動力電池系統(tǒng)高壓安全分析及標(biāo)準(zhǔn)解讀

程海進，魏萬均,杜彥斌

(1.長安福特汽車有限公司, 重慶 401120； 2.重慶工商大學(xué) 機械工程學(xué)院， 重慶 400067)

動力電池系統(tǒng)高壓安全分析及標(biāo)準(zhǔn)解讀

程海進1，魏萬均1,杜彥斌2

(1.長安福特汽車有限公司, 重慶 401120； 2.重慶工商大學(xué) 機械工程學(xué)院， 重慶 400067)

從動力電池高壓系統(tǒng)組成入手，介紹了高壓零部件的功能和主要選型參數(shù)，分析了高壓系統(tǒng)容易出現(xiàn)的安全問題以及采取的安全功能和實現(xiàn)方式，最后對最新的動力電池高壓安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行了解讀。

動力電池; 高壓安全; 電池安全標(biāo)準(zhǔn)

隨著環(huán)境污染和能源危機的日趨嚴(yán)重，近年來新能源汽車獲得了快速發(fā)展。動力電池、電機和整車電控作為新能源汽車的三大核心技術(shù)越來越受到整車廠和零部件廠商的重視,而動力電池作為技術(shù)瓶頸更是成為行業(yè)的熱點和焦點。

目前汽車動力電池大多采用多個單體電池串并聯(lián)的連接方式，組成高壓、大電流的電池系統(tǒng)。工作電壓在幾百伏，放電電流高達幾百甚至上千安培。動力電池系統(tǒng)的高壓安全成為企業(yè)和消費者關(guān)注的焦點，尤其近年來不斷出現(xiàn)的新能源汽車安全事故，使其成為亟待解決的問題。

本文首先對動力電池高壓系統(tǒng)組成的關(guān)鍵零部件進行介紹，然后詳細(xì)分析了高壓安全功能設(shè)計，最后對動力電池高壓安全的最新標(biāo)準(zhǔn)進行了解讀。

1 高壓系統(tǒng)組成

動力電池高壓系統(tǒng)除電芯外，一般由高壓繼電器、保險絲、電流傳感器、預(yù)充電阻、手動維修開關(guān)、高壓連接器和高壓電纜等組成，見圖1。

圖1 動力電池高壓系統(tǒng)

1.1 高壓繼電器

高壓繼電器是動力電池系統(tǒng)乃至整個電動力總成的關(guān)鍵元件。電池管理系統(tǒng)通過控制高壓繼電器的閉合與打開完成電池系統(tǒng)對外的動力輸出與中斷。

目前新能源汽車上使用的大多是電磁繼電器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。額定電壓在400 V以上，額定電流從10～500 A有不同的規(guī)格。10 A和20 A繼電器主要用于預(yù)充回路，上電時承受電流脈沖。100～500 A繼電器主要用于充放電主回路，為了能安全切斷高壓，一般在正極和負(fù)極各布置1個繼電器。

高壓繼電器的選型非常重要，主要參數(shù)有：

1) 額定電流，需要根據(jù)整車實際運行的額定功率進行選擇。繼電器的額定電流要大于由整車額定功率計算出來的電流值。

2) 脈沖電流，需要根據(jù)整車實際運行的峰值功率進行選擇。繼電器所能承受的脈沖電流要大于由整車峰值功率計算出來的峰值電流。

3) 帶載切斷壽命，需要評估繼電器在一定電流下的帶載切斷次數(shù)，超過一定次數(shù)可能導(dǎo)致繼電器觸點的粘連。

圖2 高壓繼電器

1.2 保險絲

保險絲串聯(lián)在主回路中，防止高壓回路短路而造成危害發(fā)生，保護回路中其他電氣零部件。保險絲的選型參數(shù)主要有：

1) 額定電流，一般選取整車額定電流的1.35倍。

2)I-T熔斷曲線，如圖3所示，從中可以獲得在一定電流下保險絲的熔斷時間。該熔斷時間內(nèi)，高壓電氣回路和零部件不能發(fā)生安全事故。

3)I2T壽命曲線，從中可以獲得保險絲在一定電流一定時間的沖擊下壽命次數(shù)，該壽命要與電池包壽命一致。

圖3 熔斷曲線

1.3 電流傳感器

電流傳感器串聯(lián)在主回路中，用于測量主回路的充放電電流值。目前比較流行的是霍爾傳感器和分流器，如圖4所示。霍爾傳感器采用霍爾原理，將主回路母線穿過霍爾傳感器，通過電磁感應(yīng)獲得通過母線的電流[1]。分流器采用精密微電阻串聯(lián)在高壓回路中，通過自身的壓降而計算出電流的大小。電流傳感器的選型參數(shù)主要有：

1) 電流測量范圍，要覆蓋到高壓系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大電流值。

2) 電流精度，不僅是BMS進行SOC估算的基礎(chǔ)，還是判斷電池系統(tǒng)過流和短路的重要參數(shù)。

圖4 電流傳感器

1.4 預(yù)充電阻

因為整車高壓系統(tǒng)中存在較大的X電容，為了保護主繼電器在閉合的瞬間由于電流過大觸點粘連，采用預(yù)充電阻和預(yù)充繼電器串聯(lián)后與主繼電器并聯(lián)的方式。當(dāng)閉合高壓回路時，首先閉合預(yù)充繼電器，給高壓回路電容進行充電。當(dāng)電容將近充滿時，再閉合主繼電器，隨后斷開預(yù)充回路。預(yù)充回路電壓如圖5所示，計算公式為

Vt=V0+(V1-V0)×[1-exp(-t/RC)]

(1)

其中：V0為電容上的初始電壓值；V1為電容最終可充到或放到的電壓值；Vt為t時刻電容上的電壓值；R為預(yù)充電阻阻值；C為預(yù)充電容的電容值。

預(yù)充電阻的選型參數(shù)主要有：

1) 過載功率。預(yù)充電阻主要承受瞬間脈沖電流，其過載功率一定要大于繼電器閉合時產(chǎn)生的瞬時功率。

2) 電阻阻值。電阻阻值的選擇要與高壓回路電容匹配，滿足預(yù)充時間的要求。

圖5 預(yù)充回路充電

1.5 手動維修開關(guān)

為了保護檢修人員和測試人員的安全，在高壓回路中串入維修開關(guān)，當(dāng)需要使用電池包時，將維修開關(guān)閉合，導(dǎo)通高壓回路。當(dāng)對電池包進行維護時，首先斷開維修開關(guān)，保證高壓回路切斷。手動維修開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖6所示，可以集成保險絲，方便進行更換。

圖6 手動維修開關(guān)

1.6 高壓連接器

高壓連接器是電池包動力輸出及輸入的接口，其連接的可靠性非常重要。高壓連接器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，其選型參數(shù)主要有：額定電壓、額定電流；HVIL，即是否帶有高壓互鎖功能；是否滿足IPxxb,即防觸指功能。

圖7 高壓連接器

1.7 高壓電纜

電池包內(nèi)各電氣組件需要用高壓電纜進行連接。由于空間和體積的要求，有些高壓連接采用硬母排或疊層軟母排進行連接[2]。高壓電纜端子連接的可靠性很重要，要防止振動沖擊和腐蝕造成連接松動，使接觸電阻增大，最后導(dǎo)致過熱而連接失效。

2 高壓系統(tǒng)安全功能

為了保護電池系統(tǒng)高壓安全，在電池系統(tǒng)中設(shè)置了很多安全功能，防止高壓系統(tǒng)出現(xiàn)安全問題。

2.1 短路保護

短路是高壓系統(tǒng)最容易出現(xiàn)，也是最危險的安全故障之一。如何能檢測短路、防止短路的發(fā)生，是高壓安全最為重要的一個功能。

在汽車上電時，需要對電池外部高壓回路進行短路檢測。在繼電器閉合的預(yù)充階段，由于有預(yù)充電阻的存在，回路電流較小，可以對高壓回路進行短路檢測，如圖8所示。當(dāng)檢測到外部短路時，打開繼電器，防止高壓回路短路。

在汽車行駛過程中，擋突然發(fā)生短路時，保險絲會在極短的時間內(nèi)熔斷，切斷高壓回路，防止其他危害的發(fā)生。

圖8 外部短路檢測

2.2 緊急斷電

當(dāng)電池系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)過壓、過流以及過溫等危險工況時，BMS控制繼電器斷開，切斷高壓回路，保護電池系統(tǒng)(見圖9)。

當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，需要立即切斷高壓。其控制方式包括：

1) 采用安全爆破裝置切斷繼電器供電，以切斷高壓回路。

2) 通過碰撞信號硬線反饋給BMS，切斷高壓繼電器，以切斷高壓回路。

3) 通過CAN通信信號傳遞給BMS，切斷高壓繼電器。

圖9 緊急斷電功能

2.3 高壓互鎖

為了防止人員接觸到高壓，高壓系統(tǒng)連接器一般都采用高壓互鎖功能，當(dāng)高壓有可能暴露時，切斷高壓電池系統(tǒng)，防止發(fā)生電擊傷害。圖10中，BMS產(chǎn)生高壓互鎖信號源，此信號可以是電壓信號，也可以是電流信號或PWM信號，經(jīng)過高壓接口后返回BMS進行電路的完整性檢測。

圖10 高壓互鎖回路

2.4 繼電器診斷

高壓繼電器作為電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，需要對其故障進行診斷，對其壽命進行預(yù)判，防止由于繼電器的失效而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

繼電器在使用過程中經(jīng)常需要進行帶載切斷，因此必須對繼電器的觸點進行粘連檢測，判斷繼電器是否真實斷開。繼電器粘連檢測的方法如圖11所示，打開主正繼電器時，比較電壓U21與U31，當(dāng)兩者不一致時，判定主正繼電器成功切斷；反之，則判定繼電器粘連。打開主負(fù)繼電器，比較電壓U21和U23，當(dāng)兩者不一致時，則判定主負(fù)繼電器成功切斷；反之，則判定繼電器粘連。

圖11 繼電器粘連檢測

繼電器粘連檢測是繼電器發(fā)生故障的事后檢測機制，可以保證車輛處于安全狀態(tài)，但會影響客戶的用車體驗。因此，在策略上還需要對繼電器的壽命進行預(yù)判，通過統(tǒng)計繼電器在大電流下的帶載切斷次數(shù)判斷繼電器有可能達到了壽命。這樣，客戶可以根據(jù)提示提前對車輛進行維護，避免出現(xiàn)突然無法啟動車輛的現(xiàn)象。

2.5 絕緣監(jiān)測

相比傳統(tǒng)汽車，電動汽車在電氣方面除了12 V低壓系統(tǒng)外，還存在60 V以上的高壓系統(tǒng)，一般在300～400 V左右。高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)的隔離與絕緣非常重要。當(dāng)高壓系統(tǒng)短路到低壓系統(tǒng)時，不僅會損壞低壓系統(tǒng)設(shè)備，還會對車上人員造成傷害。從設(shè)計上，電池系統(tǒng)在高壓絕緣方面可以進行很好的防護，但是隨著絕緣材料的老化，絕緣問題還是經(jīng)常會出現(xiàn)，因此絕緣監(jiān)測系統(tǒng)就十分必要。

目前，絕緣監(jiān)測系統(tǒng)主要采用國標(biāo)法。如圖12所示，在正負(fù)極母線和車身地之間接入一系列電阻，然后通過開關(guān)切換接入某阻值，測量被測電阻的分壓，最后通過計算得出正負(fù)極母線對地的絕緣電阻。另外，還有電壓注入法等主動監(jiān)測系統(tǒng)。

圖12 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)

3 相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)

隨著電動汽車的快速發(fā)展，國內(nèi)外對動力電池系統(tǒng)高壓安全制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也成為電池進入公告目錄、汽車進入市場的必要條件。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18384 電動汽車安全要求是針對電動汽車的安全作出的基本要求，也是強制要求。其最新發(fā)布的版本是2015版，代替了之前的2001版本。該標(biāo)準(zhǔn)采用修改的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6469—2009 電動道路車輛安全要求。

GB/T 18384—2015共分為3個部分。

第1部分為GB/T 18384.1—2015“車載可充電儲能系統(tǒng)”[3]，其中關(guān)于動力電池高壓安全的相關(guān)要求是：

1) 高壓動力電池系統(tǒng)需要有警告標(biāo)記。此處規(guī)定的高壓為直流大于60 V且小于或等于1 500 V的動力電池系統(tǒng)。

2) 規(guī)定動力電池高壓系統(tǒng)絕緣電阻的測量方法，對其試驗條件進行了明確要求，并要求直流電路絕緣電阻不小于100 Ω/V。

3) 規(guī)定了電氣間隙和爬電距離。最小電氣間隙為2.5 mm。對于正常使用時不會發(fā)生電解液泄漏的動力電池，爬電距離按照GB/T 16935.1的要求。

4) 動力電池需要有防短路功能或過流斷開裝置，防止對人員、車輛和環(huán)境造成危害。一般電池包內(nèi)都安裝了保險絲和繼電器用于短路和過流保護。

第2部分為操作安全和故障防護，主要針對電動汽車所特有的危險規(guī)定了操作安全和故障防護的要求，其中指出應(yīng)對可能的單點失效采取管理措施[4]。

第3部分為人員觸電防護，規(guī)定了電力驅(qū)動系統(tǒng)防止車內(nèi)和車外人員觸電的要求。其中規(guī)定當(dāng)高壓系統(tǒng)遮攔/外殼允許直接進入時，需要采用例如互鎖的方法使高壓斷電，遮攔/外殼應(yīng)至少滿足GB4308中規(guī)定的IPXXB防護等級要求[5]。

國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 31498—2015 電動汽車碰撞后安全要求是最新發(fā)布的對于帶有高壓系統(tǒng)的純電動汽車、混合動力電動汽車正面碰撞、側(cè)面碰撞后的特殊安全要求和試驗方法，其對觸電防護保護作出了要求[6]：

1) 電壓要求。母線電壓應(yīng)不大于30 V交流或60 V直流。對于動力電池高壓系統(tǒng)的要求則是碰撞后繼電器要及時切斷。

2) 電能要求。高壓母線上的總電能應(yīng)小于0.2 J。對于動力電池高壓系統(tǒng)的要求就是不能選用大容值的X或Y電容。

3) 物理防護。碰撞后車輛應(yīng)有IPXXB級別的保護。

4) 絕緣電阻。對于直流母線絕緣電阻最小值應(yīng)為100 Ω/V。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.3“電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)”第3部分為安全性要求與測試方法，其中明確要求進行短路保護測試，測試后滿足保護裝置起作用、電池不爆炸不起火、絕緣電阻不小于100 Ω/V的要求[7]。

4 結(jié)束語

針對動力電池系統(tǒng)高壓安全問題，從零部件的組成進行了介紹，對比較流行的高壓安全功能和實現(xiàn)方式進行了分析，對最新的動力電池高壓安全標(biāo)準(zhǔn)進行了解讀。

動力電池系統(tǒng)高壓安全設(shè)計是一個復(fù)雜和長期技術(shù)積累的過程。從以往的設(shè)計經(jīng)驗和事故教訓(xùn)里不斷有新技術(shù)和新要求的產(chǎn)生。相信隨著電動汽車的發(fā)展，動力電池高壓安全設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)也將不斷走向成熟。

[1] 宋炳雨，高松，郎華,等.電動汽車高壓電故障診斷與安全管理策略研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報，2010,29(5):804-831.

[2] ROBERT P,KANTHASAMY E,MILIND G.Voltec battery design and manufacturing[J].SAE International,2010(1)： 1360.

[3] GB/T 18384.1—2015.電動汽車安全要求第1部分：車載可充電儲能系統(tǒng)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[4] GB/T 18384.2—2015.電動汽車安全要求第2部分：操作安全和故障防護[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5] GB/T 18384.3—2015.電動汽車安全要求 第3部分：人員觸電防護[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[6] GB/T31498—2015.電動汽車碰撞后安全要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[7] GB/T 31467.3—2015.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

Research on High Voltage Safety of Power Battery and Standard Study

CHENG Haijin1， WEI Wanjun1， DU Yanbin2

(1.Chang’an Ford Automobile Co., Ltd., Chongqing 401120, China; 2.College of Mechanical Engineering, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

The paper introduces the function and the main selection parameters of the high voltage components. It analyzes the easily occurred safety issue and points out the safety function and the method. Finally it studies the newest standard related to the high voltage safety of the power battery.

power battery; high voltage; battery safety standard

2016-08-11 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51305470)

程海進(1986—)，女，重慶人，碩士，主要從事新能源汽車研究，E-mail:chenghaijin@cqut.edu.cn。

程海進，魏萬均,杜彥斌.動力電池系統(tǒng)高壓安全分析及標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(8):22-27.

format：CHENG Haijin，WEI Wanjun，DU Yanbin.Research on High Voltage Safety of Power Battery and Standard Study[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):22-27.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.004

U461

A

1674-8425(2017)08-0022-06