胡惠娟

(揚子江汽車集團有限公司， 武漢 430000)

隨著能源危機和環(huán)境問題的日益突出，發(fā)展高效、節(jié)能、低噪聲、零排放的清潔型電動汽車已成為國內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]，節(jié)能環(huán)保的純電動汽車越來越受到人們的關(guān)注。在純電動車中，高壓配電箱是電氣系統(tǒng)重要組成部件。以下從高壓配電箱的功能、原理及箱內(nèi)電子元器件的選型和結(jié)構(gòu)布置等方面介紹一款純電動車高壓配電箱的設(shè)計過程。

1 高壓配電箱功能及原理

高壓配電箱的基礎(chǔ)功能是實現(xiàn)高壓電的分配和管理，對高壓系統(tǒng)電路進行過流保護，檢測絕緣性能，對容性負載進行預(yù)充電，對電路進行緊急分斷和檢測電流等[2]。

在純電動車中，高壓配電箱通常作為高壓電源的主要輸出口和動力電池充電的輸入口。首先高壓箱連接動力電池將高壓電供給電機控制器、DC/DC、DC/AC、空調(diào)壓縮機和PTC等主要車載用電設(shè)備[3]。由于電機控制器內(nèi)部并聯(lián)有大電容，當電源接通瞬間，電容兩端的電壓不會突變，而電容兩端的電流會突變，剛接通電源瞬間，電容器兩端相當于短路，母線上瞬間的大電流會燒壞電機控制器內(nèi)部電氣元件。所以，在高壓配電箱內(nèi)動力電池與電機控制器之間需要增加接觸器和預(yù)充電阻形成預(yù)充回路，以控制電機控制器的上電電流大小，防止大電流損壞電子元件設(shè)備。當對電機控制器的預(yù)充電完成后，閉合主接觸器給電機提供電能。同時高壓配電箱也連接車載充電機和直流充電插座，當車輛動力電池電量不足時，可通過充電插座連接上充電槍，對動力電池進行充電。高壓配電箱原理如圖1所示。

圖1 高壓配電箱原理圖

2 箱內(nèi)電子元器件的選型

從圖1可以看出，高壓配電箱內(nèi)包含熔斷器、手動維修開關(guān)、高壓接觸器、預(yù)充電阻、電流傳感器和線束連接器等。

1) 熔斷器的選型。熔斷器是一種安裝在電路中，保證電路安全運行的電氣元件，提供過流保護功能。熔斷器規(guī)格的選擇通常從工作電流、應(yīng)用電壓、環(huán)境溫度、熔斷特性、脈沖電流和安裝空間等幾個方面考慮[4]。通常熔斷器的額定電壓需大于動力電池的最高電壓，其額定電流計算如下：

式中：In為熔斷器額定電流；Ir為保護回路的負載電流；K1為負載形式矯正系數(shù)；K2為溫度矯正系數(shù)。

其中K1主要根據(jù)負載特性，考慮功率變化、電流紋波、啟動和關(guān)閉瞬間沖擊電流等因素，一般條件下，平穩(wěn)運行負載選擇0.75；如果負載在運行中有較大波動，建議K1選擇0.6。K2通常根據(jù)熔斷器使用環(huán)境溫度及熔斷器溫升曲線確定取值，純電動車通常無明顯高溫產(chǎn)生區(qū)域，K2一般取0.6。以此款高壓配電箱主保險為例，電路主回路負載電流Ir=P/U，其中P為額定功率，最大可達到25 kW；U為額定電壓，310 V。經(jīng)計算得出Ir=80 A。由于電機控制器為電容性負載，上電瞬間回路中有較大脈沖電流，故K1取值0.6。由于是純電動汽車，K2取值0.6。經(jīng)計算，可得In=80/0.6×0.6=222 A,結(jié)合熔斷器產(chǎn)品規(guī)格，選擇熔斷器的額定電流為250 A。

2) 手動維修開關(guān)的選型。手動維修開關(guān)通常稱為MSD,為了保證電池在使用及維修過程中的安全性。動力電池系統(tǒng)中的MSD開始由選配逐漸成為標配[5]。例如此款高壓配電箱選用安費諾公司生產(chǎn)的DC500 V,250 A的MSD，其連接可靠，操作便利。

3) 接觸器的選型。通常高壓接觸器的線圈采用低壓系統(tǒng)控制。汽車電氣系統(tǒng)中多數(shù)為12 V或者 24 V，也有兼容12 V和24 V的產(chǎn)品。接觸器主觸點需根據(jù)用電設(shè)備的額定電壓和額定電流確定。通常額定電流需大于或者等于負載額定電流的1.3倍[6]?？紤]到純電動車中的直流大電流，對接觸器的滅弧要求和使用壽命有著嚴峻的考驗，選型時一定要充分考慮到接觸器的特性，選擇最匹配的型號。例如此款高壓箱選擇松下耐電壓400 V,過電流能力分別為120 A和20 A兩款接觸器。

4) 預(yù)充電阻的計算。預(yù)充電路是為了防止瞬態(tài)大電流對大功率容性負載的上電沖擊。預(yù)充電路實際上是一種RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)。根據(jù)零狀態(tài)響應(yīng)表達式[7]計算預(yù)充電阻：

式中：Uc為電容兩端電壓;Ux為母線額定電壓;R為預(yù)充電阻;C為并聯(lián)負載等效電容;t為預(yù)充時間。

需注意的是，RC電路預(yù)充電時間常數(shù)通常不要太長，過長的RC時間將導(dǎo)致充電電流下降緩慢，從而導(dǎo)致電阻的平均功率較大，產(chǎn)生不必要的損耗和過長的上電時間。一般充電時間和變頻器大小有很大的關(guān)系，通常在1 s左右完成預(yù)充電比較合適。小功率可以時間短一點，大功率時間適當放長，一般電容電壓達到額定母線電壓的80%～90%，就可以閉合主接觸器。以我司新開發(fā)的一款物流車參數(shù)為例，額定電壓為310 V，預(yù)充電路等效電容為900 μF,按UC/Ux=0.90計算，假設(shè)預(yù)充時間為0.6 s,計算預(yù)充電阻R=289.5 Ω。由于電容充電是個變電流過程，預(yù)充電阻功率參數(shù)也非常重要，如果電阻功率選擇過低，電阻容易燒壞。預(yù)充電阻在充電時間內(nèi)消耗能量Q可以通過積分計算[8]得出：

式中：t為預(yù)充時間；I為預(yù)充電路電流；Ut為預(yù)充完成時電容上的電壓；Uc為電容兩端的電壓。代入電容值和預(yù)充完成時的電壓0.9Ux得到預(yù)充電阻預(yù)充過程中消耗的電量Q=35 J，預(yù)充電阻平均功率P=Q/t=35/0.6=58 W。結(jié)合使用環(huán)境和產(chǎn)品規(guī)格，最后選用預(yù)充電阻規(guī)格為電阻值300 Ω，功率100 W。

5) 電流傳感器的選型。純電動車常用的電流傳感器有分流器和霍爾電流傳感器。分流器是一個可以通過大電流的精確電阻，當電流流過分流器時，在其兩端就會產(chǎn)生一個毫伏級的電壓，用毫伏電壓表來測量這個電壓，再將這個電壓通過歐姆定律計算就能得到電流值?；魻栯娏鱾鞲衅魇歉鶕?jù)磁場和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系而設(shè)計的。當電流通過一個位于磁場中的導(dǎo)體時，磁場會對導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生垂直于電子運動方向的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。霍爾電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)將一次大電流變換為二次微小電壓信號的傳感器。這兩種電流傳感器各有自身的優(yōu)勢和不足，分流器電路和計算比較簡單，但是有少量的損耗；霍爾傳感器測量精度更高，使用范圍也更廣，但是成本較高。本公司這款高壓配電箱選擇的是300 A、75 mV的分流器。

6) 高壓配電箱連接器。連接器是保證各種電子系統(tǒng)正常工作和安全運行的關(guān)鍵元件之一。通常從連接器的電氣特性、機械性能和環(huán)境性能等幾方面選擇適合的產(chǎn)品型號。比如這款高壓配電箱選用安費諾單芯、兩芯等型號的連接器。

3 高壓配電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1) 電氣絕緣設(shè)計。電氣元件與金屬箱體之間增加一絕緣板，材料為環(huán)氧樹脂，所有電氣元件都布置和固定在該絕緣板上，實現(xiàn)高壓部件與金屬殼體之間的有效絕緣。按國標GB/T 18384.3-2015[9]要求：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)>100 Ω/V;交流電路應(yīng)至少>500 Ω/V。此高壓配電箱在正常儲存環(huán)境下，用500 V兆歐表測量，絕緣阻值均達到20 MΩ以上，遠高于國標要求。

2) 極性分離設(shè)計。正負接線端分開布置，盡量減少短路隱患，在保證同流能力的前提下，主正和主負端采用紫銅排連接。

3) 防水防塵密封設(shè)計。根據(jù)整車安裝空間大小，高壓箱結(jié)構(gòu)采用方形盒體設(shè)計，箱體外蓋邊緣設(shè)計采用止水口和折邊的結(jié)構(gòu)，在外蓋內(nèi)圈增加橡膠墊圈，采用螺栓固定。箱體上所有接插件采用螺栓加封閉式鉚接螺母固定，插件底座增加橡膠墊圈，確保與箱體的貼合性，使整個高壓配電箱體的外殼防護等級達到IP67[10]。

4) 電氣元件集中布置。考慮到此車型主接觸器和充電接觸器都由BMS模塊控制，為優(yōu)化線路連接，將BMS布置在高壓配電箱內(nèi)，減少線束間的連接點。同時熔斷器、接觸器、BMS控制器集中在一個空間布置，便于系統(tǒng)故障的排查和維修。整個箱體結(jié)構(gòu)布置采用CATIA三維軟件設(shè)計[11]，實現(xiàn)各電氣元件合理的布局和精準的定位。

4 結(jié)束語

經(jīng)整車性能測試，高壓系統(tǒng)各部分指標都通過了試驗，性能穩(wěn)定，安全可靠。對后續(xù)高壓配電箱進一步集成設(shè)計研發(fā)有著借鑒意義。

[1] 車兆華.對純電動城市客車發(fā)展的一些思考[J].客車技術(shù)與研究，2012,34(5):45-46.

[2] 房永強.純電動客車高壓配電柜的設(shè)計與應(yīng)用[J].機電技術(shù),2015，39(2)：126-129.

[3] 劉寧,吳明瞭,汪斌,等.純電動商用車高壓電氣系統(tǒng)匹配設(shè)計[J].汽車電器，2014，53(5):18-21.

[4] 李鵬飛,劉俊平,朱永利,等.電動汽車用高壓熔斷器選用方法研究[J].汽車電器,2014，53(12)：8-21.

[5] 全國汽車標準化技術(shù)委員會.電動汽車安全要求:第2部分 操作安全和故障防護:GB/T 18384.2-2015[S].北京：中國標準出版社,2015：5.

[6] 劉傳亭,白云飛,曹文宇.電動汽車用直流接觸器的設(shè)計[J].電器與能效管理技術(shù),2014，56(23):20-23.

[7] 王欽普,王波,劉濤.純電動客車高壓配電系統(tǒng)設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究,2013，35(3):14-15.

[8] 鄒檔兵，翁星方，榮智林，等.軌道牽引用主變流器充放電電阻的參數(shù)計算與選型方法[J].機車電傳動,2012，35(3):20-22.

[9] 全國汽車標準化技術(shù)委員會.電動汽車安全要求:第3部分 人員觸電防護:GB/T 18384.3-2015[S].北京：中國標準出版社,2015：10.

[10] 全國電氣安全標準化技術(shù)委員會.外殼防護等級(IP代碼):GB 4208-2008[S].北京：中國標準出版社,2009：11.

[11] 詹熙達.CATIA V5R20產(chǎn)品設(shè)計實例精解(修訂版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014：5-20.