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深入剖析新能源汽车绝缘检测

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深入剖析新能源汽车绝缘检测

新能源汽车越来越受人们的关注,相信大多数新能源从业者都遇到过整车报绝缘故障导致整车上高压失败而无法行驶。对于新能源汽车绝缘检测的工作原理我们是否有了多方位的了解。今天在这里与大家探讨一下新能源汽车绝缘检测的方法、设计难点及其优缺点,重点剖析基于电桥法的绝缘检测,希望对大家能有所帮助。

绝缘检测是整车高压安全的需求而来。绝缘检测功能是整车重要的一项功能,更是新能源汽车的标志性功能。

当前主流的绝缘检测方法有两种,电桥法和交流注入法,但这一功能由电池管理系统BMS来实现。电桥法又称被动检测法,主要原因有高压才能进行绝缘检测。交流注入法又称主动检测法,因为12V铅酸上电即可完成绝缘检测功能。关于绝缘检测的专利大家去网上搜搜也很多,但大多也是基于上述两种方法的演变和优化。大致总结如下(若有不妥,欢迎探讨,更欢迎批评指正):

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电桥法重难点解读:

(一)电桥法的检测原理

电桥法的工作原理是BMS通过检测高压正与高压负之间的分压变化来计算正极/车身与负极/车身的绝缘阻值,检测原理如下三步:

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1. 闭合开关S1,闭合开关S2:BMS检测到V1,V2的电压;

2. 闭合开关S1,断开开关S2:BMS检测到V1’的电压;

3. 断开开关S1,闭合开关S2:BMS检测到V2’的电压;

4. 根据上述三个步骤,已知电池的总电压U以及正负极桥臂的分压电阻及其比例,可以列出三个方程U=aV1+bV2,

5. 根据这个方程式来解方程可以求得:正极/壳体阻值=Rp,负极/壳体=Rn

两个阻值便是我们平时整车上读取到绝缘值,以上即为电桥法的检测原理。

(二)电桥法的设计难点

电桥法的稳定性及安全性还需重点考虑如下几点(上述四个电压值V1,V2,V1’,V2’以下统称V1,V2,欢迎补充和探讨):

1. 分压比例及ADC的选取:

绝缘检测为了兼顾成本会花费一部分精度(采用12bit ADC采样,甚至直接用单片机内部的ADC采样),这个时候对电阻的分压比例(R1/R2或R4/R3)的选取提出较高的要求,

Ø 电阻分压比例太大采样分辨率不够,无法做到较精度;

Ø 电阻分压比例太小采样超出量程,无法做到全电压范围的采样;

2. 寄生电容的影响:

大家都知道,整车上寄生电容的实际存在(一般在几百纳法级,也有远大于这个量级的)。

由于寄生电容会导致V1,V2电压值稳定需要一段时间,这个时候就会出现几个问题:

Ø BMS无法准确判断V1,V2电压的稳定采样点,电容电压未稳定或者电容开始漏电导致V1,V2的电压不是真实分压的值,这样计算出来的绝缘值不准,这也是前几年有些车绝缘不稳定的要因之一,现在好多了;

Ø BMS等待电压稳定的时间,等待的时间过长导致绝缘检测时间偏长,可能不满足功能安全中FTTI的时间要求;

Ø 寄生电容值随着天气以及车辆的老化会发生改变,这个时候要确保设计仍然满足前期的采样精度和时间目标就对算法的稳定性及适应性提出了较高的要求,主要硬件电路以及软件滤波要考虑;

3.电压V1,V2的采样同步实时性的影响

理论上V1,V2的实时性越高对绝缘采样精度及稳定性越有利,但是很遗憾这个也只能是理论,显然是无法完全同步的。为了方便理解,我暂且假定一个苛刻实车工况来说明同步实时性的影响:

阶段一:猛踩油门踏板上陡坡,此时BMS恰好为步骤2检测V1’;

阶段二:猛踩制动踏板下陡坡,此时BMS恰好为步骤3检测V2’;

大家可以先想想这个情景以及这个情景对绝缘检测的影响。踩油门踏板的时候电池包对外大电流放电,由于锂电池的DCR+极化内阻等存在,导致电池包的高压会被急剧拉低(由电流的大小决定,一般在50~100V,以一个400V电压来说电池实际输出电压为350V)。踩制动踏板的时候由于制动能量回收整车对电池包大电流充电,同理导致电池包的高压会被瞬间抬高至450V。那么问题就来了,V1’是以350V分压检测得到的,V2’是以450V分压检测得到的,用这一组电压去计算绝缘是不妥的,轻则绝缘值误差较大,重则可能出现绝缘误报漏报导致整车做了对应的故障策略。具体的影响大家可以自己动手算一算,这里就不一一计算了。

总结:

绝缘检测如果深入去分析,我们会发现里面要考虑的东西还是很多的,这也是新能源汽车里面一个重要课题,对BMS系统以及软硬件的同事来说做好绝缘检测设计还是一件很有挑战的活。


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