新能源汽車絕緣檢測電路的原理和設(shè)計

一、絕緣檢測的應(yīng)用場景

絕緣檢測在各種電氣和電子系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用，特別是在以下幾個主要領(lǐng)域：

• 電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）

電池管理系統(tǒng)（BMS）中確保高壓電池組的安全運行，防止電池漏電和短路，保障乘客和車輛的安全；牽引逆變器中保證動力傳輸系統(tǒng)的絕緣完整性，防止高壓系統(tǒng)中的漏電風(fēng)險；車載充電器中確保充電過程中高壓系統(tǒng)的安全性，防止漏電事故。

• 工業(yè)設(shè)備和電力系統(tǒng)

高壓設(shè)備包括變壓器、開關(guān)設(shè)備、斷路器等高壓設(shè)備的絕緣監(jiān)測，以防止電氣事故和設(shè)備故障；電動機和發(fā)電機中監(jiān)測電動機和發(fā)電機的絕緣電阻，確保其正常運行，防止因絕緣故障導(dǎo)致的停機和損壞。

• 家用電器

檢測家用電器的絕緣情況，確保使用安全，防止漏電和電擊風(fēng)險。

• 可再生能源

光伏中檢測光伏PV板和逆變器的絕緣電阻，防止高壓直流系統(tǒng)的漏電，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的絕緣情況，確保發(fā)電系統(tǒng)的安全運行，防止絕緣故障引起的停機和損壞。

• 醫(yī)療設(shè)備

生命支持設(shè)備，如呼吸機、心臟起搏器等，絕緣檢測確保這些設(shè)備在高壓環(huán)境下的安全性，防止電擊風(fēng)險；診斷設(shè)備，如X射線機、MRI等，高壓設(shè)備的絕緣檢測至關(guān)重要，確保操作人員和患者的安全。絕緣檢測在這些應(yīng)用場景中，保障了設(shè)備和系統(tǒng)的安全運行，防止電氣事故，提高了系統(tǒng)的可靠性和壽命。

二、新能源汽車中絕緣檢測典型電路原理

當電動汽車（EV）和混合動力電動汽車（HEV）中存在兩個不同電位的接地時，電隔離是一種必要的方法，以防止設(shè)備故障和乘客電擊。因此，隔離漏電測量是一種必需的手段，用于發(fā)出危險警報并保護電路和乘客。漏電流是從牽引電池通過這些電阻和阻抗到車身地的所有交流電流的總和。這樣，絕緣電阻表示了漏電電流的大小，因為牽引電池被視為高壓直流電源。同時，一些安全標準要求測量絕緣電阻而不是漏電電流。

如圖1所示，是新能源汽車中典型的用于高壓動力電池正端和負端絕緣阻抗檢測電路。RISO_N是高壓動力電池正端和機殼地之間的阻抗。RISO_P是高壓動力電池負端和機殼地之間的阻抗。S1和S2是高壓動力電池的正端和負端的控制繼電器。Rps是高壓動力電池正端到運算放大器A1反相輸入端的寄生阻抗，Rns是高壓動力電池負端到運算放大器A2反相輸入端的寄生阻抗。R1和R2分別是運算放大器A1和A2的比例放大電阻。

當S1閉合，S2斷開，如圖2所示，高壓動力電池有兩個漏電路徑Ileakage1和Ileakage2。Ileakage1是從高壓動力電池的正端（節(jié)點a）到機殼地，且這個漏電流的大小取決于正端電壓（相對于機殼地）和RISO_P，如式1所示。Ileakage2是從高壓動力電池的負端（節(jié)點b）到機殼地，且這個漏電流的大小取決于負端電壓（相對于機殼地）和RISO_N，如式2所示，其中VBAT1是在S1閉合時測量得到的高壓動力電池的電壓。同時根據(jù)運算放大器的虛短、虛斷，Ileakage1+Ileakage2如式3所示，其中Vpos是運算放大器A1的輸出電壓，VREF是運算放大器A1的同相輸入端偏置電壓。

整理式3可以得到式4：

當S1斷開，S2閉合，如圖3所示，高壓動力電池有兩個漏電路徑Ileakage1和Ileakage2。是從高壓動力電池的正端（節(jié)點a）到機殼地，且這個漏電流的大小取決于正端電壓（相對于機殼地）和RISO_P，如式5所示。Ileakage2是從高壓動力電池的負端（節(jié)點b）到機殼地，且這個漏電流的大小取決于負端電壓（相對于機殼地）和RISO_N，如式6所示，其中VBAT2是在閉合S2時測量得到的高壓動力電池的電壓。同時根據(jù)運算放大器的虛短、虛斷，Ileakage1+Ileakage2如式7所示，其中VNEG是運算放大器A2的輸出電壓，VREF是運算放大器A2的同相輸入端偏置電壓。

整理式7可以得到式8：

將式1和式2代入式3，可以得到式9：

將式5和式6代入式7，可以得到式10：

為了簡化分析，這里假定Rps=Rns=R，根據(jù)式9和式10可以推導(dǎo)出RISO_P和RISO_N的表達式，如式11和式12所示。

其中，Va如式4所示，Vb如式8所示，這樣就可以通過S1和S2的通斷，對運算放大器A1和A2輸出的測量，以及動力電池電壓的測量，可以得到高壓動力電池的正端對機殼地的絕緣阻抗RISO_P和負端對機殼地的絕緣阻抗RISO_N，并以此來判定絕緣性能。

三、新能源汽車中絕緣檢測電路仿真如圖4所示，是基于德州儀器高精度運算放大器TLV2387（為了降低運算放大器自身的失調(diào)電壓和偏置電流帶來的精度影響，這里選擇了一款自穩(wěn)零的器件。）搭建的新能源汽車絕緣檢測TINA仿真電路。取Rps=Rns=R=1MΩ，R1=R2=10kΩ，VREF=2.5V，并假設(shè)RISO_P=400kΩ，RISO_N=600kΩ。

當S1閉合、S2斷開時，動力電池電壓為390V，仿真結(jié)果如圖5所示，得到VPOS=1.26V。

當S1斷開、S2閉合時，動力電池電壓為420V，仿真結(jié)果如圖 6所示，得到VNEG=4.55V。

根據(jù)式4，可以計算得到Va的電壓：

根據(jù)式8，可以計算得到Vb的電壓：

根據(jù)式11，可以計算得到RISO_P的絕緣阻抗（VBAT1=390V, VBAT2=420V）：

根據(jù)式12，可以計算得到RISO_N的絕緣阻抗（VBAT1=390V, VBAT2=420V）：

因此根據(jù)理論推導(dǎo)和仿真得到的絕緣阻抗RISO_P為，絕緣阻抗RISO_N為，和設(shè)定的實際值基本一致。

來源：模擬世界的搬運工