BMS(电池管理系统)中的高压和绝缘电阻检测.docx

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1、BMS（电池管理系统）中的高压和绝缘电阻检测目录1 .前言12 .高压电检测13 .绝缘电阻检测34 .电路基础系列：交流波形电压有效值-RMS电压54.1. 交流波形电压“均方根”值-RMS电压5?图解法6?步骤164.2.2.步骤26?分析方法7?RMS电压方程8?外形尺寸和波峰因数9?构成因素9?波峰因数9?概括101 .前言本文介绍了电动汽车中使用高压动力电池带来的风险，分析了动力电池高压检测和绝缘电阻检测的必要性。在进行电池系统设计和BMS系统设计时，一定要首当其冲地关注这两个问题，因为这关系到驾驶员或乘客的生命安全，安全问题是电动汽车的重中之重。在BMS（电池管理系统）中，有两个重

2、要功能因为涉及到人身安全问题，需要特别考虑和设计。第一个是高压电检测，第二个是PACK绝缘电阻检测。因为电动汽车中动力电池电压高达500V以上，如果被人接触到就会危害人的生命安全，这是绝对要避免的事情，所以动力电池跟汽车之间的绝缘非常重要，需要通过特殊措施来保障，本文就来讨论这两方面的问题。2 .高压电检测高压电检测，顾名思义就是检测动力电池的输出电压。系统需要实时检测汽车内部高压电气系统中不同位置的电压，以此来判断高压系统的工作状态，特别是当出现故障的时候以便采取相应的措施使汽车进入安全状态。电动汽车中的高压电气系统下图所示。在高压系统中，一般至少有5路独立电压需要检测。(1)动力电池总电压

3、。BMS检测动力电池总电压，并将检测到的数据发送给整车控制器，整车控制器根据接收到的数据判断当前电池状态并发出相应指令，比如是否需要充电,决定充电何时结束、电池是否正常等。(2)主正、主负接触器的前后电压差。检测主正、主负接触器前、后电压并根据电压差来判断接触器的粘连情况和接触电阻老化情况。(3)快充接触器前后电压差。检测快充接触器前、后电压并根据电压差来判断接触器的粘连情况和接触电阻老化情况。目前这些高压电的检测普遍采用电阻网络预先分压，然后采用AD采样转换的方式获得。考虑到高电压，分压电阻应选择高阻值电阻，并采用多个电阻串联的方式，这可以减小单个电阻承受的电压，提高电路可靠性。表1为国家标

4、准GB/T18384.3-2015中规定的电压等级，可以看出动力电池的电压属于B级。关于批准发布GB/T18384.32015电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护第1号修改单的公告表1国家标准GB/T1838432015中规定的电压等级电压等级最大工作电压直流交流(rms)A0U600U30B60U150030U1000对于相互传导连接的电路，当电路中直流带电部件的一极与电平台连接，且其它任一带电部分与这一极的最大电压值W30VAC(rms)且W60VDC,则该传导连接电路不完全属于B级电压电路，只有以B级电压运行的部分才被认定为B级电压电路。3 .绝缘电阻检测高压安全的一个重要方面就是系统

5、的绝缘水平。电动汽车的高压系统，包括电池包、电机及电机控制器和一系列车载用电器，高压部件遍布整个汽车底盘。高压电气回路带电部件与自身壳体之间、高压回路与底盘之间、不同高压部件之间、高压系统与低压系统之间都有绝缘要求。国家标准中对整车绝缘有最低要求，但电气部件供应商提供的产品，在设计过程中，绝缘指标必须要有安全裕量，以确保在部件的生命周期内，绝缘措施不会因为老化而失效。在EV国家标准中，对绝缘电阻的要求如下。在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值应至少大于1OOV,交流电路应至少大于500/VoP整个电路为满足以上要求，依据电路的结构和组件的数量，每个组件应有更高的绝缘电阻。评价绝缘性能有两

6、个参数：绝缘电阻和耐电压。那这二者之间有什么联系吗？从它们的名字能看出来，绝缘电阻考察的动力电池正负极与底盘之间的电阻值，而耐电压考察的是系统漏电流是否突变。需要提醒的是，在耐电压测试中要求一般是没有击穿或闪络现象，但并没有具体的漏电流指标，而实际在做耐压测试时，测试设备上都会设置一个漏电流值(如ImAjo这是因为随着测试电压的升高，漏电流的变化并不是线性的，而是当到达某个临界值时，漏电流会突然增大，伴随出现击穿或闪络现象，而这时的漏电流会远远大于1mA。(1)击穿：在电场作用下绝缘物内部产生破坏性的放电，绝缘电阻下降，电流增大，并产生破坏和穿孔现象。(2)闪络：指固体绝缘子周围的气体或液体电

7、介质被击穿时，沿固体绝缘子表面放电的现象。从上面的定义可以看出，击穿和闪络是不同的现象。击穿的结果基本是绝缘短路的状态，而闪络表现出来的是拉弧或跳火，并不会立即造成绝缘体的损坏，但长此以往也会造成绝缘损伤。另外，二者的测试电压也不同。2.1 绝缘电阻测试条件(BMS未工作)如下图，测试电压最高为IoooVDC。5. 5.1.1在与动力电池相连的带电部件和其壳体之间按照表5施加直流电压，持续时间60So6. 5.1.2在完成5.7.10湿热循环试验后，在室温中放置0.5h,在与动力电池相连的带电部件和其壳体之间按照表5施加直流电压，持续时间60So7. 4.1.3在测量时若被测对象的绝缘监测功能

8、会对测试结果产生影响，应聘绝缘监测功能关闭或者将绝缘电阻监测单元从被测对象中断开。表5绝缘电阻试验电压直流额定绝缘电压U(V)绝缘电阻测试仪器的电压(V)6025060U3005003OOU7OO1000700U9501000知平2.2 当BMS工作时，绝缘电阻的要求如下。此时的绝缘电阻由于检测电路的存在而变小。GB/T18384.120155.1.4要求对于没有嵌入在一个完整的电路里的REESS,如果在整个寿命期内没有交流电路,或交流电路有附加防护,其绝缘电阻RI除以它的最大工作电压,应不小于100n/s如果包括交流电路且没有附加防护,则此值应不小于500Vo如果REESS集成在了一个完整的

9、电路里，可能需要一个更高的REESS阻值。注hREESS集成和附加交流防护方法的细节见GB/T18384.3.注2：某些种类的电池，因为损耗有时会导致电阻低于绝缘电阻的最小要求.2.3耐电压测试条件如下图(GB/T18384.3),如果动力电池标称电压500V,那么需要2000VAC来进行测试。7.3.3.3.2标准试验电压应施加以下频率为50HZ60Hz的交流试验电压1min：如果采取基本绝缘,施加(2U+1000)V(rms)的交流电压；如果采取双重绝缘和加强绝缘,施加(2U+3250)V(rms)的交流电压。其中U为组件所连接的电路的最大工作电压,单位为伏。等效直流试验电压是交流电压值的

10、1.41倍。从上面的讨论可以看出，绝缘电阻和耐电压是从不同角度来衡量动力电池及BMS系统，二者必须同时满足标准要求，缺一不可，否则就会存在安全隐患。比如，某绝缘材料能够承受1500VDC的电压。当测试其绝缘电阻时，测试电压为IOOOVDC,绝缘电阻能够满足要求；但当测试其耐压性时，由于测试电压高达2000VDC,就会造成击穿，结果就是绝缘电阻符合要求但耐压性不符合要求。4.电路基础系列：交流波形电压有效值-RMS电压4.1. 交流波形电压“均方根”值-RMS电压交流波形电压有效值也表示为交流波形RMSoRMS表示“均方根”值。RMS电压定义为“波形中所有瞬时电压平方的平均值的平方根。RMS值可

11、以如下求出，输入平方并计算平均值。这给出了平均功率。为了计算电压，取先前获得的平均值的平方根。因此,它被称为均方根电压。RMS值用于获得当任一值应用于电阻器时会消散相同热量的交流电的直流等效值。最大值为14安培的交流电流通过电阻器产生的热量与1安培的直流电流相同。因此，RMS值有时也称为等效值或直流等效值。交流波形的电压或电流的RMS测量是关联交流和直流量的最佳方式。RMS值也称为“有效值”，它相当于直流值（电流或电压），交流信号产生与直流相同的功率。通常，电源电压实际上是RMS值。例如，在印度，电源电压在220-240V之间。这实际上是交流电的RMS值，相当于产生与220-240V直流电相同

12、的功率。RMS仅用于指交流波形，即随时间变化的正弦波形，如交流电压、交流电流或幅度随时间变化的其他复杂波形。RMS不适用于幅度随时间恒定的直流电路。求电压有效值的过程与求平均电压值的过程非常相似。有两种方法可以找到波形的RMS电压。它们是：图解法和分析法。?.2.图解法在这种方法中，我们将通过使用中坐标或交替波形的瞬时电压值来找到电压有效值。RMS值的明确推导涉及如下所示的多个步骤。0?.2.1.步骤1在每种交流波形中，我们都有许多瞬时电压，瞬时电压的数量取决于时序持续时间。例如，如果将波形分成n个中坐标，那么在时间t=2的时刻，交流波形的瞬时电压为V2o类似地，在实例t=n时，瞬时电压为va

13、n等。所以首先我们找到每个周期波形实例的瞬时电压值，如VI、V2、V3和Vno为了求波形的电压有效值，我们应该找到交流波形的每个电压值的平方值。这给出了RMS的“平方”部分。V12+V22+V32+V42+4.2.2.步骤2求电压值平方和的平均值或平均值。我们将平方和除以中间坐标的数量。这给出了RMS的“平均值”部分。周期波形的交流波形的所有电压值的平均值，将给我们最准确的电压有效值。通常，在所有数学近似中，我们建立平均值以防止错误值并列出最精确的计算值。如果我们有n个实例的电压Vn值，则平均值计算如下。该值的平方根为我们提供了交流波形的RMS值。计算电压有效值的公式如下所示。其中n是实例数,

14、例子如果我们有一个最大振幅为20伏的交流波形，让我们找到它的RMS电压。我们将波形分为10个中间纵坐标值，如下所示。因此，峰值为20V的交流波形的RMS电压为14.15伏图形法是一种非常有效的方法，可以找到包括复杂波形在内的所有类型波形的RMS值。?.3.分析方法用于查找周期性交流波形的RMS电压（或电流）的另一种方法是分析方法或数学方法。这种方法适用于正弦波形。在这种方法中，我们将通过分析交流波形曲线下的面积来计算RMS电压。在处理纯正弦波形时，这种方法比图形方法更容易。具有时间周期T的周期性正弦波信号由表达式给出V(t)=Vm.cos(t)其中=2/TRMS电压可以计算为VRMS=1Tf0

15、tVm2cos2(tdt对于波形的一个完整周期或周期，积分限制为0到360Oo所以通过上下限积分，我们得到复杂方程可以通过将其除以=2/T来进一步简化。然后，RMS电压的简化方程为VRMS=Vm/2=Vm*0.707?.4.RMS电压方程通过使用波形的其他电压值(如峰值电压、峰峰值电压和平均电压)来计算RMS电压。就峰值电压值而言交流波形的电压有效值是峰值电压值的0.707倍或1/J2倍。可以通过将峰值电压除以2的平方根(接近0.707)来计算RMSoVRMS=V峰值x12VRMS=V峰值X0.707就峰峰值电压值而言RMS电压值可以通过将峰峰值电压值乘以1/22或0.35355来计算。峰峰值电压表示为VP-P。VRMS=VP-Px122VRMS=VP-PX0.353就平均电压值而言交流波形的电压有效值是平均电压值的1.1107倍。Vrms=VAVGx/22VRMS=VAVG