電動汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設計原理及概括

一、純電動汽車電氣系統(tǒng)安全分析

純電動轎車電氣系統(tǒng)主要包括低壓電氣系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)及 CAN 通訊信息網絡系統(tǒng)。

1、低壓電氣系統(tǒng)采用 12 V 供電系統(tǒng)，除了為燈光照明系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)及雨刷器等常規(guī)低壓用電器供電外，還為整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機控制器、DC/DC 轉換器及電動空調等高壓附件設備控制回路供電；

2、高壓電氣系統(tǒng)主要包括動力電池組、電驅動系統(tǒng)、DC/DC 電壓轉換器、電動空調、電暖風、車載充電系統(tǒng)、非車載充電系統(tǒng)及高壓電安全管理系統(tǒng)等；

3、CAN 總線網絡系統(tǒng)用來實現(xiàn)整車控制器和電機控制器、以及電池管理系統(tǒng)、高壓電安全管理系統(tǒng)、電動空調、車載充電機和非車載充電設備等控制單元之間的相互通信。

圖a 高壓配電盒

純電動汽車電壓和電流等級都比較高，動力電壓一般都在 300～400 V（直流），電流瞬間能夠達到幾百安。人體能承受的安全電壓值的大小取決于人體允許通過的電流和人體的電阻。有關研究表明，人體電阻一般在 1 000～3 000 Ω。人體皮膚電阻與皮膚狀態(tài)有關，在干燥、潔凈及無破損的情況下，可高達幾十千歐，而潮濕的皮膚，特別是受到操作的情況下，其電阻可能降到 1 000 Ω 以下。由于我國安全電壓多采用 36 V，大體相當于人體允許電流 30 mA、人體電阻 1 200 Ω的情況。

所以要求人體可接觸的電動汽車任意 2 處帶電部位的電壓都要小于 36 V。根據國際電工標準的要求，人體沒有任何感覺的電流安全閾值是 2 mA，這就要求人體直接接觸電氣系統(tǒng)任何一處的時候，流經人體的電流應該小于2 mA 才認為整車絕緣合格。

因此，在純電動汽車的開發(fā)過程中，應特別考慮電氣系統(tǒng)絕緣問題，嚴格按照電動汽車相關國標標準要求設計，確保絕緣電阻能夠滿足人身安全需求，保證絕緣電阻值大于 100 Ω/V。

二、電動汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設計概述

相對于傳統(tǒng)汽車而言，純電動汽車采用了大容量、高電壓的動力電池及高壓電機和電驅動控制系統(tǒng)，并采用了大量的高壓附件設備，如：電動空調、PTC 電加熱器及 DC/DC 轉換器等。由此而隱藏的高壓安全隱患問題和造成的高壓電傷害問題完全有別于傳統(tǒng)燃油汽車。

根據純電動汽車的特殊結構及電路的復雜性，并考慮純電動汽車高壓電安全問題，必須對高壓電系統(tǒng)進行安全、合理的規(guī)劃設計和必要的監(jiān)控，這是電動汽車安全運行的必要保證。

1、高壓系統(tǒng)構成

圖1示出純電動汽車高壓系統(tǒng)框圖。作為純電動汽車高壓系統(tǒng)安全管理的單元，合理的功能布局和安全可靠的控制策略是實現(xiàn)該系統(tǒng)功能的重要保證。

圖1 純電動汽車高壓系統(tǒng)框圖

2、高壓電氣安全系統(tǒng)的總目標

高壓電氣系統(tǒng)控制與安全管理和故障診斷的總目標是確保純電動汽車在靜止、運行及充電等全過程的高壓用電安全。

三、高壓電氣系統(tǒng)安全設計

根據純電動汽車安全標準要求，并從車載儲能裝置、功能安全、故障保護、人員觸電防護及高壓電安全管理控制策略等方面綜合考慮，應對電動汽車高壓電系統(tǒng)進行以下四方面設計。

1、 高壓電電磁兼容性設計

由于純電動汽車上存在高壓交流系統(tǒng)，具有較強的電磁干擾性，因此高壓線束設計時電源線與信號線盡量采用隔離或分開配線；電源線兩端考慮采用隔離接地，以免接地回路形成共同阻抗耦合將噪聲耦合至信號線；輸入與輸出信號線應避免排在一起造成干擾；輸入與輸出信號線盡量避免在同一個接頭上，如不能避免時應將輸入與輸出信號線錯開放置。

2、 高壓部件和高壓線束的防護與標識設計

高壓部件的防護主要包括防水、機械防護及高壓警告標識等。尤其是布置在機艙內的部件，如電機及其控制系統(tǒng)、電動空調系統(tǒng)、DC/DC 電壓轉換器、車載充電機等及它們中間的連接接口，都需要達到一定的防水和防護等級。并且高壓部件應具有高壓危險警告標識，以警示用戶與維修人員在保養(yǎng)與維修時注意這些高壓部件。

由于純電動汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示和警示用戶和維修人員，高壓線束應采用橙色線纜并用橙色波紋管對其進行防護。同時高壓連接器也應標識為橙色，起到警示作用，并且所選高壓連接器應達到 IP67 防護等級。

3、預充電回路保護設計

因為高壓設備控制器輸入端存在大量的容性負載，直接接通高壓主回路可能會產生高壓電沖擊，故為避免接通時的高壓電沖擊，高壓系統(tǒng)需采取預充電回路的方式對高壓設備進行預充電。圖 2 示出純電動汽車高壓系統(tǒng)預充電回路原理圖。

圖2 純電動汽車高壓系統(tǒng)預充電回路原理圖

4、高壓設備過載/短路保護設計

當汽車高壓附件設備發(fā)生過載或線路短路時，相關高壓回路應能自動切斷供電，以確保高壓附件設備不被損壞，保證汽車和駕乘人員的安全。因此在高壓系統(tǒng)設計中應設置過載或短路的保護部件，如在相關回路中設置保險和接觸器，當發(fā)生過載或短路而引起保險或接觸器短路時，高壓管理系統(tǒng)會通過對接觸器觸點和相關控制接觸器閉合的有效指令進行綜合判定，若檢測出相關電路故障，高壓管理系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警以提示駕駛員。

5、故障檢測與故障處理方法

1）、絕緣電阻故障處理

電動汽車電氣化程度相對傳統(tǒng)汽車要高，其中像電池包、電驅動系統(tǒng)、高壓用電輔助設備、充電機及高壓線束等在汽車發(fā)生碰撞、翻轉及汽車運行的惡劣環(huán)境（汽車振動、外部環(huán)境濕度及溫度）影響下，都有可能導致高壓電路與汽車底盤間的絕緣性能降低，由此可能造成汽車火災的發(fā)生，直接影響汽車駕乘人員的生命安全。因此，在電動汽車高壓系統(tǒng)設計時，首先應確保絕緣電阻值大于 100 Ω/V；其次當汽車發(fā)生絕緣電阻值低于規(guī)定值時，高壓管理系統(tǒng)應及時切斷所有的高壓回路并發(fā)出聲光報警，并持續(xù)一定時間待原先故障消失后，汽車才能允許進行下一次上電。高壓電路進行絕緣檢測具體實施標準參照國標《電動汽車安全要求第 1 部分：車載儲能裝置》。

2）、電壓檢測與故障處理

純電動汽車的動力來源是動力電池，動力電池的電壓與其放電能力和放電效率有很大的關系。當動力電池電壓處于低電壓時仍大電流放電，將會損壞高壓用電設備并會嚴重影響電池使用壽命。當檢測到電壓過高或過低時，應及時切斷相關回路。因此為了保障純電動汽車在動力蓄電池低壓時用電器及動力蓄電池和駕乘人員的安全，需要設計電壓檢測電路對高壓電路系統(tǒng)工作電壓進行實時準確的檢測和安全合理的故障處理

3）、電流檢測與故障處理

汽車由于受到運行道路環(huán)境及駕駛員操控的影響，汽車運行狀態(tài)會隨時發(fā)生變化，動力電池的放電電流會隨駕駛員的操控而發(fā)生明顯變化。當電流超過預設定的允許范圍，就會引起溫度過分升高，此時不僅影響電池的壽命，而且極端情況下還會引起異常的反應，造成汽車功率器件的損壞，危及汽車高壓系統(tǒng)安全。因此，這就要求高壓管理系統(tǒng)需對動力電池實時進行電流監(jiān)控，當檢測到電流異常時，高壓管理系統(tǒng)將會及時切斷所有高壓回路并發(fā)出聲光報警，提示駕乘人員和其他汽車。為了提高測量的準確度和精確度，文章選取霍爾式電流傳感器對動力電池充放電電流進行檢測，如圖 3 示出霍爾式電流傳感器原理圖。

圖3 霍爾式電流傳感器原理圖

4）、高壓接觸器觸點狀態(tài)檢測與故障處理

為實現(xiàn)純電動汽車的控制功能和高壓電路的可自行切斷保護功能，在電動汽車的高壓系統(tǒng)中必須配置可控制的并且有自我保護切斷高壓回路功能的高壓接觸器。根據整車設計的需求，任何電動汽車在動力主回路中都會配置高壓接觸器，如果高壓接觸器觸點發(fā)生閉合或斷開失效時，沒有相應的正確處理方式應對，將有可能引起不正常的控制而造成汽車不能正常啟動或不能啟動。嚴重的情況下，將會給汽車和人身安全造成危險。鑒于上述問題的嚴重性，應對高壓接觸器觸點狀態(tài)進行安全有效的實時監(jiān)控，并對故障進行處理。當高壓接觸器觸點發(fā)生閉合或斷開失效故障時，高壓管理系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，以提示操作人員并根據故障的級別控制汽車是否可進行其他操作。

5）、高壓互鎖回路檢測及故障處理

高壓回路互鎖功能設計是針對高壓電路連接的可靠程度提出的。危險電壓閉鎖回路也稱為高壓互鎖回路（HVIL）,它是一個典型的互鎖系統(tǒng)，通過使用電氣的信號，來檢查整個模塊、導線及連接器的電氣完整性 。當高壓安全管理系統(tǒng)檢測到某處連接斷開或某處連接沒有達到預期的可靠性時，安全管理系統(tǒng)將直接或通過整車控制器切斷相關動力電源的輸出并發(fā)出聲光報警,直到該故障完全排除。

6）、 充電互鎖檢測及故障處理

出于安全考慮，充電時，整個驅動系統(tǒng)都需要處于斷電狀態(tài)，即驅動系統(tǒng)高壓接觸器需處于斷開狀態(tài)，當高壓安全管理系統(tǒng)接收到有效的充電信息指令后，高壓管理系統(tǒng)首先檢測驅動系統(tǒng)相關接觸器是否處于斷開狀態(tài)。若處于斷開狀態(tài)則閉合充電回路相關接觸器。否則，充電接觸器將不會閉合，高壓管理系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警以提示相關人員，直至故障排除。

6、高壓系統(tǒng)余電放電保護設計

由于高壓系統(tǒng)的電機控制器和電動空調等高壓部件存在大量的電容。當高壓主回路斷開時，因高壓部件電容的存在，高壓系統(tǒng)中還存有很高的電壓和電能。為避免對人員和汽車造成危害，在切斷高壓系統(tǒng)后應將電容的高壓電通過并聯(lián)在高壓系統(tǒng)中的電阻釋放掉。

圖b 車載充電機

四、靜止停放時安全管理概述

汽車靜止停放時，每隔一定時間（20 s 或 30 s）高壓安全管理系統(tǒng)需對高壓電網系統(tǒng)進行 1 次絕緣測量，即判別高壓電網系統(tǒng)有無絕緣故障，整個高壓回路系統(tǒng)包括動力電池內部、動力線、電驅動系統(tǒng)（電機控制器和電機三相線）及連接高壓設備附件的導線。當檢測到有絕緣故障且故障一直存在時，儀表便會顯示絕緣故障指示，以提示駕駛員。

五、碰撞安全概述

通常，電動汽車采用了高達 400 V 左右的大容量動力電池作為驅動汽車的動力源，因而電力未切斷的動力電池會對汽車和人員造成不容忽視的威脅和傷害 。若汽車在行駛過程中發(fā)生碰撞、翻滾或在充電狀態(tài)中被其他汽車撞擊等意外事故，將會使動力電池組、高壓用電設備及高壓線束等與車身之間發(fā)生摩擦或接觸，造成潛在的絕緣失效和短路等危險。

為避免由于上述狀況而引起的汽車安全問題，可通過一些相關的傳感器（如碰撞傳感器、角度傳感器）來檢測汽車的狀態(tài)，當高壓管理系統(tǒng)接收到相關傳感器發(fā)出的信息后，立即關閉高壓電，并利用高壓系統(tǒng)余電放電電路將汽車高壓部件電容端的電壓在 1 s 內放掉，避免火災或漏電事故引起的人員觸電事故的發(fā)生 。

六、結論

通過參與大量的電動汽車開發(fā)項目設計，文章對多個研發(fā)項目中純電動汽車高壓電系統(tǒng)出現(xiàn)的故障及存在的安全隱患進行分析，并提出一整套針對高壓電系統(tǒng)安全防護、故障處理及碰撞安全的設計方案，對純電動汽車高壓系統(tǒng)安全設計具有一定的參考意義。