動(dòng)力電池內(nèi)部線束布置及設(shè)計(jì)的分析

近年來隨著新能源汽車的日益發(fā)展，積極響應(yīng)國家節(jié)能減排，推廣使用新能源，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的號召。汽車生產(chǎn)廠分別推出了自己的新能源汽車產(chǎn)品，其中包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車。進(jìn)而隨著技術(shù)的逐步完善，已趨于用電力取代了傳統(tǒng)的燃料作為汽車的動(dòng)力來源。對于新能源車輛動(dòng)力電池包內(nèi)線束的設(shè)計(jì)及研究，存在著各種設(shè)計(jì)方面困擾和新的設(shè)計(jì)理念的誕生，電池包內(nèi)線束作為動(dòng)力電池的信號傳輸、實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的有效輸出，電池包內(nèi)動(dòng)力電池用電量、續(xù)航里程等有效地實(shí)施監(jiān)控。在設(shè)計(jì)過程中同時(shí)也面臨著設(shè)計(jì)方案、布置走向、EMC防護(hù)等設(shè)計(jì)方面的考驗(yàn)。

一、線束設(shè)計(jì)方案分析

目前新能源車輛動(dòng)力電池包根據(jù)前期設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定電池包內(nèi)模組和單體的數(shù)量及結(jié)構(gòu)形式，電池包冷卻形式分為風(fēng)冷式和水冷式電池包。針對于包內(nèi)線束設(shè)計(jì)而言，區(qū)別于傳統(tǒng)汽油車整車線束，有高壓線束和低壓線束，不同形式電池包內(nèi)部線束設(shè)計(jì)采用了不同形式的設(shè)計(jì)方式和布置方案。

1．1電池包內(nèi)高壓線束設(shè)計(jì)方案

高壓線束在新能源車輛上主要提供高壓強(qiáng)電供電作用，因此對于線束的設(shè)計(jì)及布置尤為重要，主要遵循以下幾個(gè)方面的原則：

1）線束走向設(shè)計(jì)：高壓線束設(shè)計(jì)采用雙軌制，由于高壓已經(jīng)超出人體安全電壓，車身不可作為整車搭鐵點(diǎn)，因此包內(nèi)高壓線束的設(shè)計(jì)上，直流高壓電回路必須嚴(yán)格執(zhí)行雙軌制。包內(nèi)高壓線束可分為高壓總正、高壓總負(fù)。

2）高壓連接器選型：高壓連接器主要負(fù)責(zé)高壓大電流連接和傳輸，并負(fù)責(zé)高壓回路的人機(jī)安全。因此高壓線束連接器目前多采用耐高壓、防水等級高、環(huán)路互鎖、屏蔽層連接等功能。

3）屏蔽設(shè)計(jì)：采用屏蔽高壓線，屏蔽網(wǎng)包覆在高壓線內(nèi)部。，連接器連接時(shí)實(shí)現(xiàn)屏蔽層的連接。考慮到電磁干擾的因素，整個(gè)高壓線束系統(tǒng)均由屏蔽層全部包覆。

4）高壓線布置：

考慮安全及電磁干擾，高壓線與低壓線束進(jìn)行分離布置。

1．2電池包內(nèi)低壓線束設(shè)計(jì)方案

1．2．1根據(jù)電池的工作原理以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將內(nèi)部線束分為：

1）BMU（BMS主板）線束：主要功能負(fù)責(zé)電池狀態(tài)估算（SOC SOP SOH等）、執(zhí)行器控制，熱管理策略，高壓安全、故障診斷等BMS主要控制功能實(shí)現(xiàn)。

2）LMU（BMS從板）線束：主要功能負(fù)責(zé)單體電壓，電池溫度采集監(jiān)測等。

3）HCU（BMS高壓板）信息采集線束：高壓采集，絕緣監(jiān)測。

4）高壓繼電器線圈控制線束：負(fù)責(zé)控制高壓回路的通斷。

5）電流傳感器線束：有霍爾傳感器或分流器，主要負(fù)責(zé)采集電流信息。

6）PTC控制器：控制PTC進(jìn)行加熱

7）電磁閥：控制電池包空調(diào)管路的通斷。

8）各高壓連接器的互鎖插頭：高壓環(huán)路互鎖信號傳輸。

以上線束布置同電池包內(nèi)高壓線束進(jìn)行分離設(shè)計(jì)，有效避免EMC干擾。

1．2．2電池包內(nèi)低壓線束固定及卡扣選型：

由于受電池包內(nèi)環(huán)境和結(jié)構(gòu)限制，線束固定方式采用小型化、易裝配、依托固定結(jié)構(gòu)簡單為主。

1．2．3屏蔽設(shè)計(jì)：

低壓線束負(fù)責(zé)強(qiáng)電控制單元模塊的功能實(shí)現(xiàn)以及相關(guān)信號的傳輸。低壓線束設(shè)計(jì)與布置方案中考慮高壓線束對其產(chǎn)生的干擾防護(hù)，不同信號源采用不同的低壓屏蔽導(dǎo)線。

高頻信號：線束采用雙絞線、屏蔽層采用箔層屏蔽。

低頻信號：線束采用雙絞線、屏蔽層采用編織層屏蔽。

1．2．4屏蔽導(dǎo)線的接地形式：

單點(diǎn)接地：低頻信號采用單點(diǎn)接地。

多點(diǎn)接地：高頻信號采用多點(diǎn)接地。

二、高低壓線束布置方案

圖1、電池包內(nèi)高、低壓線束布置圖

為了避免高壓線束傳輸強(qiáng)電電流時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致低壓線束對控制單元供電及信號傳輸受到電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)，因此我司純電動(dòng)車輛動(dòng)力電池包采用了高壓線束與低壓線束分層式和并列式設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方案有效避免了強(qiáng)電工作產(chǎn)生的干擾。布置形式如圖一。

2．1分層布置：高壓線束與低壓線束分為上下層級關(guān)系。2．1．1分層式布線

電池包內(nèi)前期布置考慮電池模組高壓供電和低壓信號采集進(jìn)行分層布線，模組之間串聯(lián)接線保證高壓連接線（圖中紅色）部分在模組下方，低壓信號采集等相關(guān)低壓控制布線（圖中藍(lán)色）在模組上層。而從分層布線有效的對高壓線工作時(shí)產(chǎn)生的EMC干擾起到防護(hù)作用。保證電池包內(nèi)供電、信號傳輸穩(wěn)定性。

2．2并列布置形式：2．2．1走向依附電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)并列布置（圖二所示）。

前端模組高壓布線和BMS主板低壓布線，采用并列式布置，保證高低壓線束并列不交叉。有效防護(hù)高壓線束工作時(shí)對控制器的EMC干擾。

圖2、電池包內(nèi)模組、控制器、線束布置關(guān)系圖

三、高、低壓線束的固定設(shè)計(jì)3．1線束電池包內(nèi)卡扣選擇：卡接式扎帶卡扣（圖三）、卡接螺柱式卡扣（圖四）、扎帶固定（圖五）。

圖3、卡接式扎帶卡扣

圖4、卡接螺柱式卡扣

圖5、 扎帶固定捆扎

3．1．1圖三中扎帶主要用在高低壓線束，通過連接前、后段塑料風(fēng)道內(nèi)，風(fēng)道內(nèi)部做出結(jié)構(gòu)供卡接式扎帶卡扣固定線束。風(fēng)道本體預(yù)留安裝孔供線束固定裝配。

3．1．2圖四中卡接螺柱式卡扣主要用在前、后端電池模組下方，鈑金底焊接固定螺柱供扎帶固定線束。

3．1．3圖五中扎帶固定線束主要用在后端模組上蓋板，用于LMU從板、HCU信號采集線束固定。

四、電池包內(nèi)高低壓線束原理設(shè)計(jì)分析

高壓線束采用雙軌制設(shè)計(jì)，將電池包前、后端模組串聯(lián)、電池包內(nèi)PTC、風(fēng)冷風(fēng)扇、強(qiáng)電維修開關(guān)、充電預(yù)充回路等連接到原理回路中。并通過電池包前端高壓接插件提供整車強(qiáng)電供電。高壓接插件采用插件本體屏蔽，并增加高壓互鎖功能，有效防護(hù)高壓電流產(chǎn)生的EMC干擾。

電池包內(nèi)低壓線束原理設(shè)計(jì)同傳統(tǒng)車外部整車線束采用的導(dǎo)線及導(dǎo)線選取原則相同，區(qū)別在于電池包內(nèi)部線束主要進(jìn)行信號采集，電池包內(nèi)監(jiān)測相關(guān)的傳感器類部件。目前采用耐溫等級高導(dǎo)線，屏蔽線、雙絞線等。將所有采集的信息交互給BMU（圖六所示）進(jìn)行供電、電池包內(nèi)熱管理、包內(nèi)散熱、電池充放電等相關(guān)控制。

圖6、BMU原理設(shè)計(jì)簡圖

4．1電池包內(nèi)線束EMC防護(hù)的電源分配方案

整車范圍內(nèi)首先保證零部件的EMC符合標(biāo)準(zhǔn)要求，通過線束連接將各個(gè)控制單元連接在一起，在電源分配方面所采用的防護(hù)方

式為供電回路與接地點(diǎn)回路在同一接插件中采用圖7方式進(jìn)行孔位排列。

圖7、電源分配方案

4．2電池包內(nèi)EMC防護(hù)的線束設(shè)計(jì)方案

在線束材料選取方面為了可以有效的防止因?yàn)榫€束電流過大造成電磁干擾問題，所以在線束材料選取上一般采用雙絞線，并將雙絞線回路布置到其他線束最外側(cè)，在高頻信號方面，可以采用屏蔽雙絞線。

整車線束中的傳導(dǎo)發(fā)射90％都與電源線相關(guān)，因此在線束評估及設(shè)計(jì)時(shí)需要注重以下幾個(gè)方面

1）開關(guān)電源部分處理，設(shè)計(jì)上考慮環(huán)路控制。

2）敏感信號采用屏蔽線纜傳輸，且屏蔽層做好360度搭接處理。

3）信號線纜遠(yuǎn)離高壓網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)干擾源，且合理的與地做緊耦合布線。

4）做好濾波器“搭鐵”接地處理措施，減少引線電感。

5）線纜中保證足夠的信地比，且需要做合理的安排和配置。

4．3電源線傳導(dǎo)瞬態(tài)抗擾防護(hù)的設(shè)計(jì)分析

電源線傳導(dǎo)瞬態(tài)抗擾度在設(shè)計(jì)初期應(yīng)該同時(shí)考慮新能源車輛高壓、低壓工作時(shí)浪涌、脈沖的防護(hù)設(shè)計(jì)。

4．4脈沖干擾防護(hù)

電池包內(nèi)開關(guān)繼電器及保險(xiǎn)絲在開啟或者關(guān)閉的過程中，由于電弧產(chǎn)生的干擾脈沖，也需要進(jìn)行線束設(shè)計(jì)初期考慮的防護(hù)。

總 結(jié)

通過新能源電池包內(nèi)線束設(shè)計(jì)開發(fā)前期的線束合理化設(shè)計(jì)與布置，以及對電池包內(nèi)高低壓原理設(shè)計(jì)階段EMC防護(hù)的重點(diǎn)考慮，有效的避免了強(qiáng)電線束工作時(shí)產(chǎn)生的干擾，并通過搭載臺架、實(shí)車認(rèn)證，不斷優(yōu)化線束布置方案與EMC設(shè)計(jì)。目前所采用的線束布置形式，以及采用的各項(xiàng)EMC防護(hù)方案與措施，在批產(chǎn)項(xiàng)目中得到充分的驗(yàn)證和認(rèn)可。