Il rilevamento dei guasti a terra passivo e attivo differisce principalmente nel modo in cui stimola e misura il percorso di isolamento della batteria. Il rilevamento passivo commuta reti di resistori di polarizzazione noti tra i bus CC ad alta tensione e il telaio, quindi calcola la resistenza di isolamento in base alle variazioni di tensione risultanti. Il rilevamento attivo inietta un segnale di prova controllato, generalmente attraverso un circuito con trasformatore PWM controllato dalla CPU, e misura la risposta, offrendo una maggiore immunità al rumore del veicolo e del sistema di collaudo.
Il rilevamento passivo è più semplice e meno costoso, ma la sua accuratezza può diminuire in presenza di interferenze elettromagnetiche e disturbi di commutazione. Il rilevamento attivo aggiunge complessità circuitale e di controllo, ma generalmente fornisce misurazioni dell'isolamento più stabili e precise nei sistemi di batterie ad alta tensione più esigenti.
Cosa misura il sistema
Resistenza di isolamento rispetto al telaio
L'obiettivo è determinare quanto bene i bus ad alta tensione positivo e negativo siano isolati dal telaio elettrico.
Un modello semplificato considera il pacco batterie come dotato di due resistenze di isolamento: una dal bus positivo al telaio e una dal bus negativo al telaio. Questi valori aiutano a identificare i percorsi di dispersione che potrebbero creare rischi di scosse elettriche, guasti a terra o tensioni di contatto non sicure.
Perché entrambe le polarità dei bus sono importanti
Un singolo valore totale di isolamento potrebbe non rivelare se il problema è concentrato sul lato positivo, sul lato negativo o su entrambi.
I circuiti di rilevamento dei guasti a terra applicano o osservano quindi condizioni di prova che consentono al sistema di stimare lo stato di isolamento di ciascun bus ad alta tensione rispetto al telaio.
Come funziona il rilevamento passivo dei guasti a terra
Le reti di resistori commutate creano la condizione di prova
Il rilevamento passivo collega resistori di polarizzazione noti al circuito di misura utilizzando interruttori o relè.
Il BMS o il controller di collaudo misura la variazione di tensione risultante riferita al telaio. Poiché i valori delle resistenze e la configurazione del circuito sono noti, il sistema calcola la resistenza di isolamento sconosciuta.
Il principio di misurazione
Il metodo è simile all'aggiunta di un resistore noto a un resistore sconosciuto e all'osservazione di come si ripartisce la tensione.
Se la tensione misurata varia come previsto, il sistema può dedurre la resistenza di isolamento approssimativa. La ripetizione della misurazione per diversi stati di commutazione può aiutare a distinguere le dispersioni dal positivo al telaio e dal negativo al telaio.
Vantaggi dell'approccio passivo
Il rilevamento passivo è interessante perché generalmente utilizza:
- Circuiteria semplice
- Un numero ridotto di componenti
- Basso consumo energetico
- Logica di controllo semplice
- Costi di implementazione inferiori
Queste caratteristiche lo rendono pratico in ambienti relativamente silenziosi e per progetti in cui è sufficiente una precisione di misurazione moderata.
Come funziona il rilevamento attivo dei guasti a terra
Viene iniettato un segnale di prova controllato
Il rilevamento attivo utilizza una sorgente controllata per iniettare un segnale di prova nel sistema ad alta tensione.
Nell'implementazione di riferimento, un circuito con trasformatore PWM controllato dalla CPU genera un segnale di prova CC di circa 150 V al di sopra della tensione totale del pacco. Questo livello è specifico dell'implementazione e non deve essere considerato un requisito universale per ogni progetto di monitoraggio attivo dell'isolamento.
La risposta viene misurata in condizioni controllate
Il sistema osserva la risposta di corrente e tensione prodotta dal segnale iniettato.
Poiché lo stimolo viene generato e controllato attivamente, la misurazione può essere progettata per rimanere identificabile anche quando la batteria, l'inverter, i contattori e i sistemi elettrici del veicolo producono un rumore di commutazione significativo.
I diodi controllano la direzione della corrente
I diodi unidirezionali impediscono alla corrente di potenza inversa di rifluire nel trasformatore.
Ciò protegge il circuito di iniezione e contribuisce a mantenere stabile l'erogazione della corrente di prova, in particolare quando la resistenza di isolamento è elevata e la corrente di dispersione risultante è molto ridotta.
La differenza principale: immunità al rumore
Il rilevamento passivo è più esposto alle interferenze elettromagnetiche
I sistemi passivi dipendono da eventi di commutazione e misurazioni di tensione che possono essere disturbati da interferenze elettromagnetiche, transitori di modo comune e rapide variazioni nel sistema elettrico del veicolo.
Le interferenze elettromagnetiche possono influire sulla temporizzazione degli interruttori, alterare i campioni di tensione e introdurre errori di calcolo. Il filtraggio e il coordinamento della temporizzazione possono ridurre questi effetti, ma aggiungono vincoli progettuali.
Il rilevamento attivo controlla l'ambiente di misurazione
I sistemi attivi generano un'eccitazione nota e possono sincronizzare il campionamento con tale eccitazione.
Ciò migliora il rapporto segnale-rumore e facilita il rigetto dei disturbi di commutazione estranei. Di conseguenza, il rilevamento attivo è generalmente più adatto ai pacchi batterie collegati a inverter, caricabatterie o altri componenti elettronici di potenza.
Confronto tra i metodi nei sistemi BMS e nei sistemi di collaudo
| Caratteristica | Rilevamento passivo dei guasti a terra | Rilevamento attivo dei guasti a terra |
|---|---|---|
| Metodo di prova | Commuta reti di resistori noti | Inietta un segnale di prova controllato |
| Complessità del circuito | Inferiore | Superiore |
| Costo | Generalmente inferiore | Generalmente superiore |
| Immunità alle interferenze elettromagnetiche | Più limitata | Generalmente maggiore |
| Precisione di misurazione | Dipende fortemente dal filtraggio e dalla temporizzazione | Generalmente più stabile in ambienti rumorosi |
| Misurazione delle alte resistenze | Può diventare sensibile alle dispersioni e al rumore | L'iniezione controllata può migliorare la rilevabilità |
| Applicazione ideale | Sistemi più semplici o relativamente silenziosi | Sistemi automobilistici, di laboratorio e di validazione ad alta tensione |
In un BMS di produzione
Un BMS di produzione può privilegiare il rilevamento passivo quando costi, dimensioni e semplicità sono i principali requisiti progettuali.
Tuttavia, il progetto deve comunque dimostrare un funzionamento affidabile durante la commutazione dei contattori, la ricarica, l'attività dell'inverter, le variazioni di temperatura e le condizioni elettromagnetiche previste.
In un sistema di collaudo delle batterie
Un sistema di collaudo di laboratorio o a fine linea trae spesso vantaggio dal rilevamento attivo perché deve produrre risultati ripetibili su numerosi pacchi batterie e in diversi stati operativi.
Una maggiore precisione di misurazione e immunità al rumore può ridurre i falsi fallimenti e migliorare la correlazione tra i risultati dei test e i requisiti di sicurezza.
Come gli standard e le soglie influenzano la scelta
Il limite di resistenza non è un unico valore universale
I requisiti di isolamento sono comunemente espressi in ohm per volt, ad esempio come una resistenza minima specificata in relazione alla tensione operativa della batteria.
Il limite applicabile dipende dal veicolo, dall'architettura della batteria, dalle condizioni operative e dallo standard di sicurezza vigente. Valori come 100 Ω/V o 500 Ω/V possono comparire in requisiti specifici, ma non devono essere applicati senza aver verificato lo standard pertinente e la condizione di misurazione.
La precisione di misurazione deve includere l'intero bilancio degli errori
Un rilevatore deve tenere conto di:
- Tolleranze dei resistori
- Precisione dell'ADC
- Dispersioni nei cablaggi e nei connettori
- Transitori di commutazione
- Interferenze elettromagnetiche
- Capacità del pacco batterie
- Tempo di assestamento della misurazione
Un metodo di rilevamento nominalmente adeguato può comunque fallire la validazione di sicurezza se la sua incertezza è troppo elevata in prossimità della soglia richiesta.
Il rilevatore non deve compromettere l'isolamento
Il circuito di misura stesso deve mantenere i requisiti di distanza superficiale, distanza in aria, tensione nominale, tolleranza ai guasti e isolamento galvanico.
I circuiti attivi introducono componenti aggiuntivi, come trasformatori, dispositivi di commutazione e diodi di protezione; pertanto, le relative modalità di guasto devono essere analizzate nell'ambito del progetto di sicurezza ad alta tensione.
Non confondere il rilevamento dei guasti a terra con il bilanciamento delle celle
Risolvono problemi diversi del BMS
Il rilevamento dei guasti a terra valuta l'isolamento tra i bus ad alta tensione della batteria e il telaio.
Il bilanciamento delle celle gestisce le differenze di tensione o di stato di carica tra celle collegate in serie. Il bilanciamento passivo dissipa l'energia in eccesso delle celle sotto forma di calore, mentre il bilanciamento attivo trasferisce energia tra le celle.
I termini “passivo” e “attivo” descrivono lo stile di implementazione in entrambi i casi, ma le funzioni sono indipendenti. Un circuito di bilanciamento attivo delle celle non fornisce automaticamente il monitoraggio attivo dell'isolamento.
Comprendere i compromessi
Il rilevamento passivo può essere sufficiente in condizioni controllate
Il rilevamento passivo non è intrinsecamente inadeguato. Con un dimensionamento appropriato dei resistori, filtraggio, controllo della commutazione, calibrazione e gestione dei guasti, può fornire un monitoraggio affidabile dell'isolamento.
Il suo limite è che la misurazione dipende maggiormente dall'ambiente elettrico circostante e dalla qualità della strategia di commutazione e campionamento.
Il rilevamento attivo richiede una maggiore progettazione
Il rilevamento attivo migliora la controllabilità e le prestazioni in presenza di rumore, ma richiede un lavoro di progettazione aggiuntivo.
Il trasformatore, il controllo PWM, la barriera di isolamento, la protezione con diodi, i limiti della tensione iniettata, la compatibilità elettromagnetica e la diagnostica software devono essere tutti convalidati.
Un'elevata precisione di misurazione non sostituisce l'architettura di sicurezza
Nessuno dei due metodi deve essere valutato esclusivamente in base alla precisione nominale della resistenza.
Un progetto completo richiede inoltre un tempo di risposta appropriato, il rilevamento dei guasti, il comportamento all'avvio, il comportamento durante la carica e la scarica, la protezione contro i guasti dei componenti e uno stato sicuro definito quando la misurazione non è valida.
Un'iniezione non adeguatamente controllata può creare nuovi rischi
Un segnale di prova attivo deve essere limitato e controllato in modo da non causare sollecitazioni eccessive, percorsi di corrente indesiderati o condizioni di tensione non sicure.
La tensione e la forma d'onda di iniezione devono quindi essere selezionate in base all'architettura di monitoraggio dell'isolamento del sistema e ai requisiti di sicurezza applicabili, non copiate da un altro progetto di batteria senza un'analisi adeguata.
Scegliere la soluzione giusta per il proprio obiettivo
Selezionare il metodo di rilevamento in base all'ambiente elettrico, alla precisione richiesta, all'obiettivo di certificazione e alla complessità di implementazione accettabile.
- Se l'obiettivo principale è ridurre i costi e semplificare il circuito: utilizzare il rilevamento passivo dei guasti a terra, a condizione che i test EMI, la calibrazione, il tempo di assestamento e la precisione della soglia dimostrino prestazioni adeguate.
- Se l'obiettivo principale è l'immunità al rumore e una precisione ripetibile: utilizzare il rilevamento attivo dei guasti a terra con eccitazione controllata, misurazione sincronizzata e una robusta protezione del trasformatore e dei diodi.
- Se l'obiettivo principale è il funzionamento automobilistico o con inverter ad alta potenza: preferire il rilevamento attivo, a meno che un progetto passivo non sia stato rigorosamente dimostrato in tutte le condizioni di commutazione e transitorie pertinenti.
- Se l'obiettivo principale è la conformità alla sicurezza: definire prima la soglia di isolamento applicabile e l'incertezza di misurazione, quindi selezionare il metodo in grado di rilevare i guasti con il margine richiesto.
- Se l'obiettivo principale è la valutazione del bilanciamento delle celle: trattare il rilevamento dei guasti a terra e l'equalizzazione delle celle come funzioni separate e convalidare ciascuna con i propri criteri di prova.
La scelta corretta è l'architettura di monitoraggio dell'isolamento più semplice in grado di soddisfare in modo affidabile i requisiti di precisione, immunità al rumore, tempo di risposta e sicurezza ad alta tensione.
Tabella riepilogativa:
| Caratteristica | Rilevamento passivo dei guasti a terra | Rilevamento attivo dei guasti a terra |
|---|---|---|
| Metodo di prova | Commuta reti di resistori noti | Inietta un segnale di prova controllato |
| Complessità del circuito | Inferiore | Superiore |
| Costo | Generalmente inferiore | Generalmente superiore |
| Immunità alle interferenze elettromagnetiche | Più limitata | Generalmente maggiore |
| Precisione di misurazione | Dipende fortemente dal filtraggio e dalla temporizzazione | Generalmente più stabile in ambienti rumorosi |
| Misurazione delle alte resistenze | Può diventare sensibile alle dispersioni e al rumore | L'iniezione controllata può migliorare la rilevabilità |
| Applicazione ideale | Sistemi più semplici o relativamente silenziosi | Sistemi automobilistici, di laboratorio e di validazione ad alta tensione |
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