新能源汽车绝缘检测电路的原理和设计

一、绝缘检测的应用场景

绝缘检测在各种电气和电子系统中具有重要的应用，特别是在以下几个主要领域：

• 电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）

电池管理系统（BMS）中确保高压电池组的安全运行，防止电池漏电和短路，保障乘客和车辆的安全；牵引逆变器中保证动力传输系统的绝缘完整性，防止高压系统中的漏电风险；车载充电器中确保充电过程中高压系统的安全性，防止漏电事故。

• 工业设备和电力系统

高压设备包括变压器、开关设备、断路器等高压设备的绝缘监测，以防止电气事故和设备故障；电动机和发电机中监测电动机和发电机的绝缘电阻，确保其正常运行，防止因绝缘故障导致的停机和损坏。

• 家用电器

检测家用电器的绝缘情况，确保使用安全，防止漏电和电击风险。

• 可再生能源

光伏中检测光伏PV板和逆变器的绝缘电阻，防止高压直流系统的漏电，确保系统的安全性和可靠性；风力发电系统中监测风力发电设备的绝缘情况，确保发电系统的安全运行，防止绝缘故障引起的停机和损坏。

• 医疗设备

生命支持设备，如呼吸机、心脏起搏器等，绝缘检测确保这些设备在高压环境下的安全性，防止电击风险；诊断设备，如X射线机、MRI等，高压设备的绝缘检测至关重要，确保操作人员和患者的安全。绝缘检测在这些应用场景中，保障了设备和系统的安全运行，防止电气事故，提高了系统的可靠性和寿命。

二、新能源汽车中绝缘检测典型电路原理

当电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）中存在两个不同电位的接地时，电隔离是一种必要的方法，以防止设备故障和乘客电击。因此，隔离漏电测量是一种必需的手段，用于发出危险警报并保护电路和乘客。漏电流是从牵引电池通过这些电阻和阻抗到车身地的所有交流电流的总和。这样，绝缘电阻表示了漏电电流的大小，因为牵引电池被视为高压直流电源。同时，一些安全标准要求测量绝缘电阻而不是漏电电流。

如图1所示，是新能源汽车中典型的用于高压动力电池正端和负端绝缘阻抗检测电路。RISO_N是高压动力电池正端和机壳地之间的阻抗。RISO_P是高压动力电池负端和机壳地之间的阻抗。S1和S2是高压动力电池的正端和负端的控制继电器。Rps是高压动力电池正端到运算放大器A1反相输入端的寄生阻抗，Rns是高压动力电池负端到运算放大器A2反相输入端的寄生阻抗。R1和R2分别是运算放大器A1和A2的比例放大电阻。

 

 

当S1闭合，S2断开，如图2所示，高压动力电池有两个漏电路径Ileakage1和Ileakage2。Ileakage1是从高压动力电池的正端（节点a）到机壳地，且这个漏电流的大小取决于正端电压（相对于机壳地）和RISO_P，如式1所示。Ileakage2是从高压动力电池的负端（节点b）到机壳地，且这个漏电流的大小取决于负端电压（相对于机壳地）和RISO_N，如式2所示，其中VBAT1是在S1闭合时测量得到的高压动力电池的电压。同时根据运算放大器的虚短、虚断，Ileakage1+Ileakage2如式3所示，其中Vpos是运算放大器A1的输出电压，VREF是运算放大器A1的同相输入端偏置电压。

 

 

整理式3可以得到式4：

 

 

 

 

当S1断开，S2闭合，如图3所示，高压动力电池有两个漏电路径Ileakage1和Ileakage2。是从高压动力电池的正端（节点a）到机壳地，且这个漏电流的大小取决于正端电压（相对于机壳地）和RISO_P，如式5所示。Ileakage2是从高压动力电池的负端（节点b）到机壳地，且这个漏电流的大小取决于负端电压（相对于机壳地）和RISO_N，如式6所示，其中VBAT2是在闭合S2时测量得到的高压动力电池的电压。同时根据运算放大器的虚短、虚断，Ileakage1+Ileakage2如式7所示，其中VNEG是运算放大器A2的输出电压，VREF是运算放大器A2的同相输入端偏置电压。

 

 

整理式7可以得到式8：

 

 

 

 

将式1和式2代入式3，可以得到式9：

 

 

将式5和式6代入式7，可以得到式10：

 

 

为了简化分析，这里假定Rps=Rns=R，根据式9和式10可以推导出RISO_P和RISO_N的表达式，如式11和式12所示。

 

 

其中，Va如式4所示，Vb如式8所示，这样就可以通过S1和S2的通断，对运算放大器A1和A2输出的测量，以及动力电池电压的测量，可以得到高压动力电池的正端对机壳地的绝缘阻抗RISO_P和负端对机壳地的绝缘阻抗RISO_N，并以此来判定绝缘性能。

三、新能源汽车中绝缘检测电路仿真如图4所示，是基于德州仪器高精度运算放大器TLV2387（为了降低运算放大器自身的失调电压和偏置电流带来的精度影响，这里选择了一款自稳零的器件。）搭建的新能源汽车绝缘检测TINA仿真电路。取Rps=Rns=R=1MΩ，R1=R2=10kΩ，VREF=2.5V，并假设RISO_P=400kΩ，RISO_N=600kΩ。

 

 

当S1闭合、S2断开时，动力电池电压为390V，仿真结果如图5所示，得到VPOS=1.26V。

 

 

当S1断开、S2闭合时，动力电池电压为420V，仿真结果如图 6所示，得到VNEG=4.55V。

 

 

根据式4，可以计算得到Va的电压：

 

 

根据式8，可以计算得到Vb的电压：

 

 

根据式11，可以计算得到RISO_P的绝缘阻抗（VBAT1=390V, VBAT2=420V）：

 

 

根据式12，可以计算得到RISO_N的绝缘阻抗（VBAT1=390V, VBAT2=420V）：

 

 

因此根据理论推导和仿真得到的绝缘阻抗RISO_P为，绝缘阻抗RISO_N为，和设定的实际值基本一致。

来源：模拟世界的搬运工