

在QCT 897-2011電池管理系統(tǒng)技術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(qū)間(≤100kΩ)精度要求≤15%，在高阻值區(qū)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S2，采集U1點電壓和總壓U;

step2：閉合S2，斷開S1，采集U2點電壓和總壓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即可通過方程求解Rx、Ry。

在商用車的應用中絕緣檢測功能經常會從BMU中剝離出來，采用絕緣檢測儀實現(xiàn)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，通過產生一個正負對稱的方波信號，使ESS與GND構成測量回路，通過回路電流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)組織關于絕緣檢測功能的技術專利：

4.應用中常見的問題

在實際應用中經常會出現(xiàn)客戶抱怨ESS有絕緣報警的情況，并且通常需要由BMS工程師到現(xiàn)場進行問題排查。但在高壓電池系統(tǒng)設計的過程中對絕緣防護的考量是重中之重，實際中真的是由于ESS問題導致的絕緣報警相對還是少數，更多的故障可能性來自于應用環(huán)境。例如是由于電機、DCDC等部件的絕緣問題出發(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產生的問題。在GB/T 18487.1-2015電動汽車傳導充電系統(tǒng)：通用要求中明確規(guī)定充電樁在充電啟動前自檢自身絕緣狀態(tài)并在進入充電狀態(tài)前關閉絕緣檢測，因此在合閘后的整個充電過程期間電動汽車(即BMS)是唯一一個負責進行高壓絕緣檢測的部件，但實際上有很多品牌的充電樁并不能按照標準要求執(zhí)行，導致絕緣采樣互相干擾觸發(fā)絕緣報警。