舒南翔

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淺析純電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)開發(fā)方法

舒南翔

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章針對(duì)純電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中高壓系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障的問(wèn)題，以安全為前提，基于車輛各個(gè)高壓部件的規(guī)格，淺析高壓配電系統(tǒng)中各個(gè)核心零部件的選型方法，最終形成整個(gè)高壓配電系統(tǒng)方法，為整車高壓配電系統(tǒng)開發(fā)提供參考，確保整車高壓系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

純電動(dòng)汽車；高壓配電；熔斷器；繼電器

引言

當(dāng)前電動(dòng)汽車一般分為5大類：純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池電動(dòng)汽車以及增程式電動(dòng)汽車。其中，純電動(dòng)汽車是指完全由動(dòng)力電池提供電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，一般工作電壓高達(dá)400V甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安全電壓；高壓系統(tǒng)工作電流有可能達(dá)到數(shù)十安甚至高達(dá)上百安，當(dāng)高壓回路發(fā)生絕緣、短路及漏電等故障時(shí)，會(huì)直接對(duì)駕乘人員的人身生命財(cái)產(chǎn)安全造成危害。因此，在設(shè)計(jì)高壓配電系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵零部件的選型不僅要滿足整車的使用要求，更必須確保駕乘人員和汽車運(yùn)行安全。因此，純電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)安全性已成為評(píng)價(jià)純電動(dòng)汽車安全性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

1 高壓配電系統(tǒng)安全要求概述

純電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，必須以安全為前提，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全做出整體要求，主要包括五個(gè)方面：

（1）繼電保護(hù)

高壓主系統(tǒng)上使用了三個(gè)系統(tǒng)主繼電器，當(dāng)流回動(dòng)力電池的電流過(guò)大時(shí)，快充回路繼電器會(huì)自動(dòng)斷開，保護(hù)動(dòng)力電池系統(tǒng)。在驅(qū)動(dòng)電路的正極繼電器上并聯(lián)了一個(gè)預(yù)充回路，包括一個(gè)繼電器和一個(gè)預(yù)充電阻，目的是防止繼電器接通瞬間沖擊電流損壞逆變器。

（2）維修開關(guān)電路保護(hù)裝置

當(dāng)系統(tǒng)維護(hù)或維修時(shí)，應(yīng)首先斷開維修開關(guān)，防止電擊和其他的安全事故發(fā)生，同時(shí)維修開關(guān)裝置上也設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)載保護(hù)裝置。

（3）熔斷器保護(hù)

動(dòng)力電池輸出回路與各高壓電器分支回路正極均使用熔斷器進(jìn)行保護(hù)，在各回路出現(xiàn)短路或過(guò)載時(shí)，熔斷器自動(dòng)熔斷，斷開動(dòng)力電池與高壓電器之間的電路連接，起到保護(hù)整車及各個(gè)高壓部件的作用。

（4）防水防塵

高壓線束、接插件以及部件殼體均要求保證IP67以上的防水防塵要求。防止水或者異物接觸到高壓導(dǎo)電部分，發(fā)生漏電危險(xiǎn)。

（5）絕緣設(shè)計(jì)

對(duì)高壓電器、高壓線束及插接件要求絕緣電阻大于500Ω/V，滿足法規(guī)GB/T 18384要求。

2 高壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范

在高壓配電系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注核心零部件，如高壓線束、接插件、熔斷器、繼電器的計(jì)算選型，以及相互之間的匹配選型。

2.1 高壓線束選型

根據(jù)總布置及高壓電氣設(shè)計(jì)需求，高壓線束布置基于就近原則，即盡量減少高壓電纜用料來(lái)進(jìn)行高壓線束走向布置，某純電動(dòng)汽車整車高壓電氣系統(tǒng)的布線方案如圖1所示。

圖1 某純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)布線概念圖

2.1.1高壓線束選型基本要求

圖2 帶屏蔽功能線纜橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

整車高壓線束采用帶屏蔽功能線纜，要求屏蔽層密度不小于85%，屏蔽層為鍍錫銅編織網(wǎng)，電纜絕緣電阻大于500Ω/V，耐電壓2500V DC，工作溫度范圍為-40℃～125℃。為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，線纜外部護(hù)套采用橙色，正、負(fù)極線纜外部護(hù)套采用增加紅、黑標(biāo)識(shí)，圖2為帶屏蔽功能線束橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

2.1.2規(guī)格選型

銅導(dǎo)線載流能力通常約(5～8)A/mm2，但隨著溫度的升高，銅導(dǎo)線載流能力下降。

表1 不同線芯截面積對(duì)應(yīng)的載流能力（GB/T 5013.2-2008）

表2 不同溫度下，不同截面電纜對(duì)應(yīng)的載流能力實(shí)測(cè)值

2.1.3電纜布置注意事項(xiàng)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池布置在車輛后方下底板中，電池前端引出的高壓線束從車輛底板下面經(jīng)過(guò)，離地面較近，需在線纜外部增加波紋管防護(hù)，以防止在行車過(guò)程中高壓線束遭受到路面飛濺的石擊等。

部分位置因?yàn)榭臻g的需求，線束無(wú)法應(yīng)用波紋管進(jìn)行防護(hù)，可以考慮在高壓線束外增加塑料線槽的方案來(lái)對(duì)線束進(jìn)行防護(hù)。此方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）塑料線槽自身具有耐磨耐腐蝕的特性，能避免使用橡膠護(hù)套保護(hù)高壓線束所帶來(lái)的老化問(wèn)題；

（2）塑料線槽能引導(dǎo)高壓線束按特定的走向進(jìn)行布置，使線束走向更合理、美觀；

（3）塑料線槽能與線束做成一體，便于產(chǎn)品的成組供應(yīng)，減少車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的裝配工序，提高裝車效率。

2.2 接插件選型

接插件選型原則如下：

a.依據(jù)導(dǎo)線線徑和通過(guò)電流大小選用插接件；

b.布置在動(dòng)力艙及其它有可能進(jìn)水位置的接插件應(yīng)該為密封插接件，防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于IP67；

c.對(duì)于水平布置的接插件，為避免接插件因伸出底座過(guò)長(zhǎng)而承受較大的彎折力，優(yōu)先選用彎式接插件；

d.在同一條線束中若用同一種接插件，其顏色或鍵位一定要有區(qū)別，即要做到顏色防錯(cuò)或鍵位防錯(cuò)；

e.優(yōu)先選用汽車用高壓接插件，無(wú)適合汽車用高壓接插件時(shí)，可選用合適的航空接插件；

f.為保障整車安全，高壓接插件必須帶高壓互鎖結(jié)構(gòu)。

2.3 熔斷器選型

在實(shí)際進(jìn)行保險(xiǎn)絲選型時(shí)，通常用穩(wěn)態(tài)工作電流確定保險(xiǎn)絲的額定電流，用脈沖電流（相對(duì)I2t）來(lái)確定保險(xiǎn)絲的壽命。

電阻型的負(fù)載與電感型的負(fù)載盡量避免使用同一類型的保險(xiǎn)絲。其中電阻型負(fù)載一般選用快熔型保險(xiǎn)絲，電感型負(fù)載一般選用慢熔型保險(xiǎn)絲。具體確定保險(xiǎn)絲規(guī)格時(shí)，應(yīng)根據(jù)電器件的最大連續(xù)工作電流計(jì)算確定保險(xiǎn)絲容量，可按經(jīng)驗(yàn)公式：

保險(xiǎn)絲額定容量＝電路最大工作電流÷80%（或70%）

表3 熔斷器分類表

車輛上共用三種電流模型：穩(wěn)態(tài)工作電流、脈沖電流和浪涌電流，在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)電流都是脈沖電流和穩(wěn)態(tài)電流的疊加態(tài)。

熔斷器的額定電流取決于標(biāo)稱工作電流，一般建議持續(xù)工作負(fù)載為熔斷器額定電流的75%，穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算方法如下：

I：理想的熔斷器額定值；

I：額定工作電流；

：環(huán)境溫度修正系數(shù)；

例如，高壓電器額定工作電流為15A，環(huán)境溫度為105℃，經(jīng)過(guò)查表得環(huán)境溫度修正系數(shù)為88%，計(jì)算得理想的熔斷器額定值為22.7A，則選擇最接近的且大于計(jì)算結(jié)果的25A規(guī)格熔斷器。

脈沖電流不包含穩(wěn)態(tài)工作電流，熔斷器必須承受足夠的脈沖次數(shù)和一定時(shí)間持續(xù)的穩(wěn)態(tài)電流，電流I2t和熔斷器熔斷I2t的比值得到相對(duì)I2t，即

其中，脈沖電流的I2t計(jì)算方法如下：

圖4 脈沖電流的I2t計(jì)算

熔斷I2t是熔斷器在熔化過(guò)程中電流轉(zhuǎn)換的熱能，熔斷器熔斷I2t計(jì)算方法如下：

圖5 保險(xiǎn)絲熔斷的I2t計(jì)算

每一種熔斷器都有自身的脈沖周期曲線，通常選定相對(duì)I2t<30%,再來(lái)確定熔斷器的壽命是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 相對(duì)I2t對(duì)保險(xiǎn)絲壽命的影響

圖7是負(fù)載為脈沖電流的高壓電器工作時(shí)的電流曲線圖，計(jì)算脈沖電流I2t=0.1s*10A*10A=10A2s。

圖7 脈沖電流示意圖

以某品牌熔斷器熔斷特性為例，熔斷器熔斷I2t=26A2s。

圖8 某品牌保險(xiǎn)絲性能參數(shù)表

計(jì)算得，相對(duì)I2t=10A2S/26A2S=38%

查該型號(hào)熔斷器的脈沖周期曲線可知，在承受如下圖所示的電流時(shí)其壽命大概為10000次，如下圖所示。

圖9 保險(xiǎn)絲脈沖周期曲線

2.4 繼電器選型

繼電器分為電流式和電壓式2種,常用的為電壓式繼電器。一般根據(jù)用電器的功率和開關(guān)的承載能力來(lái)決定是否選用繼電器。繼電器按驅(qū)動(dòng)線圈的額定電壓可分6V、12V、24V三種，常用的繼電器額定電壓為12V。

繼電器的選型原則如下：

a）對(duì)于阻性負(fù)載，由于沒(méi)有較大的沖擊電流，觸點(diǎn)損傷比較少，以額定控制容量為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇繼電器。

b）對(duì)于電容或電感性負(fù)載，由于有較大的沖擊電流值，且達(dá)到?jīng)_擊峰值的時(shí)間較短，開閉時(shí)產(chǎn)生的電弧可能對(duì)觸點(diǎn)產(chǎn)生較大的損傷，易發(fā)生觸點(diǎn)粘連，在實(shí)際使用中應(yīng)在分析負(fù)載電流值特性的基礎(chǔ)上選擇具有一定余量的繼電器，即應(yīng)選用具有比負(fù)載電流大一級(jí)別的觸點(diǎn)最大允許電流的繼電器。

c）對(duì)于信號(hào)繼電器，在操作電壓降低到80％額定電壓時(shí)應(yīng)能動(dòng)作，即開始復(fù)位動(dòng)作。

選用繼電器要參考的技術(shù)要求：①可靠性好；②性能穩(wěn)定；③質(zhì)量輕、體積小、壽命長(zhǎng)，對(duì)周圍元器件影響??；④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、成本低。

2.5 熔斷器與高壓電纜、繼電器匹配方法

2.5.1熔斷器與高壓電纜線徑匹配方法

圖10 不同規(guī)格保險(xiǎn)絲和導(dǎo)線的電流－熔斷時(shí)間特性曲線

熔斷器與高壓電纜線徑的匹配原則是在電流—時(shí)間特性曲線中，熔斷器曲線要低于高壓電纜曲線圖12（a），熔斷器曲線與高壓電纜曲線不宜相交圖12（b)。即流過(guò)相同值的電流時(shí)，熔斷器要先于導(dǎo)線斷開，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。

圖11 保險(xiǎn)絲與導(dǎo)線線徑匹配示意圖

圖11顯示了熔斷器與不同電纜線徑的匹配關(guān)系，圖11（a）為額定電流40A的熔斷器與線徑為2mm2的電纜的電流－時(shí)間曲線；圖12（b）為額定電流50A的熔斷器與線徑為2mm2的電纜的電流－時(shí)間曲線。由圖可知當(dāng)回路中流過(guò)100A的電流時(shí)，40A的熔斷器將先于的2mm2電纜3s左右熔斷，從而達(dá)到保護(hù)回路的目的；而50A的熔斷器則可能與2mm2電纜同時(shí)熔斷，無(wú)法達(dá)到保護(hù)回路的目的。

2.5.2熔斷器與繼電器匹配方法

繼電器最大控制容量中的觸點(diǎn)最大允許電壓應(yīng)大于熔斷器的額定電壓；繼電器最大控制容量中的觸點(diǎn)最大允許電流應(yīng)大于熔斷器的最小熔斷電流。

2.5.3繼電器與高壓電纜匹配方法

同一溫度條件下，高壓電纜所允許流過(guò)的最大電流應(yīng)大于繼電器觸點(diǎn)最大允許電流，即在圖12的環(huán)境溫度—導(dǎo)線最大電流曲線中，與每一規(guī)格導(dǎo)線匹配使用的繼電器觸點(diǎn)最大允許電流點(diǎn)應(yīng)位于該導(dǎo)線電流曲線下方。

圖12 環(huán)境溫度—導(dǎo)線最大電流曲線

3 某純電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)匹配應(yīng)用

以某主機(jī)廠一款純電動(dòng)汽車為例，各高壓部件規(guī)格如表4所示。

表4 某純電動(dòng)汽車高壓部件規(guī)格表

基于上述核心零部件選型原則，確認(rèn)各回路熔斷器、繼電器及電纜線徑規(guī)格如表5所示。

表5 高壓配電系統(tǒng)核心零部件選型表

最終形成整車高壓配電系統(tǒng)原理圖如圖13所示。

4 總結(jié)

本文針對(duì)新能源汽車高壓配電系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)原則及方法進(jìn)行說(shuō)明，主要對(duì)配電系統(tǒng)中核心零部件，如高壓電纜、接插件、熔斷器和繼電器進(jìn)行選型說(shuō)明，確保該配電系統(tǒng)在工作過(guò)程中安全、可靠。并以某款純電動(dòng)車為例，對(duì)高壓配電系統(tǒng)核心零部件進(jìn)行匹配選型。后續(xù)如有需要，可根據(jù)此車電氣架構(gòu)的變化對(duì)本方案進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到功能、性能的優(yōu)化與提升。

圖13 某純電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)原理圖

The Analysis of Development method about High Voltage Distribution System on Pure-electric Vehicle

Shu Nanxiang

( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to solve the problem of the high voltage happened during the vehicle running, on the premise of security and based on the specification of every high voltage component, this article introduce the analysis about how to choose the coin part in High Voltage Distribution system. And it provide the development method about High Voltage Distribution system to make sure the pure-electric vehicle works safety and reliable.

Pure-electric Vehicle; High Voltage Distribution; Fuse; Relay

U463

A

1671-7988(2018)24-17-05

U463

A

1671-7988(2018)24-17-05

舒南翔，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.006