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電動汽車高壓電氣系統詳解

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電動汽車高壓電氣系統詳解

發布日期:2019-04-18 作者: 點擊:

一、純電動汽車電氣系統安全分析

纯电动轿车电气系统主要包括低压电气系统、高压电气系统及 CAN 通讯信息网络系统。

1、低压电气系统采用 12 V 供电系统,除了为灯光照明系统、娱乐系统及雨刷器等常规低压用电器供电外,还为整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC 转换器及电动空调等高压附件设备控制回路供电;

2、高压电气系统主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC 电压转换器、电动空调、电暖风、车载充电系统、非车载充电系统及高压电安全管理系统等;

3、CAN 总线网络系统用来实现整车控制器和电机控制器、以及电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机和非车载充电设备等控制单元之间的相互通信。

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图a 高压配电盒

纯电动汽车电压和电流等级都比较高,动力电压一般都在 300~400 V(直流),电流瞬间能够达到几百安。人体能承受的安全电压值的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。有关研究表明,人体电阻一般在 1 000~3 000 Ω。人体皮肤电阻与皮肤状态有关,在干燥、洁净及无破损的情况下,可高达几十千欧,而潮湿的皮肤,特别是受到操作的情况下,其电阻可能降到 1 000 Ω 以下。由于我国安全电压多采用 36 V,大体相当于人体允许电流 30 mA、人体电阻 1 200 Ω的情况。所以要求人体可接触的电动汽车任意 2 处带电部位的电压都要小于 36 V。根据国际电工标准的要求,人体没有任何感觉的电流安全阈值是 2 mA,这就要求人体直接接触电气系统任何一处的时候,流经人体的电流应该小于2 mA 才认为整车绝缘合格。

因此,在纯电动汽车的开发过程中,应特别考虑电气系统绝缘问题,严格按照电动汽车相关国标标准要求设计,确保绝缘电阻能够满足人身安全需求,保证绝缘电阻值大于 100 Ω/V。

二、電動汽車高壓電氣系統安全設計概述

相对于传统汽车而言,纯电动汽车采用了大容量、高电压的动力电池及高压电机和电驱动控制系统,并采用了大量的高压附件设备,如:电动空调、PTC 电加热器及 DC/DC 转换器等。由此而隐藏的高压安全隐患问题和造成的高压电伤害问题完全有别于传统燃油汽车。

根據純電動汽車的特殊結構及電路的複雜性,並考慮純電動汽車高壓電安全問題,必須對高壓電系統進行安全、合理的規劃設計和必要的監控,這是電動汽車安全運行的必要保證。

1、高壓系統構成

圖1示出純電動汽車高壓系統框圖。作爲純電動汽車高壓系統安全管理的單元,合理的功能布局和安全可靠的控制策略是實現該系統功能的重要保證。

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图1 纯电动汽车高压系统框图

2、高壓電氣安全系統的總目標

高壓電氣系統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、高壓電氣系統安全設計

根據純電動汽車安全標准要求,並從車載儲能裝置、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進行以下四方面設計。

1、 高压电电磁兼容性设计

由于純電動汽車上存在高壓交流系統,具有較強的電磁幹擾性,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幹擾;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、 高压部件和高压线束的防护与标识设计

高压部件的防护主要包括防水、机械防护及高压警告标识等。尤其是布置在机舱内的部件,如电机及其控制系统、电动空调系统、DC/DC 电压转换器、车载充电机等及它们中间的连接接口,都需要达到一定的防水和防护等级。并且高压部件应具有高压危险警告标识,以警示用户与维修人员在保养与维修时注意这些高压部件。

由于纯电动汽车线束包括低压线束与高压线束,为提示和警示用户和维修人员,高压线束应采用橙色线缆并用橙色波纹管对其进行防护。同时高压连接器也应标识为橙色,起到警示作用,并且所选高压连接器应达到 IP67 防护等级。

3、預充電回路保護設計

因为高压设备控制器输入端存在大量的容性负载,直接接通高压主回路可能会产生高压电冲击,故为避免接通时的高压电冲击,高压系统需采取预充电回路的方式对高压设备进行预充电。图 2 示出纯电动汽车高压系统预充电回路原理图。

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图2 纯电动汽车高压系统预充电回路原理图

4、高壓設備過載/短路保護設計

當汽車高壓附件設備發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,當發生過載或短路而引起保險或接觸器短路時,高壓管理系統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,高壓管理系統會發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

电动汽车电气化程度相对传统汽车要高,其中像电池包、电驱动系统、高压用电辅助设备、充电机及高压线束等在汽车发生碰撞、翻转及汽车运行的恶劣环境(汽车振动、外部环境湿度及温度)影响下,都有可能导致高压电路与汽车底盘间的绝缘性能降低,由此可能造成汽车火灾的发生,直接影响汽车驾乘人员的生命安全。因此,在电动汽车高压系统设计时,首先应确保绝缘电阻值大于 100 Ω/V;其次当汽车发生绝缘电阻值低于规定值时,高压管理系统应及时切断所有的高压回路并发出声光报警,并持续一定时间待原先故障消失后,汽车才能允许进行下一次上电。高压电路进行绝缘检测具体实施标准参照国标《电动汽车安全要求第 1 部分:车载储能装置》。

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並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。因此爲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工作電壓進行實時准確的檢測和安全合理的故障處理

3)、電流檢測與故障處理

汽车由于受到运行道路环境及驾驶员操控的影响,汽车运行状态会随时发生变化,动力电池的放电电流会随驾驶员的操控而发生明显变化。当电流超过预设定的允许范围,就会引起温度过分升高,此时不仅影响电池的寿命,而且极端情况下还会引起异常的反应,造成汽车功率器件的损坏,危及汽车高压系统安全。因此,这就要求高压管理系统需对动力电池实时进行电流监控,当检测到电流异常时,高压管理系统将会及时切断所有高压回路并发出声光报警,提示驾乘人员和其他汽车。为了提高测量的准确度和精确度,文章选取霍尔式电流传感器对动力电池充放电电流进行检测,如图 3 示出霍尔式电流传感器原理图。

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图3 霍尔式电流传感器原理图

4)、高壓接觸器觸點狀態檢測與故障處理

爲實現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中必須配置可控制的並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啓動或不能啓動。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進行安全有效的實時監控,並對故障進行處理。當高壓接觸器觸點發生閉合或斷開失效故障時,高壓管理系統會發出聲光報警,以提示操作人員並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

高压回路互锁功能设计是针对高压电路连接的可靠程度提出的。危险电压闭锁回路也称为高压互锁回路(HVIL),它是一个典型的互锁系统,通过使用电气的信号,来检查整个模块、导线及连接器的电气完整性 。当高压安全管理系统检测到某处连接断开或某处连接没有达到预期的可靠性时,安全管理系统将直接或通过整车控制器切断相关动力电源的输出并发出声光报警,直到该故障完全排除。如图 4 示出高压互锁回路检测原理图。

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图4 高压互锁电路检测原理图

6)、 充电互锁检测及故障处理

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

6、高壓系統余電放電保護設計

由于高壓系統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,高壓系統中還存有很高的電壓和電能。爲避免對人員和汽車造成危害,在切斷高壓系統後應將電容的高壓電通過並聯在高壓系統中的電阻釋放掉。

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图b 车载充电机

四、靜止停放時安全管理概述

汽车静止停放时,每隔一定时间(20 s 或 30 s)高压安全管理系统需对高压电网系统进行 1 次绝缘测量,即判别高压电网系统有无绝缘故障,整个高压回路系统包括动力电池内部、动力线、电驱动系统(电机控制器和电机三相线)及连接高压设备附件的导线。当检测到有绝缘故障且故障一直存在时,仪表便会显示绝缘故障指示,以提示驾驶员。

五、碰撞安全概述

通常,电动汽车采用了高达 400 V 左右的大容量动力电池作为驱动汽车的动力源,因而电力未切断的动力电池会对汽车和人员造成不容忽视的威胁和伤害 。若汽车在行驶过程中发生碰撞、翻滚或在充电状态中被其他汽车撞击等意外事故,将会使动力电池组、高压用电设备及高压线束等与车身之间发生摩擦或接触,造成潜在的绝缘失效和短路等危险。为避免由于上述状况而引起的汽车安全问题,可通过一些相关的传感器(如碰撞传感器、角度传感器)来检测汽车的状态,当高压管理系统接收到相关传感器发出的信息后,立即关闭高压电,并利用高压系统余电放电电路将汽车高压部件电容端的电压在 1 s 内放掉,避免火灾或漏电事故引起的人员触电事故的发生 。

六、結論

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


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