摘要
BMS系统的工作电压普遍大于人体所能承受的安全电压，若绝缘性能下降将导致漏电流增大，对人身安全造成威胁。
本文中介绍的绝缘监测电路使用固态继电器NSI7258通过电池正母线对地、负母线对地绝缘电阻的计算和监测来判断绝缘性能，实现高精度和高可靠性的绝缘监测。
1. 方案原理
1.1 绝缘监测实现原理
根据GB 18384《电动汽车安全要求》要求，在最大工作电压下，绝缘电阻需要大于500Ω/V。因此对于母线电压为VBUS的系统，绝缘电阻均需要满足大于 500·VBUS以保障人身安全。当绝缘电阻劣化，绝缘监测电路应快速识别并发出报警。
图1.1 绝缘监测电路推荐应用电路
绝缘监测电路推荐应用电路如图1.1所示，K1及K2为纳芯微固态继电器(Solid-State Relay, SSR)产品在绝缘监测电路中的主要应用位置，芯片采用低压侧控制，即芯片低压侧参考地为车身地。该应用电路每隔2-3秒，通过K1、K2开关来进行一次绝缘监测电路Rp、Rn的阻值测量，通过开关K3实现绝缘监测电路是否工作的控制。绝缘监测过程中，K3处于常闭状态。
定义母线电压为VBUS，直流正母线到车身地的电压为Vp，车身地到直流负母线的电压为Vn。
当K1断开，K2断开，此时R5上电压为V0，则Vn0= V0*(R4+R5)/R5，Vp0=VBUS-Vn0，可得计算公式(1)：
当K1闭合，K2断开，此时R5上电压为V1，则Vn1= V1*(R4+R5)/R5，Vp1=VBUS-Vn1，可得计算公式(2)：
由计算公式(1)和计算公式(2)可得计算公式(3):
当K1断开，K2闭合，此时R5上电压为V2，则Vn2= V2*(R4+R5)/R5，Vp2=VBUS-Vn2，可得计算公式(4)：
由计算公式(1)和计算公式(4)可得计算公式(5):
公式(3)和公式(5)是绝缘电阻计算的结果。
2. 器件选型
2.1 电阻选型
· 2.1.1 电阻选型考量
通常，电路设计上，令R1=R2＜R3=R4，并存在如下设计考量：
对ADC输入电压的考量：R5上的电压需要一直小于ADC的最大输入电压，最大值接近ADC的最大输入电压，以保证ADC的输出精度。所以R5/(R4+R5)*VBUS需要接近ADC的最大输入电压，以此得到R5、R4的比例。
对ADC内阻的考量：R5作为ADC采样的输入口，其阻值需要小于ADC的内阻(如<RADC/10)，以便忽略ADC内阻影响。
对绝缘阻抗影响的考量：K1和K2开关过程中，监测电路中的R1和R2分别并联在Rp和Rn上，如果R1、R2过小，将导致实际上的绝缘电阻Rp//R1和Rn//R2大幅降低。
对识别精度的考量：结合公式(4)，当Rp//R3劣化达到小于临界值500·VBUS后，当：
MCU识别到绝缘电阻劣化并报警，因此需要较小的R2，以便Vp2和Vn2在数值上有足够的差异来抵消ADC精度误差。
对Settle time的考量：在实际系统中，部分客户车身地和电池地中间并联Y电容（即与Rn并联），存在RC充放电过程，R1、R2需要小一些以便于减少settle time。如R1、R2取得过小，将导致K1、K2闭合时的并联等效阻抗Rp//R3//R1、Rn//(R4+R5)//R2偏小，也对人身安全造成威胁。
· 2.1.2400V/800V系统推荐电阻值
基于上述分析，可以基于下表设计绝缘监测电路分压电阻。
表2.1 400V系统推荐电阻选型
表2.2 800V系统推荐电阻选型
2.2 继电器选型
· 2.2.1 继电器漏电流对监测精度影响
绝缘电阻劣化到小于500·VBUS时系统监测到此现象应报警。以VBUS=800V的系统为例，按标准要求绝缘电阻应大于400kΩ，若K1、K2上漏电流小于1μA，其等效阻抗大于800MΩ，远大于绝缘电阻Rp、Rn，对于400kΩ测量带来的误差小于0.05%。若K1、K2上漏电流为10μA，其等效阻抗等于400 MΩ，测量误差约为0.5%。
因此，漏电流越大，对于测量精度的影响越大。选用漏电流小(<1μA)的纳芯微SSR产品来实现K1、K2的开通、关断功能将有益于提升测量精度，避免误报警。
· 2.2.2 继电器可靠性对系统可靠性的影响
传统机械继电器开关寿命受限，一旦到达最大开关次数，系统绝缘监测功能失效，人身安全隐患突出。因此机械继电器已经基本退出此应用场景。
传统PhotoMOS目前使用较多。PhotoMOS在控制侧发光二极管(LED)通电流后，光敏二极管接收到光的照射，由光电效应产生电流从而控制高压侧MOS导通。
图3.1 PhotoMOS原理
LED经过长时间使用后，发光强度将会降低。主流光耦供应商对于PhotoMOS产品使用寿命进行了预测，1000小时后阈值电流就会升高10%，11年后阈值电流需要提高5倍以上。若按照数据手册中的阈值电流进行设计，光敏二极管接收到的能量不足，将导致误码失效。改善的方法只能是设计较大的输入电流来解决光衰问题。但是另一方面，更大电流带来更高的温度，高温将导致发光二极管将电信号转化为光信号和光敏二极管将光信号转化为电信号的效率降低，同时，由于高温寿命问题，PhotoMOS一般限制在最大85°C环境温度下。多种因素使得光耦产品可靠性受到极大的挑战。
采用容隔或者磁隔的固态继电器来替代类似光耦的PhotoMOS，可以极大提高系统的可靠性。纳芯微开发的NSI7258固态继电器是一款通过EMI CISPR25 CLASS 5标准，同时采用高可靠电容隔离技术的产品，将强大的技术创新能力与车规高可靠性的质量管理体系结合，为绝缘监测系统提供高性能，高可靠性的解决方案。
图3.2 NSI7258 EMI测试结果
3. 绝缘监测应用中的EMS注意项及推荐解决方案
3.1 绝缘监测应用潜在EMS问题
在新能源汽车中，电子组件的可靠性对车辆的整车性能起着至关重要的作用。特别是在面对恶劣电磁干扰环境下，确保车辆集成的各单元能够正常运作，符合电磁兼容性标准，成为了一个关键问题。
诸如辐射抗扰(RI)、大电流注入(BCI)、手持发射机抗扰(PTI)等部分EMS测试，可等效为在芯片的高、低压侧两端加一高频电流源，如图4.1所示。尽管电路板上及空间中存在寄生电容高频电流泄放路径，但仍然会有部分电流直接注入芯片内部。在电流频率较高时(约几百MHz)，隔离电容呈现阻抗相对较低，成为潜在电流通路，且当电路上无其他高频电流泄放路径设计时，电流将穿过隔离电容，经由芯片高压侧回流至低压侧，形成电流环路，将可能干扰芯片正常工作。
图4.1 部分EMS测试等效模型
BMS系统产品在设计验证环节中，需要对进行系统ESD测试，其中下电模式，用以模拟产品在制造、组装、测试、存放及搬运等过程中，因人为接触所导致人体积累的静电的泄放过程，评估产品抵抗静电放电破坏能力。
在该测试中，需要将ESD枪的地接至设备机壳地，放电点为暴露在表面的零部件(机壳、螺丝等)及人能直接接触到的接插件的每个Pin脚，且通常需要通过±8kV测试需求。由于固态继电器产品跨接在BMS系统高压域与低压域间，若芯片位置设计不合理，±8kV的ESD电压将直接施加在芯片隔离带两侧，且无其他ESD电流泄放路径。测试等效模型如图4.2所示。