BMS储能绝缘检测

mengmianren

摘要：现有的储能系统BMS检测绝缘阻抗时，通常直接借用电动汽车动力电池的绝缘电阻检测方法。而参考电动汽车安全要求第1部分GB/T 18384.1-2015中给出的绝缘电阻测量原理，一般会采用电桥法进行测量。绝缘电阻不是我们常规理解的定值电阻，它与系统中固有的杂散分布式电容或对地Y电容等有关，会导致国标中给出的测试方法失效。这种失效现象目前在大容量储能系统中非常突出，本文将从原理上进行分析。

关键字：BMS，PCS，绝缘检测，绝缘阻抗，储能系统

一、引言

储能系统为整个电力网络的调度提供能量支撑，同时参与电力系统的供需管理，是电力系统发输配用多个环节的重要组成部分。根据研究公司彭博新能源财经 (BNEF)的最新预测，到2040年，世界各地的储能设施将成倍增长，从2018年部署的9GW/17GWh，到1,095GW/2,850GWh。

随着储能行业的发展，大规模储能系统的安全性问题日益凸显。在储能系统中，电池管理系统（BMS）和储能变流器（PCS）作为核心组件，提供了核心安全管理，对整个储能系统的绝缘状况进行监测和控制。本文通过对现有储能系统，特别是非隔离，多机并联系统出现的BMS绝缘误报问题，进行了直流绝缘检测的标准解读和原理分析，提出了针对目前BMS绝缘检测改进的方法及解决措施。

二、直流绝缘检测的标准和原理

在GB/T 18384.1-2015车载可充电储能系统中规定BMS需要对动力电池系统所有部件集成完毕的状态下进行绝缘检测，且采用绝缘电阻阻值来衡量绝缘状态。绝缘电阻可分为总正对地和总负对地。

现有的储能系统BMS检测通常直接借用车载系统及其标准，主要采用电桥法测量，结合PCS（储能变流器）系统，整个储能系统的绝缘检测原理如下图1-1所示：



图1-1 储能系统绝缘检测原理

根据上图，Rx是BAT+对地电阻，Ry是BAT-对地电阻，R1，R2是测量用的已知阻值的标准电阻，测量方法如下：

步骤1：闭合RLY1，断开RLY2，采集U1点对地的电压为U1，采集电池的总电压为U；

步骤2：闭合RLY2，断开RLY1，采集U2点对地的电压为U2，采集电池的总电压为U；



分时切换RLY1和RLY2，根据步骤1和步骤2，以及上述两个方程，进而可解出Rx，Ry的值；Rx和Ry分别为电池总正和总负对地的绝缘阻抗值。

三、储能系统绝缘检测的问题及其分析

将上述检测方法应用于大容量储能系统后，出现了误报绝缘阻抗过低，实际并无绝缘异常的问题。以下将对误报的原因进行分析。

1. 电桥法的自身问题

在采用电桥法测量绝缘电阻的过程中，当闭合KM2后，电池与PCS系统直流侧相连接，由于PCS内部有对地Y电容，根据检测原理图2-1所示，电池的绝缘检测回路在进行通道切换时，Rx，Ry，R1，R2等电阻连接了电池正，负以及PE，在进行正负分别切换检测时，PE点相对于电池正和负会有电平跳动，会通过PE、Y电容、电池线缆形成回路，给PCS内部的Y电容充放电。



图2-1 绝缘检测回路对PCS侧Y电容充放电回路

电池正负对地的阻抗检测回路在进行切换过程中，PCS直流侧对地的Y电容对地会有充放电，在交流耦合过程中，电容对地阻抗非常小，绝缘阻抗的检测结果也会很小，进而报出绝缘检测故障。

2. 非隔离系统

对于非隔离PCS系统，PCS交流侧挂接于市电，由于市电侧可能挂接多种负荷，市电的交流进线相对于PE的阻抗较小，在非隔离系统中，除了直流侧检测中的充放电回路，PCS一旦闭合交流接触器或者继电器，相比于PCS开机工作（闭合交流侧接触器或继电器）之前，同样采用电桥法测量，直流侧的绝缘阻抗检测会更低，甚至趋近于0。



图2-2 非隔离系统绝缘检测市电侧回路示意

3. 多机非隔离并联

对于采用多模块非隔离并联系统，非隔离PCS可以简单理解为电池端到交流端有一定的阻抗，这样BMS内阻通过PCS内阻到交流端并联，进而呈现了阻抗并联的效果，大规模并联后，采用电桥法测量绝缘阻抗时，BMS的检测回路也会通过非隔离系统并联，降低绝缘阻抗检测值。

所以对于多机并联检测，需要一定的BMS时序控制，避免BMS检测内阻相互影响。



图2-3 多模块非隔离并联内阻示意图

通过上述分析，综合整个储能系统应用来看，影响到储能系统BMS绝缘检测问题的主要两个因素是，电桥法，BMS检测内阻；

四、解决方案

最直接有效的是不采用电桥法来检测绝缘电阻，可以采用主动注入式检测法等，这里不再详述；可以直接实时检测非隔离，多机并联的交直流绝缘阻抗。

如果仍然采用电桥法，根据BMS绝缘检测内阻和PCS 端口Y电容容量，BMS延长通道切换至绝缘电阻采样读取的时间，确保BMS检测过程中的充放电回路稳定；同时对于多模块并联系统方案，绝缘检测采用轮询方式，可以解决电桥法引入的绝缘阻抗检测值偏低问题。

储能系统采用的是梯次退役电池，并且如果BMS策略根据储能系统更新维护困难，可以屏蔽BMS自身电桥法绝缘检测功能，外加多分支的绝缘检测装置来解决。

五、系统级绝缘检测注意点

上电前PCS和BMS各自负责自身部分的绝缘阻抗诊断.

  上电后，也就是主正主负继电器吸合后，靠PCS漏电检测进行整个系统的绝缘性能诊断.

  逆变器如果处于逆变状态（例如有PV），该时候DCbus绝缘阻抗无法测量，因为逆变时BUS+-对PE有个固定电压.上述的绝缘检测就失效了.

  当然该缺陷一般不会暴露，需要电池正负未全部增加接触器（缺一个）.并且逆变器在逆变状态.

绝缘公式推导如下：

国标GB/T 18384.1 绝缘检测算法 推导公式

国标中关于绝缘检测算法只有结果，没有推导公式，如下：

根据电流回路相等原则，推导出公式1：



V1、V1’为正常情况下电池正负极电压值（参考0V为壳体）
Ri1、Ri2为正负极绝缘电阻值

并入一个参考电阻R0，推导出公式2：



V2、V2’为并入参考电阻下电池正负极电压值（参考0V为壳体）
R0 已知参考电阻

根据电池电压不变，推导出公式3：

结论：
根据这三个推导公式，即可求出两个绝缘电阻值：





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