电池管理系统中一种绝缘电阻检测方法

杨守建

（联合汽车电子有限公司，上海 201206）

纯电动汽车（Battery Electric Vehicles, BEV）和插电混动汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）中的电池系统通常为400 V系统，部分主机厂开始研发 800 V电池系统以提升整车续航能力，而400 V和800 V电压等级已远超行业规定的36 V人身安全电压。EV和PHEV中的电池模组在高温、车用振动冲击，电池电解液泄漏等恶劣的工作环境下，整车车身地与电池模组间的绝缘介质容易被损坏，进而导致高低压系统间绝缘性能变差，造成系统功能异常，危及人身安全。

因此，对车载高低压系统间的绝缘电阻进行实时有效检测，当绝缘电阻检测值超出规定范围后，控制系统及时采取保护措施以保障人身安全显得尤为重要。论文介绍了绝缘电阻的定义，安全阈值，被动检测方法，并针对绝缘电阻被动检测方法的不足，提出了一种基于全桥隔离检测电路的主动绝缘检测方法[1-2]，提高了检测准确性和可靠性。

1 绝缘电阻的定义

在电动汽车上，绝缘检测的目标是通过绝缘检测电路采集相关电信号，并通过绝缘检测算法计算出电池模组与整车车身地之间的等效电阻，即绝缘电阻，其阻值大小可反映电动汽车高低压系统之间绝缘性能的好坏。

根据GB/T 18384—2020中电动汽车安全要求[3]，绝缘电阻的阻值除以动力电池的标称电压 U，所得的值应大于100 Ω/V。若不满足该要求，则认为出现系统绝缘故障。

绝缘电阻按照设备的标称电压计算，应符合表1要求[4]。

表1 绝缘电阻的要求

其中，将设备上外露可导电部分与保护导体连接，利用基本绝缘对设备部件进行绝缘保护的称为I类设备；采用多层绝缘或加强绝缘保护的称为Ⅱ类设备[4]。

如表1所示，采用100 Ω/V和500 Ω/V两挡阈值将绝缘性能划分成三个等级。当绝缘电阻低于100 Ω/V时，绝缘等级为不合格，系统需立刻报警，自动断开动力设备与动力电池的连接，并采取有效防护措施；当绝缘电阻介于100 Ω/V和500 Ω/V之间，绝缘等级为合格，可作绝缘故障预警；当绝缘电阻大于500 Ω/V时，绝缘等级为良好，系统未发生绝缘故障[5-6]。

由于绝缘故障涉及行车安全和人身安全，因此，在100～500 Ω/V的检测精度非常重要，根据当前获取客户项目技术需求输入，绝缘电阻检测精度通常要求为-25%～0%。

2 绝缘电阻检测电路及方法

图1为电动汽车绝缘电阻被动检测方法系统框图[7]，该系统主要由高压电池、绝缘检测电路、隔离系统、主控制器、通讯单元和故障报警系统组成。图1示意了待检测的绝缘电阻RP和RN，RP表示高压电池正极与车身地之间的等效绝缘电阻，RN表示高压电池负极与车身地之间的等效绝缘电阻。RB1、RB2为诊断辅助电阻，电阻RB1的另一端接高压电池正极，电阻RB2的另一端接高压电池负极。隔离系统包括电源隔离和通讯隔离，用于隔离高压区和低压区。高压区指由高压动力电池供电的部分，主要包括高压电池包和绝缘检测电路；低压区指由低压辅助蓄电池供电的部分，主要包括主控制器、通讯单元和故障报警系统。

图1 绝缘电阻被动检测系统框图

主控制器通过高压 AD隔离采样电路，实时采集并读取高压电池正极对高压电池负极的电压UPN和车身地对高压电池负极的电压UN，并定义α=(UPN-UN)/UN。由于高压电池正极对车身地的绝缘电阻和高压电池负极对车身地的绝缘电阻在正常状态下是对称相等的，所以高压电池对车身地绝缘电阻无异常时α基本等于1。当高压电池某一极对车身地绝缘电阻发生突变，则会导致α大于1或小于1，触发绝缘故障报警。

绝缘电阻被动检测方法依据高压电池正负极对车身地的电压采样值，能快速判断出高压电池正负极对车身地绝缘电阻变化趋势，但却无法计算出绝缘电阻阻值，且当高压电池正负极对车身地绝缘电阻发生同向同比例变化时，α值将始终保持在 1左右，无法报出绝缘故障。除此之外，虽然诊断辅助电阻RB1、RB2设置的值较大，通常在几兆欧到几十兆欧，使得高低压系统基本绝缘，但当诊断辅助电阻出现短路或者阻值减小失效，也易引发绝缘故障。

为解决绝缘电阻被动检测的不足，论文在系统框图（图1）的基础上，提出了基于全桥隔离检测电路的电动汽车绝缘电阻主动检测方法，具体如图2所示。该系统在绝缘检测电路中增加了全桥电阻开关网络，包含正极控制开关S1和负极控制开关 S2，正极控制开关 S1和负极控制开关 S2一端连接在一起，正极控制开关S1的另一端接正极开关电阻RS1，电阻RS1的另一端接高压电池正极，负极控制开关 S2的另一端接负极开关电阻RS2，电阻RS2的另一端接高压电池负极。同时避免绝缘检测电路中元器件失效带来绝缘性能的下降，车身地与其余电阻开关电路之间串接启动开关 S0。

图2 基于全桥隔离检测电路的主动绝缘电阻检测系统框图

采用上述电动汽车或混合动力汽车绝缘检测系统进行主动检测的方法，如图3所示，包括以下步骤：

图3 绝缘电阻检测方法的流程图

1）主控单元等待接收电动汽车电池管理系统下达绝缘检测指令；

2）主控单元若接收到绝缘检测指令，则执行步骤3），否则执行步骤1）；

3）使启动开关S0处于闭合状态，正极控制开关S1和负极控制开关S2都处于断开状态，由AD采样子系统采样电池包正极对电池包负极的电压UPN和车身地对电池包负极的电压UN，定义α=(UPN-UN)/UN。根据电阻分压关系[8]可得

4）根据UPN-UN与UN的比值α判断闭合正极控制开关S1或负极控制开关S2，执行步骤5）或步骤6）；

5）当比值α>1时，说明RP>RN。为了更精确地计算到绝缘阻值，闭合正极控制开关 S1，保持负极控制开关S2断开。由AD采样子系统采样电池包正极对电池包负极的电压UPN1和车身地对电池包负极的电压UN1，定义β=(UPN1-UN1)/UN1。根据电阻分压关系[9]得

联立式（1）、式（2），可求得RP和RN，如式（3）所示：

6）当比值α≤1时，说明RP≤RN。为了更精确地计算到绝缘阻值，闭合负极控制开关 S2，保持正极控制开关S1断开。由AD采样子系统采样电池包正极对电池包负极的电压UPN2和车身地对电池包负极的电压UN2，定义γ=(UPN2-UN2)/UN2。根据电阻分压关系[8]得

联立式（1）、式（4），可求得RP和RN，如式（5）所示：

7）当步骤5）或步骤6）计算得到的RP和RN都大于500 Ω/V×工作电压时，说明绝缘性能良好，无需绝缘报警；当RP和RN中一个小于500 Ω/V×工作电压，另一个大于500 Ω/V×工作电压时，说明高压电池正负极单端绝缘性能下降，启动单端绝缘故障报警；当RP和RN都小于500 Ω/V×工作电压时，执行步骤 8），进行绝缘阻抗精确计算校验；

8）当采用式（3）或式（5）计算得到的RP和RN都小于500 Ω/V×工作电压时，此时采用以上方法所测到的绝缘阻值精度较差，并且此阻值范围也是较关心的双端绝缘性能均变差的区域。改变正极控制开关S1和负极控制开关S2的状态，重新联立方程进行精确计算，也是对前述计算值的校验确认。若原来处于步骤5）：正极控制开关S1导通，负极控制开关S2断开，则切换到步骤6）：正极控制开关S1断开，负极控制开关S2导通；若原来处于步骤6）：正极控制开关S1断开，负极控制开关S2导通，则切换到步骤5）：正极控制开关S1导通，负极控制开关S2断开。同样，由AD采样子系统采样电池包正极对电池包负极的电压和车身地对电池包负极的电压。

联立式（2）、式（4），可求得RP和RN，如式（6）所示

若式（6）求得的RP和RN还是都小于500 Ω/V×工作电压，则启动双端绝缘故障报警。

3 Simulink仿真

图4为基于全桥隔离检测电路的主动绝缘检测系统的Simulink仿真模型。其中，Battery模拟400 V整车高压电池包，RP和RN为模拟整车高压电池正负极对车身地等效绝缘电阻。通过控制Ideal Switch2 和Ideal Switch3导通，使Rn1和Rp1分别和RN和RP并联，来模拟等效绝缘电阻的变化。Ideal Switch1， Ideal Switch，Rsu，Rsd，Rpu，Rpd分别模拟图2 中的 S1，S2，RS1，RS2，RB1，RB2。本模型中取RP=RN=1 MΩ，Rp1=Rn1=100 kΩ，Rpu=Rpd=3 MΩ，Rsu=Rsd= 1 MΩ。

图4 绝缘检测系统的Simulink仿真图

通过上文所述绝缘电阻检测算法，搭建下方Simulink算法模型，两个电压采样模块分别采样总电池电压和车身地到电池包负极的电压，并通过除法模块进行除法运算，通过运算值判断执行上部开关或下部开关的闭合操作。功能算法模块将开关闭合前后的比值联立方程，即可求出等效绝缘电阻RP和RN。

当Ideal Switch3保持断开，控制Ideal Switch2在t=40 s前保持闭合，电阻RP1与RP并联，并联后等效电阻为1 MΩ//100 kΩ≈90.91 kΩ，当t=40 s时，控制Ideal Switch2由闭合转为断开，即模拟总的等效绝缘电阻RN在40 s时从90.91 kΩ突变为1 MΩ。如图5RN曲线所示，上述仿真模型在t=58 s时，计算出高压电池负极对车身地的等效绝缘电阻值为1.05 MΩ，检测时间约为(58-40)=18 s，检测精度为(1-1.05)/1×100%=-5%，满足-25%～0%绝缘电阻检测精度要求。

图5 绝缘电阻检测仿真计算输出

当Ideal Switch2保持断开，控制Ideal Switch3在t=65 s时由断开转为闭合，电阻RP1与RP并联，并联后等效电阻为1 MΩ//100 kΩ≈90.91 kΩ，即模拟总的等效绝缘电阻RP在65 s时从1 MΩ突变为90.91 kΩ。如图5RP曲线所示，上述仿真模型在t=78 s时，计算出高压电池正极对车身地的等效绝缘电阻值为87.68 kΩ，检测时间约为(78-65)=13 s，检测精度为(87.68-90.91)/90.91×100%=-3.56%，满足-25%～0%绝缘电阻检测精度要求。

4 总结

论文介绍了电池管理系统中基于全桥隔离检测电路的主动绝缘检测方法，该方法可以准确计算出高压电池正负极对车身地的等效绝缘电阻值，并根据不同绝缘阈值，进行绝缘故障预警，单端绝缘故障报警和双端绝缘故障报警。在实际电池管理控制器项目开发中，应用本方法进行开发的控制器经过电池包台架测试、环境耐久测试以及整车夏季和冬季试验验证，绝缘电阻检测功能良好，相关控制器产品在客户400 V系统中已顺利量产，并将对800 V系统绝缘电阻检测提供设计参考。