劉娟娟

比亞迪汽車工業(yè)有限公司 廣東深圳 518118

1 前言

和燃油專用汽車相比，電動專用汽車匹配大容量、高電壓的動力電池系統(tǒng)及電驅(qū)動系統(tǒng)，而且高壓負(fù)載回路中還有其他高壓附件系統(tǒng)，如空調(diào)、暖風(fēng)、DC/DC、交直流充電等，所以電動專用汽車的高壓安全問題就顯得尤為重要。根據(jù)高壓系統(tǒng)的復(fù)雜及重要度，需要對高壓電系統(tǒng)進(jìn)行安全的設(shè)計(jì)和實(shí)時監(jiān)控，這是電動汽車安全運(yùn)行的必要保證[1]。

高壓電氣系統(tǒng)控制與安全管理和故障診斷的總目標(biāo)是確保純電動汽車在靜止、運(yùn)行及充電等全過程的高壓用電安全[2]。降低電氣安全相關(guān)故障率，提高客戶使用的便利性和安全性，電氣系統(tǒng)是電動汽車的核心，對純電動汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等影響很大，本文主要對高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)和常見故障分析進(jìn)行概述。

2 電動專用汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

電動專用汽車的高壓電氣系統(tǒng)主要有電驅(qū)動系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、DC/DC、電動空調(diào)、電暖風(fēng)、交直流充電系統(tǒng)及高壓電安全管理系統(tǒng)等，如圖1所示。高壓系統(tǒng)中動力電池系統(tǒng)為其他系統(tǒng)通過高壓配電系統(tǒng)單元分配后提供能量來源，整車控制器和電機(jī)控制器，以及電池管理系統(tǒng)、高壓電安全管理系統(tǒng)、電動空調(diào)、車載充電機(jī)和非車載充電設(shè)備等控制單元通過CAN總線進(jìn)行相互通信。各高壓系統(tǒng)通過高低壓線束和CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和交互。根據(jù)純電動汽車安全標(biāo)準(zhǔn)要求，從車載能源、故障保護(hù)、人員安全防護(hù)及高壓電安全控制策略等方面考慮，應(yīng)對電動汽車高壓電氣系統(tǒng)進(jìn)行五方面設(shè)計(jì)。

圖1 電動專用汽車高壓系統(tǒng)框圖

2.1 高壓系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)

高壓部件的防護(hù)主要包括IP防護(hù)、機(jī)械防護(hù)及高壓警告標(biāo)識等。尤其是布置外露的零部件，如電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、電動空調(diào)、DC/DC、動力電池系統(tǒng)及相互的高壓連接，均要求達(dá)到IP67防護(hù)等級，并且所有高壓系統(tǒng)應(yīng)具有高壓危險警告標(biāo)識。此外，所有的配電系統(tǒng)高壓接插件均有防呆設(shè)計(jì)，避免裝配錯誤導(dǎo)致高壓回路失效。

由于純電動汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示、警示用戶和維修人員，高壓線束應(yīng)采用橙色線纜并用橙色波紋管對其進(jìn)行防護(hù)[3]。同時高壓連接器也應(yīng)標(biāo)識為橙色，起到警示作用。高壓觸電防護(hù)是高壓電氣安全設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)，主要通過直接防護(hù)（如絕緣設(shè)計(jì)等）和間接防護(hù)（如等電位連接和電氣隔離等）兩個方面來實(shí)現(xiàn)[4]。

2.2 電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)就是電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成Pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)、電連接安全設(shè)計(jì)、BMS安全設(shè)計(jì)等。Pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有電池箱體設(shè)計(jì)和模組設(shè)計(jì)，箱體設(shè)計(jì)考慮機(jī)械振動沖擊防護(hù)、碰撞和擠壓防護(hù)、IP等級防護(hù)以及防火防爆防護(hù)等，模組設(shè)計(jì)除了做好模組的機(jī)械振動和沖擊防護(hù)，同時要考慮電芯充放電過程中的膨脹力吸收，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)留膨脹空間，同時加強(qiáng)傳熱和隔熱設(shè)計(jì)，以及采樣線束的防短路設(shè)計(jì)；熱管理設(shè)計(jì)主要功能是實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)對充放電溫升和溫差的控制，進(jìn)行高效的熱均衡，分為水冷和風(fēng)冷兩方面，目前水冷是主流設(shè)計(jì)；電連接安全設(shè)計(jì)主要有電池系統(tǒng)BDU電氣件（接觸器、熔斷器、MSD和銅排等）的選型和設(shè)計(jì)及壽命分析，以及模組正負(fù)極的冗余防松連接設(shè)計(jì)、模組排布時安全間隙預(yù)留以及爬電距離等；BMS安全設(shè)計(jì)主要從軟硬件對應(yīng)用策略的實(shí)現(xiàn)，絕緣檢測的監(jiān)控、故障的診斷及處理機(jī)制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控與管理以及功能安全等。

2.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

首先，電動汽車上存在三相交流系統(tǒng)，具有較強(qiáng)電磁干擾，在高壓電氣設(shè)計(jì)時，高壓線、信號線及低壓線應(yīng)盡可能采用隔離或分開走線；同時，電源線考慮接地且底盤線束和駕駛室線束要共地，避免接地不良引起形成干擾，嚴(yán)重時可導(dǎo)致整車CAN網(wǎng)絡(luò)癱瘓車輛故障；同時輸入與輸出信號線應(yīng)避免排在一起造成干擾；所有CAN線均為屏蔽雙絞線，屏蔽CAN干擾。

其次，高壓電氣系統(tǒng)零部件外殼均需要與車身地進(jìn)行等電位連接，建議使用地線或者螺栓搭鐵形式進(jìn)行連接。對于等電位連接所用的導(dǎo)體（比如接地線等），建議使用黑色，方便維修和辨認(rèn)。等電位連接的導(dǎo)體截面積保證不低于高壓線束的截面積，考慮絕緣失效時，高壓電流有可能流經(jīng)等電位回路，可能因過流而發(fā)熱，并進(jìn)而引起火災(zāi)。

2.4 預(yù)充電回路保護(hù)設(shè)計(jì)

高壓系統(tǒng)的電機(jī)控制器和空壓機(jī)等控制器均有大量電容，直接接通該回路可能會產(chǎn)生高壓電沖擊，沖擊電流達(dá)上千安，可直接將電池系統(tǒng)回路接觸器燒壞，嚴(yán)重時對電芯瞬間大電流放電也產(chǎn)生嚴(yán)重不可修復(fù)損傷，故為避免接通時的高壓電沖擊，高壓系統(tǒng)需采取預(yù)充電回路的方式對高壓設(shè)備進(jìn)行預(yù)充電[5]。 圖2為純電動汽車高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路原理圖。預(yù)充電系統(tǒng)由電機(jī)控制器大電容、主正、主負(fù)、預(yù)充接觸器、預(yù)充電阻、高壓系統(tǒng)部件組成，主接觸器和預(yù)充電阻預(yù)充接觸器并聯(lián)，主回路負(fù)端主負(fù)接觸器控制整個回路電池系統(tǒng)的開閉。

正常情況下，因高壓回路中存在容性負(fù)載，鑰匙信號上電后，先進(jìn)行預(yù)充回路判斷，控制預(yù)充接觸器閉合，當(dāng)電機(jī)控制器母線電壓達(dá)到電池總電壓的95%以上時，判斷預(yù)充成功，總正接觸器閉合，預(yù)充接觸器斷開，整車高壓回路處于正常接通狀態(tài)；當(dāng)高壓主回路斷開時，因高壓部件電容存在，為避免對人員和汽車造成危害，在切斷高壓系統(tǒng)后應(yīng)將電容的高壓電通過并聯(lián)在高壓系統(tǒng)中的電阻在國標(biāo)規(guī)定時間釋放掉[6]。

圖2 純電動汽車高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路原理圖

2.5 高壓系統(tǒng)其他過保護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)汽車高壓附件設(shè)備發(fā)生過載或線路短路時，相關(guān)高壓回路應(yīng)能自動切斷供電，以確保高壓附件設(shè)備不被損壞，保證汽車和駕乘人員的安全。因此在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置過載或短路的保護(hù)部件，在高壓回路中串入熔斷器和接觸器，當(dāng)發(fā)生過載或短路而引起熔斷器或接觸器短路時，高壓管理系統(tǒng)會通過對接觸器觸點(diǎn)和相關(guān)控制接觸器閉合的有效指令進(jìn)行綜合判定，若檢測出相關(guān)電路故障，會發(fā)出聲光報警以提示駕駛員。

在進(jìn)行熔斷器選型時，通常用持續(xù)工作電流確定熔斷器的額定電流，用脈沖電流來確定熔斷器的壽命。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熔斷器。其中電阻型負(fù)載（如電池系統(tǒng)）一般選用快熔型保險絲，電感型負(fù)載（如驅(qū)動系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)）一般選用慢熔型熔斷器。高壓熔斷器選型原則是熔斷器額定電壓與額定電流的確認(rèn)，熔斷器額定電壓需大于車輛的最高電壓，額定電流應(yīng)根據(jù)電器件的最大連續(xù)工作電流計(jì)算確定保險絲容量[7]，可按經(jīng)驗(yàn)公式：

保險絲額定容量=電路最大工作電流÷80%

3 電動汽車高壓電氣系統(tǒng)常見故障分析

3.1 整車絕緣故障

整車絕緣檢測的原理是通過絕緣阻抗監(jiān)測儀連接直流高壓系統(tǒng)正負(fù)母線與車身或者電池包殼體之間的絕緣電阻來判斷車輛是否存在絕緣故障[8]。整車絕緣故障主要為整車高壓配電系統(tǒng)、各高壓回路系統(tǒng)或者電池系統(tǒng)絕緣有問題，通過高壓配電回路逐一排查，查看該回路高壓接插件防護(hù)有無損壞，接插件是否進(jìn)水，大部分情況為IP等級防護(hù)不夠?qū)е逻M(jìn)水引起絕緣故障發(fā)生；若為電池系統(tǒng)絕緣過低導(dǎo)致，可能為電池包進(jìn)水、電池模組漏液、銅排破損、絕緣監(jiān)測芯片故障均會導(dǎo)致動力電池報絕緣故障。

3.2 電池系統(tǒng)故障

電池系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵零部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)市場運(yùn)營的電動汽車50%故障為電池系統(tǒng)故障。電池系統(tǒng)故障主要由電池單體一致性故障、過溫故障、通信故障、絕緣故障、溫差過大故障、過流故障、溫感采集跳變故障、電池CAN網(wǎng)絡(luò)故障、BMS采集板故障、電芯漏液和電氣件故障等原因引起。

3.3 交直流充電故障

電動汽車在運(yùn)營過程中，交直流充電的故障率和充電時效直接影響著客戶的使用體驗(yàn)感。所以，可靠的交直流充電系統(tǒng)顯得尤其重要。市場交直流充電問題，主要有充電高壓回路故障、充電CAN網(wǎng)絡(luò)通信故障、低壓線束斷線故障、充電機(jī)故障、BMS硬件故障和搭鐵不良故障等。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)地介紹了電動汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)，主要從高壓系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、預(yù)充回路設(shè)計(jì)、高壓系統(tǒng)過保護(hù)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，并結(jié)合新能源汽車常見故障如整車絕緣故障、電池系統(tǒng)故障和交直流充電故障等故障現(xiàn)象及原因分析，以提升電動汽車高壓電氣安全性和可靠性，對電動汽車高壓系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)及維修有一定的參考意義。