【摘" 要】本文簡要介紹電動汽車高壓配電系統(tǒng)的設(shè)計方法，涉及熔斷器、預(yù)充電阻等關(guān)鍵器件的選型和校核，并通過實際案例進(jìn)行說明。

【關(guān)鍵詞】電動汽車；高壓配電；高壓安全

中圖分類號：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2022 ）12-0004-04

Research on Safety Design of Electric Vehicle HV Distribution System

CHEN Ming-wen，LI Zun-jie，HUANG Cheng-lin

（BYD Automobile Industry Co.，Ltd.，Shenzhen 518118，China）

【Abstract】The article briefly introduced the design method of the HV distribution system for electric vehicles，involving the selection and checking of key components such as fuse and pre-charge resistance，and explains through practical cases.

【Key words】 electric vehicle；high voltage distribution system；high voltage safety

1" 前言

高壓配電系統(tǒng)是一個涉及電動汽車多零部件和多工況的復(fù)雜系統(tǒng)，其主要作用是通過電路選型設(shè)計和策略邏輯設(shè)計，保證車輛在上下電、行駛、充電等工況下能正常有效地工作，并針對高壓系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)的元件故障、絕緣失效、短路等各種故障問題，保證車輛安全可靠。本文基于車輛各個工況場景和各高壓部件的規(guī)格參數(shù)，研究高壓配電系統(tǒng)中核心零部件的設(shè)計選型，最終形成整個高壓配電系統(tǒng)的安全設(shè)計方法，為整車高壓配電系統(tǒng)安全設(shè)計提供參考。

2" 高壓配電系統(tǒng)安全設(shè)計

高壓配電系統(tǒng)的安全設(shè)計主要包含4個大的方面：預(yù)充保護(hù)設(shè)計、熔斷器設(shè)計、繼電器設(shè)計和高壓線束設(shè)計。

1）預(yù)充保護(hù)設(shè)計可以有效避免上電過程中由于源端和負(fù)載端存在壓差導(dǎo)致的電流沖擊問題。

2）熔斷器被設(shè)計在動力電池輸出回路和各個負(fù)載回路，在各回路出現(xiàn)過載和短路時，熔斷器能起到及時斷開高壓電氣連接的作用。

3）繼電器主動控制著高壓主回路的通斷，結(jié)合策略設(shè)計有效保證了車輛的上下電安全。

4）高壓線束主要考慮回路的過電流能力和相關(guān)電氣安全防護(hù)。

2.1" 預(yù)充保護(hù)設(shè)計

在高壓系統(tǒng)進(jìn)行上電操作時會對電控等部件內(nèi)部存在的母線電容進(jìn)行充電，此時高壓系統(tǒng)實際相當(dāng)于短路。因為上電時回路阻抗主要由高壓回路電池內(nèi)阻，傳導(dǎo)線連接電阻和電容的等效內(nèi)阻等組成，總的阻值在100mΩ以內(nèi)，結(jié)合高壓系統(tǒng)幾百伏的平臺電壓，回路上就會產(chǎn)生一個可能高達(dá)幾千安培的瞬態(tài)沖擊電流。如果沒有好的解決方案，這種幾千安培的瞬態(tài)沖擊電流會損壞高壓配電系統(tǒng)的熔斷器，繼電器和其它負(fù)載內(nèi)部的高壓元器件，同時損傷電池電芯。嚴(yán)重時，可能導(dǎo)致高壓系統(tǒng)出現(xiàn)短路、拉弧的場景，存在極大的安全隱患。

為了解決容性負(fù)載上電出現(xiàn)的瞬態(tài)沖擊電流問題，可參考圖1，在主回路上并聯(lián)由預(yù)充電阻R和預(yù)充繼電器K3組成的預(yù)充保護(hù)電路。當(dāng)高壓回路上電時，先閉合主負(fù)繼電器K2和預(yù)充繼電器K3，主正繼電器K1保持打開狀態(tài)。當(dāng)主負(fù)繼電器K2和預(yù)充繼電器K3吸合后，高壓回路負(fù)載電容C開始緩慢充電，電容電壓越來越高，當(dāng)負(fù)載端的電壓接近動力電池電壓時，接通主正繼電器K1，再切斷預(yù)充電繼電器K3，完成預(yù)充，主正繼電器K1吸合時兩端壓差小，從而減少繼電器的拉弧，減小了高壓系統(tǒng)的電流沖擊，提高了高壓系統(tǒng)的安全性。

預(yù)充回路的設(shè)計關(guān)鍵在于預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻的選型，預(yù)充繼電器主要基于平臺電壓和預(yù)充電流進(jìn)行選型，較為簡單，這里不做贅述。關(guān)于預(yù)充電阻的選型主要分為電阻阻值的計算和功率的計算。

2.1.1" 預(yù)充電阻阻值計算

把預(yù)充過程看作RC電路的充電過程，可得出以下公式：

UC=Umax（1-e-t / τ）

式中：Uc——預(yù)充過程中電壓；Umax——系統(tǒng)最大電壓；t——預(yù)充時間；τ——時間常數(shù)；R——預(yù)充電阻；C——總負(fù)載電容。

預(yù)充電壓的判定一般選取系統(tǒng)最大電壓的95%，即Uc=Umax×0.95時，根據(jù)公式解得：t=3ＲC，即可得出預(yù)充電阻值。

2.1.2" 預(yù)充電阻功率計算

電容在預(yù)充過程中，預(yù)充電阻消耗的能量為預(yù)充過程中總能量的一半。由于在預(yù)充過程中，整個預(yù)充時間很短（2s內(nèi)），所以預(yù)充電阻在預(yù)充時相當(dāng)于是一個承受瞬時耐沖擊能量的過程，即瞬時功率。瞬時功率計算參考以下公式：

P （t）=U2（t）/R

式中：P（t）——某一時刻通過預(yù)充電阻的功率；U（t）——同一時刻預(yù)充電阻兩端的電壓；R——預(yù)充電阻。可知當(dāng)U（t）最大時，P（t）最大。同時還需要知道預(yù)充電阻功率過載系數(shù)n（一般由電阻廠家提供），如圖2所示，考慮最大預(yù)充時間在1～2s之間，過載系數(shù)n一般取10～20，P=P（t）/n。根據(jù)以上計算，得出預(yù)充電阻選型結(jié)果。

2.2" 熔斷器配置，選型和校核

熔斷器的設(shè)計主要包含在整車上的配置，關(guān)鍵參數(shù)選型和基于高壓回路系統(tǒng)參數(shù)的匹配校核。

2.2.1" 熔斷器的配置

在高壓回路系統(tǒng)中應(yīng)在主回路和每個回路單獨(dú)布置熔斷器，以保證高壓回路在發(fā)生短路情況下能及時有效地切斷電路，保護(hù)整車高壓系統(tǒng)安全，且各支路負(fù)載的故障不會影響其它部件的正常工作。熔斷器一般放在正極電路中，布置場景可以分以下幾種。

1）作為主熔斷器放在系統(tǒng)主回路上，能規(guī)避主回路短路風(fēng)險，參考圖3所示。

2）在支路負(fù)載前端布置熔斷器，能很好地保護(hù)各支路負(fù)載電路及器件，不影響主回路，參考圖4。

3）作為分壓熔斷器在電芯與電芯（模組與模組）之間，可以降低電池組裝短路風(fēng)險，參考圖5。

2.2.2" 熔斷器的分類

在熔斷器使用類別上，車用高壓直流熔斷器主要分為g類和a類熔斷器。通常選用aR類半導(dǎo)體保護(hù)熔斷器。

1）g類提供全范圍保護(hù)，可分?jǐn)嗳垠w融化至熔斷器額定分?jǐn)嗄芰χg的任何電流，適合作為過載和短路的保護(hù)。

2）a類提供部分范圍保護(hù)，能分?jǐn)嘧钚》謹(jǐn)嚯娏髦令~定分?jǐn)嚯娏髦g的過電流，適合作為短路保護(hù)。

2.2.3" 熔斷器額定電流

熔斷器額定電流是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試條件下，按照特定的測試方式進(jìn)行驗證，視同可以長期通過而熔斷器不會損傷的電流值，熔斷器的額定電流按照負(fù)載情況匹配計算后選擇。

熔斷器的額定電流選擇參考以下公式：

In=I額×K/（Kt×Ke×Kv×Kf×Ka×Kb）

式中：In——熔斷器額定電流；I額——負(fù)載額定電流；K——負(fù)載修正系數(shù)；Kt——環(huán)境溫度修正系數(shù)；Ke——連接熱傳導(dǎo)修正系數(shù)；Kv——風(fēng)冷修正系數(shù)；Kf——工作頻率修正系數(shù)；Ka——海拔修正系數(shù)；Kb——安裝空間修正系數(shù)，不同規(guī)格型號的熔斷器的修正系數(shù)也會有差異。

1）K：負(fù)載修正系數(shù)，根據(jù)回路負(fù)載峰值電流的不同，K值的系數(shù)也有所不同，一般K值取1.2～1.5之間。

2）Kt：溫度修正系數(shù)，參考不同的工作環(huán)境溫度。

3）Ke：連接熱傳導(dǎo)修正系數(shù)，按照連接銅排導(dǎo)線橫截面積1.3A/mm2為100%。

4）Kv：風(fēng)冷修正系數(shù)，熔斷器采用自然冷卻，沒有額外的散熱處理，Kv值一般取1。

5）Kf：工作頻率修正系數(shù)，直流電流頻率通常在1kHz以下，Kf值取1。

6）Ka：海拔修正系數(shù)，在海拔不超過2000m處，熔斷器一般不作降容處理，每超過100m要求0.5的降容系數(shù)。

2.2.4" 熔斷器額定電壓

額定電壓是指在一定條件下可安全分?jǐn)嗟臉?biāo)稱電壓值，選型時熔斷器的額定電壓需要大于高壓系統(tǒng)的峰值電壓。

2.2.5nbsp; 熔斷器分?jǐn)嗄芰?/p>

分?jǐn)嗄芰κ侨蹟嗥髟陬~定電壓及工作條件下，可瞬間承受的最大過載電流，熔斷器會熔斷但是不能發(fā)生爆炸情況。選擇的熔斷器的分?jǐn)嗄芰Ρ仨毚笥谙到y(tǒng)的預(yù)期最大短路電流。預(yù)期最大短路電流主要依據(jù)最大高壓系統(tǒng)平臺電壓和最小回路阻抗來確定。

2.2.6" 熔斷器選型校核

初步選擇一個熔斷器型號后，需要進(jìn)行以下校核驗證，分別對回路的峰值電流進(jìn)行校核驗證，不同級熔斷器之間的校核驗證，與回路中繼電器匹配驗證以及與線束進(jìn)行匹配驗證。

1）峰值電流校核：根據(jù)該熔斷器的時間-電流曲線，對應(yīng)回路的峰值電流和持續(xù)時間，校核是否滿足系統(tǒng)要求。如圖6所示為某系列熔斷器的I-T 曲線，峰值電流必須在曲線下方時才能保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2）熔斷器間校核：理論評估時，上級熔斷器的弧前I2t（熔斷器弧前時間內(nèi)的I2t積分）要大于下級熔斷器的熔斷I2t（熔斷器熔斷時間內(nèi)的I2t積分），對于上下級熔斷器出現(xiàn)設(shè)計不匹配的情況，需要結(jié)合整車負(fù)載短路實驗進(jìn)行驗證評估。

3）與繼電器匹配校核：通過對比繼電器與熔斷器的電流耐受曲線，曲線對比如圖7所示。當(dāng)發(fā)生低倍過載時，繼電器動作斷開，保護(hù)回路不受損害，同時具有可恢復(fù)性；當(dāng)發(fā)生高倍過載或短路時，熔斷器動作斷開，避免回路中繼電器發(fā)生粘連或爆炸。

4）與線束匹配校核：當(dāng)線束的發(fā)煙曲線位于熔斷器的I-T特性曲線的上方時，表示在相同電流下熔斷器先于線束熔斷，即熔斷器能夠保護(hù)線束不被損壞，如圖8所示；若線束的發(fā)煙曲線位于熔斷器的I-T 特性曲線的下方時，表示在相同電流下電流會先達(dá)到線束的耐受臨界值再達(dá)到熔斷器的熔斷值，此時線束可能由于持續(xù)的過電流導(dǎo)致出現(xiàn)發(fā)煙起火的風(fēng)險。

在實際整車工況復(fù)雜的背景下，高壓回路可能出現(xiàn)各種異常大電流危害熔斷器的安全，如高壓回路的諧振沖擊電流，浪涌電流等，在熔斷器選型校核中均需要考慮這些影響。

2.3" 繼電器的選型設(shè)計

在高壓回路中的繼電器控制系統(tǒng)主要由電池包主控制繼電器、直流充電控制繼電器和其它的負(fù)載支路控制繼電器組成。繼電器的選型設(shè)計需要考慮電壓、電流和壽命等關(guān)鍵的參數(shù)。

1）額定電壓：為保證繼電器在整車高壓系統(tǒng)最高工作電壓時可以安全斷開，選型時繼電器的額定電壓應(yīng)大于整車高壓系統(tǒng)的峰值電壓。

2）額定電流：在相同單位時間內(nèi)繼電器過流能力應(yīng)滿足整車當(dāng)前回路中最大持續(xù)過流要求。

3）驅(qū)動線圈功率：選型過程中繼電器的線圈驅(qū)動的額定電壓為12V（乘用車），線圈驅(qū)動功率一般不大于6W。

4）接觸電阻：選型過程中繼電器觸點(diǎn)在額定電流下的初始接觸內(nèi)阻應(yīng)不大于0.5mΩ，同一溫度條件下，高壓電纜所允許流過的最大電流應(yīng)大于繼電器觸點(diǎn)間最大允許電流。

5）耐久性：繼電器的耐久性主要考慮電耐久和機(jī)械耐久。電耐久性主要是繼電器觸點(diǎn)在對應(yīng)電流電壓下帶載通斷的次數(shù)，是評估電氣壽命的重點(diǎn)。通常我們選取繼電器的機(jī)械耐久一般在20萬次以上。

6）沖擊電流耐受：繼電器在滿足車輛額定電流工況的條件下，還需要能夠承受短時的大電流工況，此時需根據(jù)高壓系統(tǒng)實際工況，參考繼電器電流耐受曲線進(jìn)行評估，實際工況需在安全曲線以下，如圖9所示。

2.4" 高壓線束設(shè)計

高壓線束的結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層及護(hù)套組成。

高壓線束優(yōu)先考慮線徑的選取，不同線徑對應(yīng)不同的實際工作電流，線徑選取參考表1。

表1僅針對標(biāo)稱溫度45℃下環(huán)境溫度90℃下的額定電流值，實際整車的溫度工況是復(fù)雜的，還需要考慮預(yù)期溫度的影響，增加溫度修正系數(shù)，參考表2。

最終線束過電流能力參考以下公式：

I=I（45℃）×K×0.8（降額系數(shù)）

除了高壓線束過電流的要求，高壓線束還需要滿足絕緣的要求和布置要求。

目前整車高壓線束都是按照加強(qiáng)絕緣設(shè)計，選取的絕緣材料必須具有耐電弧性、耐漏電痕跡性、耐臭氧性的特點(diǎn)，絕緣性能良好，同時具有良好的耐高低溫性能，耐高溫可達(dá)到200℃，在高溫高濕條件下保持性能穩(wěn)定，并滿足阻燃的要求。

高壓線束在整車的布置需要考慮實車碰撞的影響，因高壓線束機(jī)械強(qiáng)度弱且在整車分布較廣，容易出現(xiàn)擠壓或剪切的場景，所以對于布置在前艙、后艙及主要壓潰區(qū)內(nèi)的高壓線束，布置路徑上應(yīng)無鋒利結(jié)構(gòu)，避開鈑金搭接處、金屬邊緣等尖銳部位，支架需要進(jìn)行倒角處理。

3" 小結(jié)

高壓配電系統(tǒng)的安全設(shè)計主要通過前期的設(shè)計選型和后期的實驗相互驗證來確定最終的設(shè)計方案。本文提供的設(shè)計方法已成功應(yīng)用在多個車型的開發(fā)中，高壓系統(tǒng)的運(yùn)行得到了可靠地保護(hù)。但是針對可能存在的電池低溫低SOC的短路和高壓回路高阻抗的短路等場景還需要探索更好的選型設(shè)計方案。目前行業(yè)內(nèi)對于高壓配電系統(tǒng)設(shè)計也有一些新的思路，諸如智能熔斷器的應(yīng)用可以更可靠的解決高壓下電的問題和反向預(yù)充技術(shù)替代傳統(tǒng)的預(yù)充電阻設(shè)計等。高壓配電系統(tǒng)的安全設(shè)計也還需要進(jìn)行更多實驗分析和開展更深入的技術(shù)研究。

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（編輯" 凌" 波）