I pacchi batteria ad alta tensione devono essere valutati sia mediante misurazioni della resistenza d'isolamento sia mediante metodi di monitoraggio dell'isolamento. Il requisito fondamentale consiste nel verificare che i conduttori ad alta tensione positivi e negativi rimangano sufficientemente isolati dall'involucro del pacco, dal telaio, dalla terra e dai circuiti di controllo a bassa tensione. Standard quali GB/T 18384.3, ISO 6469-3 e il Regolamento UNECE n. 100 esprimono comunemente il requisito come resistenza d'isolamento per tensione nominale, con 100 Ω/V spesso utilizzati come riferimento minimo per i sistemi in corrente continua e valori più elevati, come 500 Ω/V, applicati laddove lo standard pertinente o l'obiettivo di progettazione richieda una protezione maggiore.
La questione essenziale per la sicurezza non è semplicemente se la batteria abbia una resistenza elevata, ma se ciascun conduttore HV rimanga isolato in modo sicuro dalle parti conduttive accessibili in condizioni normali e in presenza di guasti, temperatura, vibrazioni, umidità e contaminazione.
Cosa deve dimostrare la misurazione
Isolamento dall'involucro e dal telaio
La misurazione deve stabilire la resistenza tra il bus ad alta tensione e le parti conduttive accessibili, inclusi l'involucro della batteria, il telaio del veicolo, il telaio del banco di prova e la terra di protezione.
Durante i test di ricerca e sviluppo è generalmente preferibile mantenere la batteria flottante, poiché ciò impedisce la formazione di un percorso di ritorno verso terra non previsto. Tuttavia, mantenere la batteria flottante non elimina il rischio di scossa tra i terminali positivo e negativo e non deve sostituire il monitoraggio dell'isolamento o le procedure di accesso controllato.
Isolamento positivo e negativo separato
Un singolo valore di resistenza totale può nascondere un guasto asimmetrico. La resistenza tra il positivo e il telaio e quella tra il negativo e il telaio dovrebbero quindi essere valutate separatamente, laddove l'architettura di test lo consenta.
Questa distinzione è importante perché un conduttore può trovarsi vicino al potenziale del telaio mentre l'altro risulta apparentemente ben isolato. Un BMS o un dispositivo di monitoraggio dell'isolamento dovrebbe essere in grado di rilevare questa condizione invece di riportare soltanto un valore aggregato.
Protezione dalla tensione di contatto
I requisiti di isolamento operano insieme ai limiti sulla tensione accessibile. Il riferimento principale identifica 35 V DC come limite di sicurezza per il contatto con le persone; il limite esatto dipende dallo standard applicabile, dalle condizioni di esposizione e dal fatto che la tensione sia stabile, transitoria o accessibile attraverso un percorso conduttivo.
L'obiettivo pratico è impedire che una persona diventi parte di un percorso di corrente pericoloso dopo il deterioramento dell'isolamento o un contatto accidentale.
Standard comunemente applicabili
GB/T 18384.3
GB/T 18384.3 tratta i requisiti di sicurezza elettrica per i veicoli elettrici e i sistemi elettrici ad alta tensione. Il suo approccio alla resistenza d'isolamento è comunemente espresso in relazione alla tensione della batteria o del sistema, ad esempio come valore minimo in Ω/V.
La soglia applicabile deve essere ricavata dall'edizione corrente e dalla specifica categoria del veicolo o della batteria. Un obiettivo di progettazione di 500 Ω/V può fornire un margine aggiuntivo, ma non deve essere presentato come sostituto universale del requisito legalmente applicabile.
ISO 6469-3
ISO 6469-3 riguarda la sicurezza elettrica dei veicoli stradali a propulsione elettrica. Tratta la protezione contro le scosse elettriche, l'isolamento dei circuiti ad alta tensione, le parti conduttive accessibili e le relative misure di sicurezza.
È particolarmente rilevante quando un pacco batteria viene sviluppato per un veicolo stradale anziché come prodotto isolato per l'accumulo di energia in laboratorio.
Regolamento UNECE n. 100
Il Regolamento UNECE n. 100, in particolare i suoi requisiti per i sistemi ricaricabili di accumulo dell'energia elettrica e per la sicurezza elettrica dei veicoli, è importante per l'omologazione nei paesi che adottano i regolamenti UNECE sui veicoli.
I suoi requisiti relativi alla resistenza d'isolamento devono essere esaminati insieme alla configurazione a livello di veicolo. La conformità a livello di pacco batteria non dimostra da sola che il veicolo assemblato, il carico di prova, il sistema di ricarica e il telaio rimangano conformi.
IEC 61557-8 e prassi di monitoraggio dell'isolamento
IEC 61557-8 è pertinente ai dispositivi di monitoraggio dell'isolamento utilizzati nei sistemi elettrici senza messa a terra o nei sistemi IT. Può fornire indicazioni per la selezione e la verifica di un dispositivo di monitoraggio dell'isolamento, ma non sostituisce lo standard del veicolo o della batteria che disciplina il prodotto finale.
Il dispositivo corretto deve essere compatibile con la tensione continua, la capacità del bus, il comportamento di commutazione, le correnti di dispersione e l'architettura di messa a terra del sistema batteria.
Standard per il coordinamento dell'isolamento
Standard quali IEC 60664-1 possono applicarsi al coordinamento dell'isolamento, alle distanze di creepage, alle distanze in aria, al grado di inquinamento e alla categoria di sovratensione.
Questi standard riguardano la progettazione fisica necessaria per mantenere l'isolamento. Non sostituiscono un test completo della resistenza d'isolamento o della tenuta dielettrica del pacco.
Come si misura la resistenza d'isolamento
Misurazione della resistenza in corrente continua
Un test controllato in corrente continua applica una tensione di prova tra il bus HV e l'involucro o il telaio, quindi misura la corrente di dispersione risultante. La resistenza d'isolamento viene ricavata dalla tensione applicata e dalla corrente misurata:
[ R_{\text{isolamento}} = \frac{V_{\text{prova}}}{I_{\text{dispersione}}} ]
La tensione di prova, la durata, il limite di corrente e la soglia di accettazione devono rispettare lo standard del prodotto applicabile e i valori nominali delle celle, del BMS, dei contattori, dei condensatori e dell'elettronica collegata.
Un tester d'isolamento convenzionale può essere adatto per un pacco diseccitato, ma deve essere utilizzato solo dopo aver verificato che la sua tensione di prova non possa danneggiare dispositivi a semiconduttore, soppressori di sovratensione, ingressi di monitoraggio o altri componenti collegati.
Misurazione dei bus positivo e negativo
Per un test più informativo, i conduttori HV positivo e negativo vengono valutati separatamente rispetto al telaio o all'involucro. Il risultato può essere rappresentato come segue:
- R+: conduttore HV positivo rispetto al telaio
- R-: conduttore HV negativo rispetto al telaio
I valori misurati devono essere confrontati con il requisito applicabile in Ω/V e con la strategia di rilevamento dei guasti del sistema. Un valore basso su uno dei due lati può creare una condizione pericolosa di tensione di contatto anche quando l'altro lato rimane altamente isolato.
Monitoraggio dell'isolamento online
Durante il funzionamento, un dispositivo di monitoraggio dell'isolamento valuta continuamente la relazione tra il bus HV flottante e il telaio. Dovrebbe identificare una perdita di isolamento prima che la resistenza raggiunga un livello pericoloso.
Il monitoraggio online è particolarmente importante quando la batteria è collegata a un inverter, un caricabatterie, un controller del motore, un carico di prova messo a terra o ad altre apparecchiature che modificano i percorsi di dispersione del sistema.
Metodi di rilevamento in corrente alternata e continua
Iniezione di tensione CA
Un metodo in corrente alternata inietta un segnale controllato nel sistema HV e osserva la risposta risultante verso il telaio o la terra. Può rilevare dispersioni e variazioni dell'isolamento mentre la batteria rimane alimentata.
Il suo principale limite è che il segnale iniettato introduce ondulazione o disturbo CA in un sistema batteria in corrente continua. La misurazione può inoltre essere influenzata dalla capacità del bus, dai filtri, dai convertitori, dai componenti EMC e da altre apparecchiature collegate al pacco.
Rilevamento passivo della messa a terra in CC
Il rilevamento passivo in corrente continua utilizza resistori di polarizzazione commutati o reti di resistori per creare una condizione di misurazione nota tra il bus HV e il telaio. La risposta risultante in tensione o corrente viene utilizzata per stimare le resistenze d'isolamento positive e negative.
Questo metodo può fornire informazioni accurate sulla resistenza tra ciascun bus e terra applicando un disturbo relativamente ridotto al percorso di potenza in corrente continua. I valori dei resistori, la sequenza di commutazione, la temporizzazione della misurazione e le ipotesi sui guasti devono essere progettati in modo che il circuito di rilevamento non crei a sua volta un percorso di corrente non sicuro.
Rilevamento attivo della messa a terra in CC
Il rilevamento attivo della messa a terra applica deliberatamente una piccola polarizzazione o un segnale di prova controllato per determinare la condizione di isolamento dei conduttori del bus positivo e negativo.
I metodi attivi possono misurare lo stato effettivo del sistema alimentato, ma devono tenere conto dei carichi e dei convertitori collegati. La loro progettazione deve inoltre impedire che il circuito diagnostico bypassi i contattori, renda inefficace l'isolamento di emergenza o esponga gli operatori a una tensione di prova pericolosa.
Scelta tra metodi CA e CC
L'iniezione CA può essere utile quando il sistema di monitoraggio è progettato sulla base della misurazione dell'impedenza o della risposta al segnale. I metodi CC sono spesso più adatti ai sistemi in cui è prioritario mantenere pulito il bus CC e determinare le singole resistenze d'isolamento positive e negative.
La scelta corretta dipende dalla topologia della batteria, dall'architettura del BMS, dall'elettronica di potenza collegata, dai requisiti EMC e dallo standard di riferimento. Un metodo che funziona su una batteria scollegata può produrre risultati fuorvianti una volta che il pacco è collegato a un sistema di prova messo a terra.
Come deve essere isolato il sistema di prova
Architettura BMS isolata
La sezione di rilevamento delle celle ad alta tensione del BMS deve essere isolata dalle sezioni di controllo e comunicazione a bassa tensione. Ciò impedisce che un guasto di misurazione o comunicazione crei un percorso conduttivo dal pacco HV al lato a bassa tensione accessibile all'operatore.
L'alimentazione del BMS dovrebbe essere fornita tramite un convertitore CC-CC isolato. Un convertitore buck o boost convenzionale a tre fili è generalmente non isolato e non deve essere considerato in grado di mantenere la separazione richiesta.
Misurazione e commutazione isolate
Gli amplificatori per shunt di corrente, le interfacce di rilevamento della tensione e i collegamenti di comunicazione possono richiedere un isolamento galvanico. Gli interruttori di protezione MOSFET richiedono driver di gate isolati quando i relativi circuiti di controllo devono rimanere separati dal dominio HV.
Contattori e relè forniscono isolamento quando sono aperti, ma le distanze di creepage, le distanze in aria, la portata dei contatti, il rilevamento dei contatti saldati e le caratteristiche di isolamento devono comunque essere verificati.
Apparecchiature di prova flottanti
Le apparecchiature di prova per la ricerca e sviluppo dovrebbero essere progettate in modo che la batteria possa rimanere isolata dalla terra finché non viene effettuato il collegamento previsto alla misurazione o al carico. Ciò aiuta a prevenire anelli di terra, correnti di guasto accidentali e disturbi di comunicazione causati da più punti di riferimento non previsti.
Prima di collegare la batteria a un carico messo a terra, gli ingegneri dovrebbero eseguire un controllo della perdita di isolamento e confermare il percorso previsto per il ritorno della corrente.
Perché i test ambientali sono essenziali
Dipendenza dalla temperatura
La resistenza d'isolamento può diminuire rapidamente all'aumentare della temperatura. Il riferimento supplementare fornisce un esempio in cui la resistenza d'isolamento del pacco diminuisce da circa 500 MΩ a 20°C a 5 MΩ a 65°C.
Un pacco che supera una misurazione a temperatura ambiente può quindi non soddisfare il requisito pratico di isolamento alla temperatura di esercizio. I test dovrebbero coprire l'intero intervallo di temperatura previsto, inclusi il mantenimento a caldo e i gradienti termici, laddove applicabili.
Refrigerante, umidità e sale stradale
Fluidi refrigeranti, condensa, residui di elettrolita, polvere e sale stradale possono creare pellicole conduttive sulle superfici isolanti. Questi effetti sono particolarmente significativi attorno a sbarre collettrici, connettori, percorsi di sfiato, elementi di fissaggio, guarnizioni e superfici contaminate dell'involucro.
I test di isolamento dovrebbero includere condizioni di esposizione rappresentative, invece di basarsi soltanto su un prototipo pulito e asciutto.
Vibrazioni e danni meccanici
Le vibrazioni possono consumare l'isolamento, allentare gli elementi di fissaggio, rompere i supporti e ridurre la distanza tra le sbarre collettrici e l'involucro. La validazione meccanica deve essere seguita da test di isolamento, poiché un pacco può rimanere elettricamente funzionante anche quando la sua protezione contro le scosse si è deteriorata.
Struttura delle celle e del pacco
Involucri delle celle in plastica, rivestimenti metallici isolati, supporti di isolamento, materiali di incapsulamento, barriere e connettori sigillati contribuiscono tutti alla resistenza d'isolamento finale. Le loro proprietà dielettriche e la ritenzione meccanica devono essere valutate come parte del pacco completo, non soltanto come componenti separati.
Comprendere i compromessi
Una resistenza elevata non è l'unico requisito
Una resistenza misurata elevata non dimostra che il progetto disponga di distanze di creepage e in aria adeguate, resistenza dielettrica, robustezza meccanica o protezione contro un singolo guasto.
La resistenza d'isolamento, la tenuta dielettrica, la protezione dalla tensione di contatto, il monitoraggio dell'isolamento e la disconnessione protettiva affrontano modalità di guasto differenti.
Test a una tensione eccessiva possono danneggiare il pacco
Un tester d'isolamento ad alta tensione può sottoporre a stress eccessivo gli ingressi del BMS, i condensatori, i dispositivi a semiconduttore e i componenti di soppressione. L'apparecchiatura di prova deve essere selezionata in base all'architettura effettiva del pacco e i circuiti sensibili potrebbero dover essere scollegati o protetti secondo una procedura approvata.
Il monitoraggio online può essere confuso dalle dispersioni normali
Inverter, caricabatterie, filtri EMI, capacità dei cavi e circuiti di misurazione creano naturalmente dispersioni o impedenza verso il telaio. Il sistema di monitoraggio deve distinguere il comportamento normale del sistema da un autentico guasto di isolamento.
Ciò richiede misurazioni di riferimento, soglie di allarme definite, filtraggio e validazione con apparecchiature collegate rappresentative.
Flottante non significa intrinsecamente sicuro
Un pacco flottante limita la corrente attraverso un singolo collegamento accidentale a terra, ma può comunque fornire una corrente letale tra i terminali positivo e negativo. L'energia immagazzinata, la scarica dei condensatori, i circuiti di precarica e l'apertura ritardata dei contattori devono essere inclusi nell'analisi della sicurezza.
Una singola misurazione con esito positivo o negativo non è sufficiente
La resistenza d'isolamento può variare in funzione di temperatura, umidità, contaminazione, stato di carica, tensione del bus e apparecchiature collegate. I registri di ricerca e sviluppo dovrebbero riportare la configurazione del test e le condizioni ambientali, in modo da poter identificare le tendenze prima che si verifichi un guasto.
Come applicare questi principi al progetto
Il programma di test appropriato dovrebbe combinare l'analisi degli standard, la misurazione controllata della resistenza, il monitoraggio online e la validazione ambientale.
- Se l'obiettivo principale è la sicurezza del banco di prova per la ricerca e sviluppo: Mantenere flottanti, ove possibile, il pacco e il dominio HV del BMS, verificare l'isolamento prima di ogni collegamento ad apparecchiature messe a terra e utilizzare misurazioni CC controllate che non danneggino l'elettronica collegata.
- Se l'obiettivo principale è la conformità del veicolo o del prodotto: Mappare l'architettura del pacco e del veicolo rispetto ai requisiti correnti di GB/T 18384.3, ISO 6469-3, Regolamento UNECE n. 100 o della normativa locale applicabile, inclusi i limiti specificati in Ω/V e le condizioni di prova.
- Se l'obiettivo principale è il rilevamento dei guasti durante il funzionamento: Installare e validare un dispositivo di monitoraggio dell'isolamento che misuri il sistema alimentato, identifichi i guasti sul lato positivo e negativo e rimanga affidabile con convertitori, caricabatterie, filtri e carichi messi a terra collegati.
- Se l'obiettivo principale è la durabilità ambientale: Ripetere i test di isolamento in presenza di temperatura, umidità, esposizione a refrigerante o sale, vibrazioni e condizioni successive all'assemblaggio, poiché la resistenza d'isolamento può deteriorarsi notevolmente al di fuori dei valori di riferimento di laboratorio.
- Se l'obiettivo principale è la verifica della progettazione del pacco: Combinare i test della resistenza d'isolamento con valutazioni della tenuta dielettrica, delle distanze di creepage e in aria, della tensione di contatto, dei contattori, dei fusibili e dei guasti singoli.
Un programma di sicurezza per batterie ad alta tensione adeguatamente documentato dimostra che l'isolamento viene mantenuto non solo quando il pacco è nuovo e asciutto, ma per tutte le condizioni elettriche, ambientali e meccaniche in cui dovrà funzionare.
Tabella riepilogativa:
| Standard | Scopo | Requisito principale |
|---|---|---|
| GB/T 18384.3 | Sicurezza elettrica dei veicoli elettrici | Resistenza d'isolamento ≥ 100 Ω/V (tipica) |
| ISO 6469-3 | Sicurezza dei veicoli stradali elettrici | Isolamento dei circuiti HV |
| UNECE R100 | Omologazione | Requisiti della resistenza d'isolamento |
| IEC 61557-8 | Dispositivi di monitoraggio dell'isolamento | Selezione e verifica del dispositivo |
| Metodo | Descrizione | Applicazione |
|---|---|---|
| Resistenza CC | Applicazione di una tensione CC e misurazione della dispersione | Test su pacco diseccitato |
| Iniezione CA | Iniezione di un segnale CA e osservazione della risposta | Monitoraggio online |
| Rilevamento passivo CC | Resistori commutati per misurare il collegamento tra bus e terra | Monitoraggio online |
| Rilevamento attivo CC | Applicazione di una polarizzazione controllata e misurazione dell'isolamento | Monitoraggio online |
| Fattore | Impatto |
|---|---|
| Temperatura | La resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura |
| Umidità/Contaminazione | Crea pellicole conduttive |
| Vibrazioni | Danneggiano l'isolamento e riducono le distanze |
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