BMS里面的安规设计：电气间隙与爬电距离和绝缘要求

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电气间隙与爬电距离的概念

今天说一说安规方面的电气间隙与爬电距离，二者统称为安规距离，这个东西属于老生常谈的知识，大家随处可以搜索到，但总是有点模棱两可，所以我也总结下。

在BMS单板上面，大家经常可以看到高低压之间泾渭分明的隔离带，此处不会有走线、铜皮等，目的是实现电气隔离；那么问题来了，这个隔离带的宽度是怎么设定的？

这就涉及到了电气间隙与爬电距离的设计，先介绍一下它们的概念：

电气间隙：两个导电部件之间在空气中的最短距离，如下图例子。

电气间隙过小就有可能因为瞬时冲击电压过大导致拉弧产生电火花带来危害。

爬电距离：两导电部件之间沿固体绝缘材料表面的最短距离，如下图例子。

电气间隙与爬电距离都是为了进行电气隔离，为了防止人员触电和意外火灾。

同时要注意二者与绝缘耐压、绝缘阻抗的区别；简单来讲，满足了安规间距，就一定能满足绝缘耐压和绝缘阻抗要求，但反之不一定。

我们上面直接跳过了安规的概念，再简单提一句；安规就是对产品安全的要求，最基本的要求就是不能危害到人身和财产。

安规其实涉及范围很广，如电击、与能量有关的危险、火灾、机械危险、与热有关的危险、化学危险、辐射。如果仅仅理解为电方面的危险，是片面的。

下面讨论一下绝缘类别的分配，即在BMS上面高压采样电路与低压电路之间的绝缘类别该划分到哪一类呢？

直接说出建议的划分：高压电路与金属外壳之间为基本绝缘；高压电路与低压电路之间为加强绝缘；高压电路之间为功能绝缘。

下图来源于IEC 60950-1，里面提供了一些参考的划分方法；但核心思想是：当出现绝缘失效时，不能直接危害到人身安全。

所以在高压电路与低压电路之间要求加强绝缘，因为人是可以摸到低压通信线的，当出现了一重绝缘失效后，还有一重防护，人不会直接接触到高压。

单板设计考虑落实绝缘设计时，主要考虑两点：一是安规距离，二是安规器件。

安规距离就是指前面提的电气间隙与爬电距离，要制定出一个具体的量值满足对应的安规绝缘要求。

安规器件就是指隔离处的变压器、数字隔离器等器件，它们要经过安规认证或经过实际的安规测试；这里要提一点，我们用于菊花链通信的变压器，在高低压隔离带位置的那个目前好像都不是加强绝缘设计，即便使用两个变压器串联，也要选择满足基本绝缘的变压器才行，这个要再着重审视一下。

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电气间隙与爬电距离的计算方法

本章主要介绍电气间隙与爬电距离的计算方法；还是要事先介绍几个概念定义。

污染等级

对于绝缘来说，固体内部绝缘效果最好，然后是气体内部，最差的是固体和气体分界处表面；这是因为固体表面的污染导致，为了量化污染程度，它被分为以下几个等级（图片来源于GB/T 16935.1-2008）：

对于BMS来讲，因为PACK的IP等级一般为IP67，是一个比较良好的密闭环境，所以这里的污染等级一般选择为污染等级2。

绝缘材料的CTI

相比电痕化指数（CTI）是用来对绝缘材料的绝缘性能进行评价的等级参考，CTI数值越大，代表绝缘性能越好；

对BMS实际应用来说，涉及到的绝缘材料主要是PCB、器件材料和壳体材料；一般通用的要求是PCB的CTI≥175，其他材料CTI≥600。

海拔修正系数

海拔主要对电气间隙有影响，在2000m以下不考虑海拔影响，但2000m以上就要考虑，主要方法就是需要乘以一个海拔系数做降额，具体见下表。

BMS一般应用环境的海拔要求在5000m以下，所以海拔因素也是要考虑的。

电气间隙与爬电距离计算的方法其实说白了就是查表法。

最小电气间隙的确定

根据GB/T 16935.1，电气间隙应以承受所要求的冲击耐受电压来确定。说得浅显些，需要选取一个在实际电路中出现的最大过压值，然后对应下表，直接选择对应的电气间隙。

这里再澄清一下，GB/T 16935.1是一个通用的安规标准，目前还没有专门针对电动汽车的安规标准，所以暂时参考通用标准。

在GB/T 16935.1里面，推荐了几个额定冲击电压的优选值，为了保险起见，我们可以选择2500V作为BMS加强绝缘的冲击耐受电压。

这样的话，污染等级为2、非均匀电场、耐受电压2500V，那么对应的最小电气间隙为1.5mm，注意还要乘以海拔系数：1.5*1.48=2.22mm，再留一下余量的话，一般可以取做3mm作为加强绝缘的最小电气间隙。

最小爬电距离的选取

爬电距离也是类似方法，跨接在爬电距离两端的长期工作电压的有效值决定了爬电距离。举个例子，假如电池包最高总电压为800V，我们可以将它做为参考值，然后去查下表：污染等级还是2，PCB的材料组别选择CTI在175以上，电压有效值为800V，则最小的爬电距离为4mm，注意，如果是加强绝缘的话，按照标准还需要再乘以2倍，那就是8mm。

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BMS里面的绝缘要求

世上没有完美的绝缘，只有不努力的电压，当然，除了路飞之外。

前两章说过了安规距离的要求和计算方法，本文再总结一下绝缘的要求。其实感觉逻辑顺序反了，应该先介绍绝缘，再去说安规，这样条理更清晰。

先罗列绝缘涉及到相关标准：

BMS里面的绝缘内容包括了两部分：一是BMS自身的绝缘性能，二是BMS上面的绝缘检测功能。

BMS自身的绝缘性能

这个是指在BMS单板上面，电池的总正、总负信号对车身地的绝缘要求，如下图所示，短短的两段话，其中包括了很多东西。

评价绝缘性能有两个参数：绝缘电阻和耐电压，那么二者有什么区别吗？

首先二者的衡量方法不同：绝缘电阻衡量的是电阻值，耐电压衡量的是漏电流是否突变；这里要再提一句：耐电压测试要求一般是没有闪络或击穿现象，但没有具体提漏电流的大小，而我们实际做耐压测试时，设备上面会设置一个漏电流值（例如1mA）；

这是因为随着电压的升高，漏电流并不是线性变化，当达到某个临界电压值时，漏电流会突然升高，出现闪络或击穿，而此时的漏电流会远远大于1mA，所以制定一个1mA的限值，更多的可能是做一个限流和预警。

其实对于闪络和击穿还可以再区分一下，击穿就是绝缘呈短路状态，而闪络可能就是一个拉弧、跳火，并不会造成立即的绝缘损坏，但长此以往，会逐渐造成绝缘损伤；耐压测试仪上也有专门对此的测试项。

其次二者的测量电压不同，耐电压测试条件如下（GB/T 18384.3），如500V系统，那么需要2000VAC来测试；

而绝缘电阻测试条件（BMS未工作）如下图，测试电压最高为1000VDC。

当BMS工作时，绝缘电阻要求如下，此时绝缘电阻由于检测电路的存在，导致绝缘电阻阻值下降。

最后，绝缘电阻和耐电压能省掉一个吗？

结论是这两个测试都是必须项，缺一不可。

举个例子，假设某绝缘材料能够承受1500VDC的耐压，当测试其绝缘电阻时，测试电压为1000VDC，那么绝缘电阻可以满足要求；但测试其耐压，使用2000VDC去测量，就会造成击穿，结果是耐压不符合，但绝缘电阻符合要求。

那可以去掉绝缘电阻测试吗？再举个例子，500VDC系统，假如耐电压是满足的，即此时直流等效电阻的计算值为2000*1.414/0.001≈3MΩ；那么此系统在测试绝缘电阻时，施加1000VDC后，它的绝缘电阻是否一定大于10MΩ就是不确定的；这样在理论上，就可能耐电压符合，绝缘电阻不符合（此处解释还是有些不满意，待继续关注）。

BMS上面的绝缘检测功能

BMS上面同时需要设计绝缘电阻检测电路，用以实时检测高压电路对车身地的绝缘情况。对其性能的要求如下图，这个内容大家就比较熟悉了，以后也会专门总结。