绝缘检测电路要怎么设计才会测得更快更准

baoshijie

2020年03月31日，国家标准化管理委员会发布了《GB/T 38661—2020电动汽车用电池管理系统技术条件》标准，该标准于2020年10月01日起实施。（这标准可以直接百度搜到，虽然不能下载，但是能看）在这个技术条件出来之前，各家对于绝缘电阻的测量精度都是按照够用就好的原则来设计的，不过与国标里面规定的也基本相似，而这里却给出了详细的误差要求，最主要的差别就是对小于50K的区间进行了详细的误差定义。技术条件里面指出，绝缘电阻的测量精度要求为：
±20%（@≥400V），±30%（@＜400V），在绝缘电阻小于50K的时候，最大误差不超过±10K。


那究竟怎样设计绝缘检测电路才能保障BMS满足国标中规定的测量误差呢？先一步一步来分析一下吧。

绝缘电阻怎么测？

目前市面上的绝缘检测大多采用国标法（GBT18384里面说的那个方法），而国标法通常就是指的惠斯通电桥法，通过在绝缘电阻的旁边并联一个电阻来来构建两种不同平衡下的方程，然后通过方程解未知数的方式来计算得出绝缘电阻。

下面这个就是惠斯通电桥，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂。



在前几年绝缘检测电路全部采用分立器件的方式进行搭建，包括高压的开关来并联桥臂，包括对高压采样的放大与AD采样，并且还要通过MCU来控制不同的分立器件按照一定的顺序来进行工作，最后经过计算才能得到绝缘电阻。

目前包括ADI（吃了凌特）公司的LTC2949，还有ST公司的一些芯片，直接能够提供足够简单的外部器件结构，按照芯片设定好的电路直接进行计算就可以得到你想要的的结果。并且电桥法经过演变，拓展出很多衍生的结构，这些结构的最终目的都是通过构建不同的静态电压平衡来构造方程，计算出绝缘电阻。但是关于电桥法中桥臂电阻的选择，每个BMS开发者都有自己的理解，并且不同的BMS厂商开发出来的电路多少有些不同。

一、绝缘检测的详细计算过程



LTC2949推荐的应用电路

这个芯片具有检测温度，总电压等等功能，对其绝缘检测电路单独提炼出来的结构如下：



绝缘检测电路简化

通过使能MOSFET断开和闭合，能够构建两种稳态关系，建立不同的方程。



MOSFET断开时

MOSFET断开时，（R+//6.6M）与（R-//6.53M）串联，能够通过V1的电压计算得到GND相对于电池负极的电压Vgnd，构建出来一个方程。
(R-//6.53M)/[(R+//6.6M)+(R-//6.53M)]*Vbat=Vgnd


MOSFET闭合时

MOSFET闭合时，则是R+与（R-//3.3M//6.53M）电阻的串联分压，能够通过V1计算得到GND点对于电池负极的电压Vgnd，构建出来第二个方程。

(R+)/[(R-//3.3M//6.53M)+(R+)]*Vbat=Vgnd

计算得出来绝缘电阻值公式为：

R+=2*3.3M*Vbat（VX1-VX2）/（VX2*(Vbat+VX1)））

R-=2*3.3M*Vbat（VX1-VX2）/（Vbat2-2*Vbat*VX1+2*Vbat*VX2-VX1*VX2）

二、误差从哪里来
理论上的计算都能得到准确的绝缘电阻值，我们针对从公式上得到的结果做一个量化的分析，假设电池电压为400V，R+与R-都是3M的电阻，与桥臂的3.3M大小相当，。则VX1与VX2的差值会因为并联进去电阻的原因，相差较大，减少了因为V1采样误差导致的影响。可以算出来比较准确的R+与R-。

假设R+与R-都是3M，则理论上VX1=199.46V，VX2=118.641V。假设采样的误差是往下偏1%。则VX1的测量值为197.4654V，VX2的测量值为117.4536。套入到公式后计算得R+=3.009453M,R-=2.901M，R-的误差为3.3%。

根据这种采样误差可以看出，计算出来的绝缘电阻与真实电阻之间的误差很小。

假设R+与R-电阻都比较小，都是200K，则理论上VX1=199.949V，VX2=191.256V。假设采样误差还是1%。则VX1的测量值为197.94951V，VX2的测量值为189.34344V。套入公式后计算得到R+=200.675K，R-=196.481K，R-的误差为为2%。

三、将模型细化一下重新分析

经过上面一系列骚操作计算，这个精度很高，然后我把桥臂电阻换成500K，这么算下来精度肯定也是很高的（我没算，但是肯定误差很小，因为误差压根不是在这里产生的）。那肯定模型有问题，重新回顾一下整车的电气模型，似乎我们忽略了Y电容的影响（下次抽空讲讲Y电容从哪里来），加进去仿真试一下。

在主正和主负之间并入330nF的Y电容，这时候将开关S1由闭合状态变为断开状态，然后R4两端的电压开始升高，升高的趋势大概就是如下图的示波器所示。





Y电容与电桥桥臂组成的RC电路的时间常数τ=0.33s（R直接按照1MΩ来计算），按照前两天的那篇文章中的结论，当C充电到1%精度以内的话，需要的时间是5τ，也就是1.65s。

这样的话，当开关进行一次切换，至少需要等1.65s以上再进行采样，才能保障误差足够小。

当然，这是绝缘电阻在较低的区间时的测量值，如果绝缘良好，可能绝缘电阻有个几十M这样的，那时间常数就完全等效于桥臂电阻跟Y电容的乘积了，那等开关切换的时候，可能要等个8秒10秒这样，所以解决了题目的问题，为什么绝缘检测要这么久？

因此，在用电桥法测绝缘电阻的时候，最大的误差可能就来自于还没等桥臂稳定，就把采样点的电压给采集了上报上去。

四、怎么减少采样误差
为了减少误差，我们会选择较小的桥臂电阻，这样就算绝缘良好，也能在很短的时间内达到电压平衡的状态。但是根据GBT18384里面的要求，绝缘电阻最小应该要大于100Ω/V-500Ω/V。这样的话，对于400V的系统，原则上来说200K的电阻就够了。

但是我们要求在进行绝缘电阻测量的时候，要求桥臂电阻的并入是不能破坏电池的绝缘情况，因为会预留更大一点的桥臂电阻，来保障绝缘电阻较小时电池的绝缘性实际上不受到破坏。因此目前在选择桥臂电阻的时候，通常会在最小值200K的基础上增加2~4倍。

这样的话在进行电桥法测量的时候，不会导致电桥达到平衡的时间过长，也不会因为桥臂电阻的并入影响了实际的绝缘情况。当然输出阻抗小一点的话，对ADC的采样也稍微有点帮忙，只是现在的AD芯片输入阻抗都很高，这点影响就先忽略了。

以上的分析都是在理想的情况下进行分析计算，但实际上车上的绝缘电阻的引入，很多时候并不是电池的主正主负与车身之间的绝缘不良导致的，而是动力电池的中间某个地方绝缘不良引起的，模型可能会更加复杂一点。这个点就等后面慢慢再来分享吧。

mizhongquan

针对绝缘检测电路的设计以提升测量速度和精度，应遵循以下要点：

1. 设计应遵循《GB/T 38661—2020电动汽车用电池管理系统技术条件》标准，确保符合国家的标准化要求。
2. 优化电路结构，采用先进的测量技术，如数字绝缘测试技术，提高测量速度和精度。
3. 对绝缘电阻小于50KΩ的情况，应特别关注测量误差的控制，采用精细调节的算法或设备来确保测量精度满足标准要求。
4. 电路设计中应考虑到抗干扰因素，确保测量结果的稳定性。通过合理布局、优化参数和校验流程，我们可以提高绝缘检测电路的性能，满足电动汽车对绝缘电阻测量的快速和准确要求。在实施过程中，还需关注新标准的实施日期，确保产品能满足最新的国家标准。