被动式和主动式接地检测的主要区别在于它们激励和测量电池绝缘路径的方式不同。 被动式检测通过在高压直流总线和底盘之间切换已知的偏置电阻网络，然后根据由此产生的电压变化计算绝缘电阻。主动式检测则注入受控的测试信号（通常通过 CPU 控制的 PWM 变压器电路），并测量其响应，从而对车辆和测试系统的噪声具有更好的抗干扰能力。
被动式检测更简单且成本更低，但在电磁干扰（EMI）和开关干扰下，其精度可能会下降。主动式检测增加了电路和控制的复杂性，但在要求苛刻的高压电池系统中，通常能提供更稳定、更精确的绝缘测量。
系统测量的内容
对底盘的绝缘电阻
其目标是确定正极和负极高压总线与电气底盘之间的绝缘性能。
一个简化的模型将电池组视为具有两个绝缘电阻：一个是从正极总线到底盘，另一个是从负极总线到底盘。这些数值有助于识别可能导致触电危险、接地故障或不安全接触电压的泄漏路径。
为什么两种总线极性都很重要
单一的总绝缘值可能无法揭示问题是集中在正极、负极还是两者都有。
因此，接地检测电路会应用或观察测试条件，使系统能够估算每条高压总线相对于底盘的绝缘状态。
被动式接地检测的工作原理
切换电阻网络以创建测试条件
被动式检测使用开关或继电器将已知的偏置电阻连接到测量电路中。
BMS 或测试控制器测量由此产生的参考底盘的电压变化。由于电阻值和电路配置是已知的，系统可以计算出未知的绝缘电阻。
测量原理
该方法类似于将一个已知电阻与一个未知电阻相加，并观察电压如何分配。
如果测得的电压按预期变化，系统就可以推断出大致的绝缘电阻。针对不同的开关状态重复测量，有助于区分正极对底盘和负极对底盘的泄漏。
被动式方法的优点
被动式检测之所以具有吸引力，是因为它通常具备：
- 电路简单
- 元件数量少
- 功耗低
- 控制逻辑直接
- 实施成本较低
这些特性使其在相对安静的环境以及对测量精度要求适中的设计中非常实用。
主动式接地检测的工作原理
注入受控的测试信号
主动式检测使用受控源将测试信号注入高压系统。
在参考实现中，一个 CPU 控制的 PWM 变压器电路会产生一个比电池组总电压高出约 150 V 的直流测试信号。该电平取决于具体实现；不应将其视为所有主动绝缘监测设计的通用要求。
在受控条件下测量响应
系统观察由注入信号产生的电流和电压响应。
由于激励是主动产生并受控的，因此即使在电池、逆变器、接触器和车辆电气系统产生大量开关噪声时，测量设计也能保持信号的可识别性。
二极管控制电流方向
单向二极管可防止反向功率电流流回变压器。
这保护了注入电路，并有助于保持稳定的测试电流输出，特别是在绝缘电阻较高且产生的泄漏电流非常小时。
主要区别：抗噪性
被动式检测更容易受到 EMI 影响
被动式系统依赖于开关事件和电压测量，这些可能会受到电磁干扰、共模瞬变和车辆电气系统快速变化的影响。
EMI 会影响开关时序、破坏电压采样并引入计算误差。滤波和时序协调可以减少这些影响，但会增加设计约束。
主动式检测控制测量环境
主动式系统产生已知的激励，并可以将采样与该激励同步。
这提高了信噪比，使系统更容易剔除不相关的开关干扰。因此，主动式检测通常更适合连接到逆变器、充电器或其他大功率电子设备的电池组。
BMS 和测试系统中的方法比较
| 特性 | 被动式接地检测 | 主动式接地检测 |
|---|---|---|
| 测试方法 | 切换已知电阻网络 | 注入受控测试信号 |
| 电路复杂度 | 较低 | 较高 |
| 成本 | 通常较低 | 通常较高 |
| EMI 抗扰度 | 较有限 | 通常更强 |
| 测量精度 | 很大程度上取决于滤波和时序 | 在噪声环境中通常更稳定 |
| 高阻测量 | 可能对泄漏和噪声敏感 | 受控注入可提高可检测性 |
| 最佳适用场景 | 较简单或相对安静的系统 | 汽车、实验室和高压验证系统 |
在生产型 BMS 中
当成本、尺寸和简单性成为设计要求的主导因素时，生产型 BMS 可能会倾向于使用被动式检测。
然而，该设计仍必须证明在接触器切换、充电、逆变器活动、温度变化和预期的电磁条件下能够可靠运行。
在电池测试系统中
实验室或生产线末端测试系统通常受益于主动式检测，因为它必须在多个电池组和操作状态下产生可重复的结果。
更高的测量精度和抗噪性可以减少误报，并提高测试结果与安全要求之间的一致性。
标准和阈值如何影响选择
电阻限制不是一个通用的数字
绝缘要求通常以欧姆/伏特表示，例如相对于电池工作电压的指定最小电阻。
适用的限制取决于车辆、电池架构、运行条件和适用的安全标准。100 Ω/V 或 500 Ω/V 等数值可能会出现在特定要求中，但在确认相关标准和测量条件之前，不应盲目应用。
测量精度必须包含完整的误差预算
检测器必须考虑：
- 电阻容差
- ADC 精度
- 温度漂移
- 线路和连接器泄漏
- 开关瞬变
- EMI
- 电池组电容
- 测量稳定时间
如果名义上足够的检测方法在所需阈值附近的不确定性过大，它仍可能无法通过安全验证。
检测器不得损害绝缘性能
测量电路本身必须保持所需的爬电距离、电气间隙、额定电压、容错能力和电气隔离。
主动式电路引入了额外的组件（如变压器、开关器件和保护二极管），因此必须将其故障模式作为高压安全设计的一部分进行分析。
不要将接地检测与电池均衡混淆
它们解决的是不同的 BMS 问题
接地检测评估高压电池总线与底盘之间的绝缘。
电池均衡管理串联电池之间的电压或荷电状态差异。被动式均衡将多余的电池能量以热量形式耗散，而主动式均衡则在电池之间转移能量。
“被动式”和“主动式”这两个术语在两种情况下都描述了实现方式，但功能并不相关。主动式电池均衡电路并不能自动提供主动式绝缘监测。
理解权衡
被动式检测在受控条件下可能足够
被动式检测并非本质上不足。通过合适的电阻选型、滤波、开关控制、校准和故障处理，它可以提供可靠的绝缘监测。
其局限性在于测量在更大程度上依赖于周围的电气环境以及开关和采样策略的质量。
主动式检测需要更多的工程投入
主动式检测提高了可控性和噪声性能，但需要额外的工作量。
变压器、PWM 控制、隔离栅、二极管保护、注入电压限制、电磁兼容性和软件诊断都必须经过验证。
高测量精度不能替代安全架构
不应仅根据标称电阻精度来评估任何一种方法。
完整的设计还需要适当的响应时间、故障检测、启动行为、充放电期间的行为、针对组件故障的保护，以及当测量失效时定义的安全状态。
控制不当的注入可能会产生新的危险
主动测试信号必须受到限制和控制，以确保其不会导致过度的压力、意外的电流路径或不安全的电压条件。
因此，注入电压和波形应根据系统的绝缘监测架构和适用的安全要求进行选择，而不是在未经分析的情况下从其他电池设计中照搬。
为您的目标做出正确的选择
根据电气环境、要求的精度、认证目标和可接受的实施复杂度来选择检测方法。
- 如果您的首要重点是低成本和电路简单： 请使用被动式接地检测，前提是 EMI 测试、校准、稳定时间和阈值精度能够证明性能满足要求。
- 如果您的首要重点是抗噪性和可重复的精度： 请使用带有受控激励、同步测量以及稳健变压器和二极管保护的主动式接地检测。
- 如果您的首要重点是汽车或大功率逆变器操作： 除非被动式设计已在所有相关的开关和瞬态条件下得到严格验证，否则请优先选择主动式检测。
- 如果您的首要重点是安全合规： 请先定义适用的绝缘阈值和测量不确定度，然后选择能够以所需余量检测故障的方法。
- 如果您的首要重点是电池均衡评估： 请将接地检测和电池均衡视为独立的功能，并分别使用各自的测试标准进行验证。
正确的选择是能够可靠地满足所需精度、抗噪性、响应时间和高压安全义务的最简单的绝缘监测架构。
总结表：
| 特性 | 被动式接地检测 | 主动式接地检测 |
|---|---|---|
| 测试方法 | 切换已知电阻网络 | 注入受控测试信号 |
| 电路复杂度 | 较低 | 较高 |
| 成本 | 通常较低 | 通常较高 |
| EMI 抗扰度 | 较有限 | 通常更强 |
| 测量精度 | 很大程度上取决于滤波和时序 | 在噪声环境中通常更稳定 |
| 高阻测量 | 可能对泄漏和噪声敏感 | 受控注入可提高可检测性 |
| 最佳适用场景 | 较简单或相对安静的系统 | 汽车、实验室和高压验证系统 |
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