婁鋒，陳恩輝，劉丹

（1.華晨汽車工程研究院新能源工程室，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽燃?xì)饧夹g(shù)開發(fā)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

前言

提到新能源汽車，大家最為擔(dān)心的就是安全問題：充電安全，使用安全等等。近幾年，隨著PHEV車型銷量的不斷增加，PHEV高壓系統(tǒng)的安全問題越來越引起人們的重視。高壓系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)成為PHEV汽車設(shè)計(jì)開發(fā)人員研究的重中之重。

PHEV車輛設(shè)計(jì)必須符合GB/T 19751-2005《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求》、GB/T18384《電動(dòng)汽車安全要求》。標(biāo)準(zhǔn)GB/T18384《電動(dòng)汽車安全要求》中明確定義高壓，就是直流電壓大于60V、小于1500V，交流電壓大于30、小于1000，這是B級(jí)電壓，就是通常說的電動(dòng)汽車的高壓，此電壓會(huì)對(duì)人產(chǎn)生肌肉收縮、血壓上升、呼吸困難甚至導(dǎo)致死亡；PHEV車型采用的整車高壓系統(tǒng)都是直流300V以上，同時(shí)在不同工況下，整車高壓系統(tǒng)的電流可能達(dá)到數(shù)十、甚至數(shù)百安培，瞬時(shí)短路電流更是成倍增加。一旦發(fā)生高壓電路安全故障時(shí)，高電壓和大電流將會(huì)直接危及乘客的人身安全，同時(shí)還會(huì)影響車輛其它低壓零部件的正常工作。

1 PHEV高壓系統(tǒng)的組成

為了保證整車高壓系統(tǒng)的高壓電安全，必須針對(duì)高壓電防護(hù)進(jìn)行特別的系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)。PHEV汽車的高壓系統(tǒng)的組成，包括動(dòng)力電池系統(tǒng)、前驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器（集成DCDC變換器）、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、水暖PTC加熱器、車載充電機(jī)、后橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器、高壓配電盒、交流充電、直流充電等等，如圖1所示。

圖1 PHEV四驅(qū)高壓系統(tǒng)組成示意圖

首先，整車高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)需要從高壓各零部件部件的幾何結(jié)構(gòu)在整車布置位置的可行性、混合動(dòng)力車輛的整車控制策略和行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)等多角度考慮。若采用合理的高壓電氣架構(gòu)，集成相關(guān)高壓零部件，達(dá)到減少高壓繼電器、高壓連接器的數(shù)量、高壓動(dòng)力電纜的使用量等目的，增加整車高壓系統(tǒng)的可靠性，降低發(fā)生高壓安全問題，又可以降低整車成本，增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，新能源零部件的發(fā)展趨勢(shì)，大部分供應(yīng)商都采用系統(tǒng)集成的方案。例如，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和電機(jī)控制器集成的三合一產(chǎn)品；車載充電機(jī)、DCDC變換器集成的二合一；電機(jī)控制器、DCDC變換器和高壓配電盒集成的三合一產(chǎn)品；車載充電機(jī)、DCDC變換器、高壓配電盒集成三合一產(chǎn)品等等。

2 PHEV高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

高壓安全技術(shù)就是要充分保證人的安全技術(shù)。根據(jù)GB/T 19751-2005《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求》、GB/T18384《電動(dòng)汽車安全要求》以及通過人體電流安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 60479-1:2005，PHEV汽車高壓安全要求如下：

（1）高壓系統(tǒng)接觸防護(hù)要求：要設(shè)計(jì)遮攔或者外殼，高壓連接器具備高壓互鎖功能，避免人員直接接觸。

（2）高壓系統(tǒng)漏電流要求：不能超過人體安全閾值（30mA·s），接觸電壓不能超過人體安全電壓（36V）。

（3）高壓系統(tǒng)絕緣要求：電阻阻值除以動(dòng)力電池標(biāo)稱電壓至少大于100Ω/V。

（4）高壓系統(tǒng)功能安全要求：上電時(shí)需具有預(yù)充電過程，以避免接通時(shí)的瞬態(tài)高壓電沖擊；任何工況下，高壓繼電器的斷開時(shí)間應(yīng)小于20ms；高壓系統(tǒng)電源斷開1 s后，任何可觸及的導(dǎo)電部分和地之間的交流峰值電壓應(yīng)低于42.4 V，直流電壓應(yīng)低于60 V，并且存儲(chǔ)的能量應(yīng)少于0.2J。

2.2 設(shè)計(jì)思路及高壓安全的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)以往BEV、PHEV項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合整車開發(fā)過程，提出一種整車高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，如圖2所示。

圖2 整車高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)流程

從設(shè)計(jì)角度來看，高壓安全的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括三方面工作：第一是接觸防護(hù)，如何防止人員接觸到高壓部件，接觸防護(hù)包括絕緣設(shè)計(jì)、電壓、高壓安全標(biāo)識(shí)，包括接觸防護(hù)等級(jí)，包括遮擋等設(shè)計(jì)。這是設(shè)計(jì)首先必須考慮的重要問題；第二，若接觸到也不會(huì)發(fā)生觸電危害；包括高壓互鎖設(shè)計(jì)、低電能、低電壓和電位均衡等。第三是安全預(yù)警，在發(fā)生高壓安全危險(xiǎn)之前，包括漏電之前，要有及時(shí)的預(yù)防和預(yù)警系統(tǒng)，保證危險(xiǎn)發(fā)生之前就能夠杜絕。安全預(yù)警方面通過對(duì)高壓系統(tǒng)的關(guān)鍵觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)，包括絕緣監(jiān)測(cè)，過壓保護(hù)，過流保護(hù)等。

2.3 PHEV車型四種高壓系統(tǒng)方案分析

根據(jù)提出 PHEV車型三種高壓系統(tǒng)方案分析如圖 3所示。

圖3 PHEV高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)示意圖

A方案各高壓零部件都采用單獨(dú)設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，在實(shí)際的應(yīng)用中，可根據(jù)汽車的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，缺點(diǎn)是受限整車布置空間，增加了各高壓零部件的布置難度，高壓動(dòng)力電纜設(shè)計(jì)復(fù)雜；B方案采用前驅(qū)電機(jī)控制器集成DC/DC及高壓分電盒的功能（連接電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器），優(yōu)點(diǎn)是減少高壓零部件數(shù)量、高壓連接器及高壓動(dòng)力電纜的數(shù)量，缺點(diǎn)是前艙布置空間要求較高，與整車低壓電氣連接復(fù)雜（前艙布置低壓蓄電池可能存在問題）；C方案采用前驅(qū)電機(jī)控制器集成高壓分電盒的功能（連接電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器），車載充電機(jī)、DC/DC及高壓分電盒的三合一設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是前艙布置空間合理，節(jié)省整車的布置空間，減少 DC/DC到低壓蓄電池的線束的長(zhǎng)度，后驅(qū)系統(tǒng)可以變?yōu)檫x配方案，增加配置的多樣性。

2.4 工程開發(fā)

在工程開發(fā)過程中，需綜合考慮各種工程實(shí)際，需要注意的是，本文提出的三種方案都是簡(jiǎn)單的示意，工程開發(fā)過程中決定高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的因素很多，例如高壓零部件選型的可行性、整車布置問題、整車熱管理問題、整車控制策略等等。其中，高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)所采用的零部件的高壓連接器、出線方式、零部件之間的接線方式、動(dòng)力電池充電過程中的上下電時(shí)序以及動(dòng)力電池充放電過程中的加熱、冷卻和上、下電邏輯等關(guān)鍵問題，都與高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的最終設(shè)計(jì)方案緊密相連，都需要設(shè)計(jì)開發(fā)人員謹(jǐn)慎選擇及優(yōu)化。

本文采用C方案高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了基于某平臺(tái)車型的整車布置模型分析，如圖4所示，結(jié)果表明，整車布置可行，可以開展后續(xù)工作。

圖4 基于C方案高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的整車布置模型

3 結(jié)論

本文通過分析PHEV高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)，結(jié)合新能源汽車零部件的發(fā)展方向，集成相關(guān)高壓零部件，達(dá)到減少高壓零部件、高壓連接器的數(shù)量、高壓動(dòng)力電纜的使用量等目的，增加整車高壓系統(tǒng)的可靠性，降低發(fā)生高壓安全問題，又可以降低整車成本，增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。研究結(jié)果表明，該方案可以滿足PHEV車高壓系統(tǒng)的使用要求，具有簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，采用高壓零部件相互集成的方案，符合高壓零部件的技術(shù)發(fā)展路線，充分考慮到整車布置的局限性，降低整車的研發(fā)成本，具有很好的平臺(tái)化前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.GB/T 19751-2005 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2005:1-5.

[2] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.GB/T 18384.2-2015電動(dòng)汽車安全要求第2部分:功能安全和故障防護(hù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.[3] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.GB/T 18384.3-2015電動(dòng)汽車安全要求第3部分:人員觸電防護(hù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[4] International Electro technical Commission.IEC 60479-1:2005 Effe-cts of current on human beings and livestock Part 1:General aspects[S].Switzerland Geneva:Standards Policy and Strategy Committee,2005.

[5] 張俊,謝偉東;純電動(dòng)汽車高壓回路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程.2013,30(3):364-366.