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电池管理系统的绝缘检测功能探讨

电动汽车较传统车多了一整套高压部件(ESS、DCDC、电机等),较高的工作电压对高电压系统与车辆底盘之间的绝缘性能提出了更高的要求。所以从安全性上考量必须增加对绝缘状态的检测,特别是车辆在复杂的应用环境下一旦出现碰撞、部件老化都可能导致绝缘性能的下降使底盘电位上升,不仅影响车载设备和ECU的工作,还会导致漏电回路的热积累效应造成车辆起火燃烧。动力电池系统ESS是高压的来源,因此绝缘检测也成为了BMS关键的功能之一。

 

 

1.规范要求

GB/T 18384.3-2015人员触电防护中定义最大工作电压小于等于60V的电力组件为A级电压等级,最大工作电压大于60V的电力组件为B级电压等级,对于B级电力组件必须满足其有足够的绝缘电阻(Ri ≥ (Vb * 500 Ω/V))。在GB/T 18384.1-2015车载可充电储能系统中规定BMS需要对动力电池系统所有部件集成完毕的状态下进行绝缘检测,且采用绝缘电阻阻值来衡量绝缘状态。绝缘电阻可分为总正对地Rp和总负对地Rn,衡量系统绝缘状态Ri一般取两者之间的最小值。(目前48V系统正是出于避免达到B级电压等级的要求而来的)

 

 

在QCT 897-2011电池管理系统技术条件中并未明确对绝缘电阻采集精度提出要求(如下表)。所以在项目应用中需以OEM的SOR为准或参考企业标准。绝缘检测的范围较宽(一般在0~10M)因此保证全量程高精度难度较高且实际意义并不大,在测试中可根据在不同的量程范围设置不同的精度要求。例如在低阻值区间(≤100kΩ)精度要求≤15%,在高阻值区间(100kΩ~10MΩ)精度要求≤10%

 

 

2.检测方式

目前BMS主要采用国标推荐的测量方法:

step1:闭合S1,断开S2,采集U1点电压和总压U;

step2:闭合S2,断开S1,采集U2点电压和总压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、以及总压U即可通过方程求解Rx、Ry。

 

 

在商用车的应用中绝缘检测功能经常会从BMU中剥离出来,采用绝缘检测仪实现对绝缘电阻的测量。绝缘检测仪多数采用的是低频信号注入法,通过产生一个正负对称的方波信号,使ESS与GND构成测量回路,通过回路电流Im与Rm求得的电压值计算出绝缘电阻Ri。

 

 

 

 

3.Benchmark

收集了行业内部分企业组织关于绝缘检测功能的技术:

 

 

 

 

4.应用中常见的问题

在实际应用中经常会出现客户抱怨ESS有绝缘报警的情况,并且通常需要由BMS工程师到现场进行问题排查。但在高压电池系统设计的过程中对绝缘防护的考量是重中之重,实际中真的是由于ESS问题导致的绝缘报警相对还是少数,更多的故障可能性来自于应用环境。例如是由于电机、DCDC等部件的绝缘问题出发了BMS的报警。所以在处理故障之前首先要确认ESS在高压断开情况下的状态以排除外部因素。另一种情况在于与充电桩连接时产生的问题。在GB/T 18487.1-2015电动汽车传导充电系统:通用要求中明确规定充电桩在充电启动前自检自身绝缘状态并在进入充电状态前关闭绝缘检测,因此在合闸后的整个充电过程期间电动汽车(即BMS)是一个负责进行高压绝缘检测的部件,但实际上有很多品牌的充电桩并不能按照标准要求执行,导致绝缘采样互相干扰触发绝缘报警。

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