Passive und aktive Erdschlusserkennung unterscheiden sich hauptsächlich darin, wie sie den Isolationspfad der Batterie anregen und messen. Bei der passiven Erkennung werden bekannte Bias-Widerstandsnetzwerke zwischen den Hochspannungs-Gleichstromschienen und dem Chassis umgeschaltet. Anschließend wird der Isolationswiderstand anhand der resultierenden Spannungsänderungen berechnet. Bei der aktiven Erkennung wird ein kontrolliertes Prüfsignal eingespeist, typischerweise über eine CPU-gesteuerte PWM-Transformatorschaltung, und die Reaktion gemessen. Dadurch wird eine bessere Unempfindlichkeit gegenüber Störungen durch das Fahrzeug und das Prüfsystem erreicht.
Die passive Erkennung ist einfacher und kostengünstiger, ihre Genauigkeit kann sich jedoch unter EMI- und Schaltstörungen verschlechtern. Die aktive Erkennung erhöht die Schaltungs- und Steuerungskomplexität, bietet aber in anspruchsvollen Hochspannungsbatteriesystemen im Allgemeinen stabilere und präzisere Isolationsmessungen.
Was das System misst
Isolationswiderstand zum Chassis
Ziel ist es zu bestimmen, wie gut die positive und negative HV-Schiene vom elektrischen Chassis isoliert sind.
Ein vereinfachtes Modell behandelt das Batteriepack als zwei Isolationswiderstände: einen von der positiven Schiene zum Chassis und einen von der negativen Schiene zum Chassis. Diese Werte helfen dabei, Leckpfade zu erkennen, die Stromschlaggefahren, Erdschlüsse oder unsichere Berührungsspannungen verursachen könnten.
Warum beide Schienenpolaritäten wichtig sind
Ein einzelner Gesamtisolationswert lässt möglicherweise nicht erkennen, ob das Problem auf der positiven Seite, der negativen Seite oder auf beiden Seiten konzentriert ist.
Erdschlusserkennungsschaltungen legen daher Prüfbedingungen an oder überwachen diese, damit das System den Isolationszustand jeder HV-Schiene relativ zum Chassis abschätzen kann.
Funktionsweise der passiven Erdschlusserkennung
Geschaltete Widerstandsnetzwerke erzeugen die Prüfbedingung
Die passive Erkennung schaltet bekannte Bias-Widerstände mithilfe von Schaltern oder Relais in den Messkreis.
Das BMS oder der Prüfcontroller misst die daraus resultierende, auf das Chassis bezogene Spannungsänderung. Da die Widerstandswerte und die Schaltungskonfiguration bekannt sind, berechnet das System den unbekannten Isolationswiderstand.
Das Messprinzip
Die Methode ähnelt dem Hinzufügen eines bekannten Widerstands zu einem unbekannten Widerstand und der Beobachtung, wie sich die Spannung teilt.
Wenn sich die gemessene Spannung erwartungsgemäß ändert, kann das System den ungefähren Isolationswiderstand ableiten. Durch Wiederholen der Messung mit verschiedenen Schaltzuständen lassen sich Leckströme von der positiven Schiene zum Chassis und von der negativen Schiene zum Chassis unterscheiden.
Vorteile des passiven Ansatzes
Die passive Erkennung ist attraktiv, da sie im Allgemeinen Folgendes verwendet:
- Einfache Schaltung
- Geringe Bauteilanzahl
- Geringen Energieverbrauch
- Eine unkomplizierte Steuerungslogik
- Geringere Implementierungskosten
Diese Eigenschaften machen sie für vergleichsweise störungsarme Umgebungen und Designs geeignet, bei denen eine moderate Messgenauigkeit ausreichend ist.
Funktionsweise der aktiven Erdschlusserkennung
Ein kontrolliertes Prüfsignal wird eingespeist
Die aktive Erkennung verwendet eine gesteuerte Quelle, um ein Prüfsignal in das Hochspannungssystem einzuspeisen.
Bei der Referenzimplementierung erzeugt eine CPU-gesteuerte PWM-Transformatorschaltung ein Gleichstromprüfsignal, das ungefähr 150 V über der Gesamtspannung des Batteriepacks liegt. Dieser Wert ist implementationsspezifisch und sollte nicht als universelle Anforderung für jedes Design zur aktiven Isolationsüberwachung betrachtet werden.
Die Reaktion wird unter kontrollierten Bedingungen gemessen
Das System überwacht die durch das eingespeiste Signal erzeugte Strom- und Spannungsreaktion.
Da die Anregung aktiv erzeugt und gesteuert wird, kann die Messung so ausgelegt werden, dass sie auch dann eindeutig erkennbar bleibt, wenn Batterie, Wechselrichter, Schütze und elektrische Fahrzeugsysteme erhebliche Schaltgeräusche erzeugen.
Dioden steuern die Stromrichtung
Unidirektionale Dioden verhindern, dass Rückstrom in den Transformator zurückfließt.
Dies schützt die Einspeiseschaltung und trägt dazu bei, eine stabile Prüfstromzufuhr aufrechtzuerhalten, insbesondere wenn der Isolationswiderstand hoch und der daraus resultierende Leckstrom sehr klein ist.
Der Hauptunterschied: Störfestigkeit
Passive Erkennung ist stärker EMI ausgesetzt
Passive Systeme sind auf Schaltvorgänge und Spannungsmessungen angewiesen, die durch elektromagnetische Interferenz, Gleichtakttransienten und schnelle Änderungen im elektrischen Fahrzeugsystem gestört werden können.
EMI kann das Schaltzeitverhalten beeinflussen, Spannungssignale verfälschen und Berechnungsfehler verursachen. Filterung und zeitliche Koordination können diese Effekte reduzieren, bringen jedoch zusätzliche Designanforderungen mit sich.
Aktive Erkennung kontrolliert die Messumgebung
Aktive Systeme erzeugen eine bekannte Anregung und können die Abtastung mit dieser Anregung synchronisieren.
Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und erleichtert die Unterdrückung nicht zusammenhängender Schaltstörungen. Daher eignet sich die aktive Erkennung im Allgemeinen besser für Batteriepacks, die an Wechselrichter, Ladegeräte oder andere Hochleistungselektronik angeschlossen sind.
Vergleich der Methoden in BMS- und Prüfsystemen
| Merkmal | Passive Erdschlusserkennung | Aktive Erdschlusserkennung |
|---|---|---|
| Prüfmethode | Schaltet bekannte Widerstandsnetzwerke | Speist ein kontrolliertes Prüfsignal ein |
| Schaltungskomplexität | Geringer | Höher |
| Kosten | Typischerweise geringer | Typischerweise höher |
| EMI-Störfestigkeit | Eher begrenzt | Im Allgemeinen höher |
| Messgenauigkeit | Hängt stark von Filterung und Zeitsteuerung ab | In störungsbehafteten Umgebungen meist stabiler |
| Messung hoher Widerstände | Kann empfindlich gegenüber Leckströmen und Störungen werden | Kontrollierte Einspeisung kann die Erkennbarkeit verbessern |
| Geeignet für | Einfachere oder relativ störungsarme Systeme | Automobil-, Labor- und Hochspannungsvalidierungssysteme |
In einem Serien-BMS
Ein Serien-BMS kann passive Erkennung bevorzugen, wenn Kosten, Baugröße und Einfachheit die wichtigsten Designanforderungen sind.
Das Design muss dennoch einen zuverlässigen Betrieb bei Schaltvorgängen der Schütze, beim Laden, während des Wechselrichterbetriebs, bei Temperaturschwankungen und unter den erwarteten elektromagnetischen Bedingungen nachweisen.
In einem Batterieprüfsystem
Ein Labor- oder End-of-Line-Prüfsystem profitiert häufig von der aktiven Erkennung, da es über viele Batteriepacks und Betriebszustände hinweg reproduzierbare Ergebnisse liefern muss.
Eine höhere Messgenauigkeit und Störfestigkeit können Fehlablehnungen reduzieren und die Übereinstimmung zwischen Prüfergebnissen und Sicherheitsanforderungen verbessern.
Wie Normen und Schwellenwerte die Auswahl beeinflussen
Der Widerstandsgrenzwert ist keine universelle Zahl
Isolationsanforderungen werden häufig in Ohm pro Volt angegeben, beispielsweise als spezifizierter Mindestwiderstand relativ zur Betriebsspannung der Batterie.
Der geltende Grenzwert hängt vom Fahrzeug, der Batteriearchitektur, den Betriebsbedingungen und der maßgeblichen Sicherheitsnorm ab. Werte wie 100 Ω/V oder 500 Ω/V können in bestimmten Anforderungen vorkommen, sollten jedoch nicht angewendet werden, ohne die relevante Norm und Messbedingung zu bestätigen.
Die Messgenauigkeit muss das gesamte Fehlerbudget berücksichtigen
Ein Detektor muss Folgendes berücksichtigen:
- Widerstandstoleranzen
- ADC-Genauigkeit
- Temperaturdrift
- Leckströme in Leitungen und Steckverbindern
- Schalttransienten
- EMI
- Packkapazität
- Einschwingzeit der Messung
Eine nominell ausreichende Erkennungsmethode kann die Sicherheitsvalidierung dennoch nicht bestehen, wenn ihre Unsicherheit nahe dem erforderlichen Schwellenwert zu groß ist.
Der Detektor darf die Isolation nicht beeinträchtigen
Die Messschaltung selbst muss die erforderlichen Kriechstrecken, Luftstrecken, Spannungsfestigkeit, Fehlertoleranz und galvanische Trennung gewährleisten.
Aktive Schaltungen führen zusätzliche Komponenten ein, beispielsweise Transformatoren, Schaltbauelemente und Schutzdioden. Daher müssen ihre Fehlermodi als Teil des Hochspannungssicherheitsdesigns analysiert werden.
Erdschlusserkennung nicht mit Zellbalancing verwechseln
Sie lösen unterschiedliche BMS-Aufgaben
Erdschlusserkennung bewertet die Isolation zwischen den HV-Batterieschienen und dem Chassis.
Zellbalancing verwaltet Spannungs- oder Ladezustandsunterschiede zwischen in Reihe geschalteten Zellen. Beim passiven Balancing wird überschüssige Zellenergie als Wärme abgeführt, während das aktive Balancing Energie zwischen den Zellen überträgt.
Die Begriffe „passiv“ und „aktiv“ beschreiben in beiden Fällen die Art der Implementierung, die Funktionen sind jedoch unabhängig voneinander. Eine aktive Zellbalancing-Schaltung stellt nicht automatisch eine aktive Isolationsüberwachung bereit.
Die Zielkonflikte verstehen
Passive Erkennung kann unter kontrollierten Bedingungen ausreichend sein
Passive Erkennung ist nicht grundsätzlich unzureichend. Mit geeigneter Dimensionierung der Widerstände, Filterung, Schaltsteuerung, Kalibrierung und Fehlerbehandlung kann sie eine zuverlässige Isolationsüberwachung ermöglichen.
Ihre Einschränkung besteht darin, dass die Messung stärker von der umgebenden elektrischen Umgebung sowie von der Qualität der Schalt- und Abtaststrategie abhängt.
Aktive Erkennung erfordert mehr Entwicklungsaufwand
Die aktive Erkennung verbessert die Kontrollierbarkeit und Störfestigkeit, erfordert jedoch zusätzlichen Entwicklungsaufwand.
Transformator, PWM-Steuerung, Isolationsbarriere, Diodenschutz, Grenzwerte der eingespeisten Spannung, elektromagnetische Verträglichkeit und Softwarediagnose müssen vollständig validiert werden.
Hohe Messgenauigkeit ersetzt keine Sicherheitsarchitektur
Keine der beiden Methoden sollte ausschließlich anhand ihrer nominalen Widerstandsgenauigkeit bewertet werden.
Ein vollständiges Design benötigt außerdem eine geeignete Reaktionszeit, Fehlererkennung, ein definiertes Startverhalten, ein definiertes Verhalten während des Ladens und Entladens, Schutz vor Bauteilausfällen sowie einen festgelegten sicheren Zustand, wenn die Messung ungültig wird.
Schlecht kontrollierte Einspeisung kann neue Gefahren verursachen
Ein aktives Prüfsignal muss begrenzt und kontrolliert werden, damit es keine übermäßige Belastung, unbeabsichtigte Strompfade oder unsichere Spannungszustände verursacht.
Die Einspeisespannung und die Signalform sollten daher ausgehend von der Isolationsüberwachungsarchitektur des Systems und den geltenden Sicherheitsanforderungen ausgewählt werden und nicht ohne Analyse aus einem anderen Batteriedesign übernommen werden.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Wählen Sie die Erkennungsmethode anhand der elektrischen Umgebung, der erforderlichen Genauigkeit, des angestrebten Zertifizierungsziels und der akzeptablen Implementierungskomplexität.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf niedrigen Kosten und einer einfachen Schaltung liegt: Verwenden Sie eine passive Erdschlusserkennung, sofern EMI-Tests, Kalibrierung, Einschwingzeit und Schwellenwertgenauigkeit eine ausreichende Leistung nachweisen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Störfestigkeit und reproduzierbarer Präzision liegt: Verwenden Sie eine aktive Erdschlusserkennung mit kontrollierter Anregung, synchronisierter Messung sowie robustem Transformator- und Diodenschutz.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Automobilbereich oder dem Betrieb mit Hochleistungswechselrichtern liegt: Bevorzugen Sie die aktive Erkennung, sofern ein passives Design nicht unter allen relevanten Schalt- und Transientenbedingungen rigoros nachgewiesen wurde.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Einhaltung von Sicherheitsanforderungen liegt: Definieren Sie zunächst den geltenden Isolationsschwellenwert und die Messunsicherheit. Wählen Sie anschließend die Methode, die Fehler mit der erforderlichen Sicherheitsmarge erkennen kann.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Bewertung des Zellbalancings liegt: Behandeln Sie Erdschlusserkennung und Zellangleichung als separate Funktionen und validieren Sie jede Funktion anhand eigener Prüfkriterien.
Die richtige Wahl ist die einfachste Isolationsüberwachungsarchitektur, die zuverlässig die erforderliche Genauigkeit, Störfestigkeit, Reaktionszeit und die Hochspannungssicherheitsanforderungen erfüllen kann.
Zusammenfassungstabelle:
| Merkmal | Passive Erdschlusserkennung | Aktive Erdschlusserkennung |
|---|---|---|
| Prüfmethode | Schaltet bekannte Widerstandsnetzwerke | Speist ein kontrolliertes Prüfsignal ein |
| Schaltungskomplexität | Geringer | Höher |
| Kosten | Typischerweise geringer | Typischerweise höher |
| EMI-Störfestigkeit | Eher begrenzt | Im Allgemeinen höher |
| Messgenauigkeit | Hängt stark von Filterung und Zeitsteuerung ab | In störungsbehafteten Umgebungen meist stabiler |
| Messung hoher Widerstände | Kann empfindlich gegenüber Leckströmen und Störungen werden | Kontrollierte Einspeisung kann die Erkennbarkeit verbessern |
| Geeignet für | Einfachere oder relativ störungsarme Systeme | Automobil-, Labor- und Hochspannungsvalidierungssysteme |
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