浅析高压电池系统的绝缘检测方法

新能源电动汽车是现代社会的重要交通工具，而高压动力电池系统是新能源电动汽车的三电系统之一，为电动汽车提供电能的吸收、存储和供应。我国新能源汽车高速发展，其中电动汽车（锂电）发展更是迅猛，市场高速增长，几年来，我国电动汽车已经可以占到世界市场份额的50%。

随着“碳中和”和“碳达峰”任务目标的提出,新型储能更是发展前景广阔的万亿级新兴产业，其中锂电池储能是最具发展潜力的技术方向，也是驱动能源革命的重要力量。锂电池储能技术适应性强，应用范围和场景广，具有能量密度大、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽，以及可快速充放电、使用寿命长、环境污染小和不受地形等自然条件限制等优点，是目前储能产品开发中适应性最好的技术路线，可以胜任各种复杂的场景，在发电侧、用户侧、电网侧等主要储能领域均有很强的竞争力。

但是，随着高压电池系统在汽车和高压储能系统中的广泛应用，也带来了一系列的问题日益突出，尤其是电池系统的安全问题。在高压电池供电系统，当负载启动、运行及停止的过程中都有可能发生各种安全问题，当绝缘失效时会造成高压对人体的直接伤害，并关系到人员生命，因此绝缘电阻的检测是至关重要的设计环节，为保证高压电池系统的安全运行，需要对电池系统进行全面的安全管理。通过BMS电池管理系统对电动汽车高压动力电池系统进行实时绝缘监测，达到保护动力电池系统无故障运行，从而保证人身设备安全。

为了避免事故发生，就要求经常测量各种电器设备的绝缘电阻。判断其绝缘程度是否满足设备需要，普通电阻的测量通常有低电压下测量和高电压下测量两种方式。而绝缘电阻由于一般数值较高（一般为兆欧级）。兆欧表是测量绝缘电阻最常用的测量仪表。电动汽车可充电储能系统绝缘性能的测量是一种对带电体绝缘电阻的测量，测量动力电池组电极两端与壳体之间的绝缘电阻，区别于普通的无源测量。动力电池组本身的电压值可作为测量动力电池对壳体的绝缘电阻的测量电压，不需要外接电源，由于动力电池组本身电压值较低，在1000V 左右，无法测量极化冲击电流等参数。

根据国际标准IEC/TR260479-1，人体产生感觉的电流门限值为2mA。因此，在人体电阻与动力电池组成的环路中，通过的电流不超过2mA，即汽车的最大泄漏电流不超过2mA才认为其绝缘合格。在汽车行业中，泄漏电流定义为电池组某点与汽车电底盘之间的泄漏电流，为保证人们在乘车时的人身安全，该电流应不超过2mA。

对新能源汽车可充电储能系统绝缘性能的检测是一种对带电体绝缘性能检测，通过测量可充电储能系统正负极对外壳的绝缘电阻数值大小来判断绝缘性能，区别于传统的无源检测。无源测量需要一个可以提供直流电源的测量电路，有源测量为待测的动力电池组正、负极对车体间的绝缘电阻。电动汽车动力电池组属于电动汽车可充电储能系统（REESS），包括蓄电池、电容器，最大工作电压是B级电压，B级电压电路即最大工作电压大于30Va.c且小于1000Va.c，或大于60V 直流且小于或等于1500V 直流的电力组件或电路。

目前，对电池系统的绝缘电阻的检测方法有两种：一是采用信号注入法进行测量，另外一种方法是采用外接电阻切换测量。信号注入的方法是指对电动汽车的电池系统注入一定频率的直流电压信号，通过测量反馈的直流信号计算绝缘电阻，这种信号对整个电池系统会产生纹波干扰，影响系统的正常工作。而现有的外接电阻切换的绝缘电阻测量方法检测精度较低，同时因长时间接入测量电阻，所以降低了系统的绝缘性能，增加了电池功耗。

本文会介绍外接电阻切换测量中常用的不平衡电桥法测量绝缘电阻，其基本原理是在直流电源与接地外壳之间连入一系列电阻，通过控制开关或者继电器切换接入阻值的大小，通过测量各个电阻上不同的电压值，列写方程组来计算电源正负极对地的绝缘电阻的大小。图1-1 为不平衡桥检测蓄电池电源正负极与地之间的绝缘情况的原理图，图中U 表示电池组总电压，RP和RN分别表示电池组正负极与车体外壳之间绝缘电阻，在直流电源正负极端和车体之间接入电阻R1、R2、R、R’，U1、U2分别是直流电源在R和R’上的分压大小，S为可控开关。

图1-1 不平衡电桥绝缘电阻检测原理

电子开关S 与电阻R1 并联，通过控制开关S 的通断来改变电源正负极在电阻R和R’上的分压比。当S 断开，可得到方程式：     

 (1-1)

当S 闭合时，得到方程式：

  (1-2)

式中：U1’ 和U2’ 分别是开关S 闭合时正负母线在电阻R和R’上的压降。由式（1-1）和（1-2）便可求出RP和RN。

再简单介绍一下一种电压注入式绝缘电阻检测的原理，图1-2为电压注入式绝缘电阻检测原理图，其中左虚线框内为绝缘检测装置，R0、R1 、R2 为已知阻值的电阻，且R1 = R2。

图1-2 电压注入式绝缘电阻检测原理图

信号源Us通过3个已知阻值的电阻向动力电池的正、负母线和车辆底盘之间注入方波信号如图1-3。

图1-3 注入方波电压信号

右虚线框为整车高压系统，其中动力电池的总电压为U，Rp 、Rn分别为直流侧正、负母线与车辆底盘之间的等效绝缘电阻；Ra、Rb、Rc 为交流侧的等效绝缘电阻。检测的步骤如下：

1. 在注入的方波信号的幅值Us = 0 时，待测量电阻R1上的电压稳定，测量其上的电压，记为U1。

2. 注入的方波信号的幅值Us = 15V 时，待测量电阻R1上的电压稳定，测量其上的电压，记为U1’ 。

利用U1、U1’ 、Us 等数据推导计算整车的绝缘电阻。图1-4是综合客户实际应用提出了一种改进的电压注入式绝缘电阻检测方案电路。

图1-4 一种改进的电压注入式绝缘电阻检测的原理图

ADI公司推出了具有专为符合ISO26262系统功能安全标准设计的ADBMS295X系列，是一款适用于电动车辆和混合动力车辆以及其他隔离式电流检测应用的高精度电流、电压、温度、电量和电能表，亦可用于绝缘检测。通过ADBMS295X进行绝缘检测如下图1-5所示。

图1-5

针对电动汽车的绝缘电阻的测量方案也适用储能电池系统。总之，在电池系统绝缘电阻的测量中，我们要做到，按照相关要求，按照相关步骤，对绝缘电阻进行实时检测，检查工作对绝缘电阻故障采用的相关检测电路进行分析，并集成到BMS电池管理系统中，有效的保护电池过充、过放、过温、过流、绝缘监测等问题，提升单体电池成组后的安全、寿命、放电等性能，同时可避免长时间、高倍率充放电状况下导致的单体电池不平衡、温度分布不均匀而产生的模块间不平衡等问题，保护电池系统在全生命周期下安全、高效安使用。