一款純電動(dòng)車高壓配電箱的設(shè)計(jì)

胡惠娟

(揚(yáng)子江汽車集團(tuán)有限公司， 武漢 430000)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益突出，發(fā)展高效、節(jié)能、低噪聲、零排放的清潔型電動(dòng)汽車已成為國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]，節(jié)能環(huán)保的純電動(dòng)汽車越來越受到人們的關(guān)注。在純電動(dòng)車中，高壓配電箱是電氣系統(tǒng)重要組成部件。以下從高壓配電箱的功能、原理及箱內(nèi)電子元器件的選型和結(jié)構(gòu)布置等方面介紹一款純電動(dòng)車高壓配電箱的設(shè)計(jì)過程。

1 高壓配電箱功能及原理

高壓配電箱的基礎(chǔ)功能是實(shí)現(xiàn)高壓電的分配和管理，對(duì)高壓系統(tǒng)電路進(jìn)行過流保護(hù)，檢測(cè)絕緣性能，對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電，對(duì)電路進(jìn)行緊急分?jǐn)嗪蜋z測(cè)電流等[2]。

在純電動(dòng)車中，高壓配電箱通常作為高壓電源的主要輸出口和動(dòng)力電池充電的輸入口。首先高壓箱連接動(dòng)力電池將高壓電供給電機(jī)控制器、DC/DC、DC/AC、空調(diào)壓縮機(jī)和PTC等主要車載用電設(shè)備[3]。由于電機(jī)控制器內(nèi)部并聯(lián)有大電容，當(dāng)電源接通瞬間，電容兩端的電壓不會(huì)突變，而電容兩端的電流會(huì)突變，剛接通電源瞬間，電容器兩端相當(dāng)于短路，母線上瞬間的大電流會(huì)燒壞電機(jī)控制器內(nèi)部電氣元件。所以，在高壓配電箱內(nèi)動(dòng)力電池與電機(jī)控制器之間需要增加接觸器和預(yù)充電阻形成預(yù)充回路，以控制電機(jī)控制器的上電電流大小，防止大電流損壞電子元件設(shè)備。當(dāng)對(duì)電機(jī)控制器的預(yù)充電完成后，閉合主接觸器給電機(jī)提供電能。同時(shí)高壓配電箱也連接車載充電機(jī)和直流充電插座，當(dāng)車輛動(dòng)力電池電量不足時(shí)，可通過充電插座連接上充電槍，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。高壓配電箱原理如圖1所示。

圖1 高壓配電箱原理圖

2 箱內(nèi)電子元器件的選型

從圖1可以看出，高壓配電箱內(nèi)包含熔斷器、手動(dòng)維修開關(guān)、高壓接觸器、預(yù)充電阻、電流傳感器和線束連接器等。

1) 熔斷器的選型。熔斷器是一種安裝在電路中，保證電路安全運(yùn)行的電氣元件，提供過流保護(hù)功能。熔斷器規(guī)格的選擇通常從工作電流、應(yīng)用電壓、環(huán)境溫度、熔斷特性、脈沖電流和安裝空間等幾個(gè)方面考慮[4]。通常熔斷器的額定電壓需大于動(dòng)力電池的最高電壓，其額定電流計(jì)算如下：

式中：In為熔斷器額定電流；Ir為保護(hù)回路的負(fù)載電流；K1為負(fù)載形式矯正系數(shù)；K2為溫度矯正系數(shù)。

其中K1主要根據(jù)負(fù)載特性，考慮功率變化、電流紋波、啟動(dòng)和關(guān)閉瞬間沖擊電流等因素，一般條件下，平穩(wěn)運(yùn)行負(fù)載選擇0.75；如果負(fù)載在運(yùn)行中有較大波動(dòng)，建議K1選擇0.6。K2通常根據(jù)熔斷器使用環(huán)境溫度及熔斷器溫升曲線確定取值，純電動(dòng)車通常無明顯高溫產(chǎn)生區(qū)域，K2一般取0.6。以此款高壓配電箱主保險(xiǎn)為例，電路主回路負(fù)載電流Ir=P/U，其中P為額定功率，最大可達(dá)到25 kW；U為額定電壓，310 V。經(jīng)計(jì)算得出Ir=80 A。由于電機(jī)控制器為電容性負(fù)載，上電瞬間回路中有較大脈沖電流，故K1取值0.6。由于是純電動(dòng)汽車，K2取值0.6。經(jīng)計(jì)算，可得In=80/0.6×0.6=222 A,結(jié)合熔斷器產(chǎn)品規(guī)格，選擇熔斷器的額定電流為250 A。

2) 手動(dòng)維修開關(guān)的選型。手動(dòng)維修開關(guān)通常稱為MSD,為了保證電池在使用及維修過程中的安全性。動(dòng)力電池系統(tǒng)中的MSD開始由選配逐漸成為標(biāo)配[5]。例如此款高壓配電箱選用安費(fèi)諾公司生產(chǎn)的DC500 V,250 A的MSD，其連接可靠，操作便利。

3) 接觸器的選型。通常高壓接觸器的線圈采用低壓系統(tǒng)控制。汽車電氣系統(tǒng)中多數(shù)為12 V或者 24 V，也有兼容12 V和24 V的產(chǎn)品。接觸器主觸點(diǎn)需根據(jù)用電設(shè)備的額定電壓和額定電流確定。通常額定電流需大于或者等于負(fù)載額定電流的1.3倍[6]?？紤]到純電動(dòng)車中的直流大電流，對(duì)接觸器的滅弧要求和使用壽命有著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，選型時(shí)一定要充分考慮到接觸器的特性，選擇最匹配的型號(hào)。例如此款高壓箱選擇松下耐電壓400 V,過電流能力分別為120 A和20 A兩款接觸器。

4) 預(yù)充電阻的計(jì)算。預(yù)充電路是為了防止瞬態(tài)大電流對(duì)大功率容性負(fù)載的上電沖擊。預(yù)充電路實(shí)際上是一種RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)。根據(jù)零狀態(tài)響應(yīng)表達(dá)式[7]計(jì)算預(yù)充電阻：

式中：Uc為電容兩端電壓;Ux為母線額定電壓;R為預(yù)充電阻;C為并聯(lián)負(fù)載等效電容;t為預(yù)充時(shí)間。

需注意的是，RC電路預(yù)充電時(shí)間常數(shù)通常不要太長(zhǎng)，過長(zhǎng)的RC時(shí)間將導(dǎo)致充電電流下降緩慢，從而導(dǎo)致電阻的平均功率較大，產(chǎn)生不必要的損耗和過長(zhǎng)的上電時(shí)間。一般充電時(shí)間和變頻器大小有很大的關(guān)系，通常在1 s左右完成預(yù)充電比較合適。小功率可以時(shí)間短一點(diǎn)，大功率時(shí)間適當(dāng)放長(zhǎng)，一般電容電壓達(dá)到額定母線電壓的80%～90%，就可以閉合主接觸器。以我司新開發(fā)的一款物流車參數(shù)為例，額定電壓為310 V，預(yù)充電路等效電容為900 μF,按UC/Ux=0.90計(jì)算，假設(shè)預(yù)充時(shí)間為0.6 s,計(jì)算預(yù)充電阻R=289.5 Ω。由于電容充電是個(gè)變電流過程，預(yù)充電阻功率參數(shù)也非常重要，如果電阻功率選擇過低，電阻容易燒壞。預(yù)充電阻在充電時(shí)間內(nèi)消耗能量Q可以通過積分計(jì)算[8]得出：

式中：t為預(yù)充時(shí)間；I為預(yù)充電路電流；Ut為預(yù)充完成時(shí)電容上的電壓；Uc為電容兩端的電壓。代入電容值和預(yù)充完成時(shí)的電壓0.9Ux得到預(yù)充電阻預(yù)充過程中消耗的電量Q=35 J，預(yù)充電阻平均功率P=Q/t=35/0.6=58 W。結(jié)合使用環(huán)境和產(chǎn)品規(guī)格，最后選用預(yù)充電阻規(guī)格為電阻值300 Ω，功率100 W。

5) 電流傳感器的選型。純電動(dòng)車常用的電流傳感器有分流器和霍爾電流傳感器。分流器是一個(gè)可以通過大電流的精確電阻，當(dāng)電流流過分流器時(shí)，在其兩端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)毫伏級(jí)的電壓，用毫伏電壓表來測(cè)量這個(gè)電壓，再將這個(gè)電壓通過歐姆定律計(jì)算就能得到電流值?；魻栯娏鱾鞲衅魇歉鶕?jù)磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系而設(shè)計(jì)的。當(dāng)電流通過一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差?；魻栯娏鱾鞲衅魇抢没魻栃?yīng)將一次大電流變換為二次微小電壓信號(hào)的傳感器。這兩種電流傳感器各有自身的優(yōu)勢(shì)和不足，分流器電路和計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但是有少量的損耗；霍爾傳感器測(cè)量精度更高，使用范圍也更廣，但是成本較高。本公司這款高壓配電箱選擇的是300 A、75 mV的分流器。

6) 高壓配電箱連接器。連接器是保證各種電子系統(tǒng)正常工作和安全運(yùn)行的關(guān)鍵元件之一。通常從連接器的電氣特性、機(jī)械性能和環(huán)境性能等幾方面選擇適合的產(chǎn)品型號(hào)。比如這款高壓配電箱選用安費(fèi)諾單芯、兩芯等型號(hào)的連接器。

3 高壓配電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1) 電氣絕緣設(shè)計(jì)。電氣元件與金屬箱體之間增加一絕緣板，材料為環(huán)氧樹脂，所有電氣元件都布置和固定在該絕緣板上，實(shí)現(xiàn)高壓部件與金屬殼體之間的有效絕緣。按國(guó)標(biāo)GB/T 18384.3-2015[9]要求：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值應(yīng)>100 Ω/V;交流電路應(yīng)至少>500 Ω/V。此高壓配電箱在正常儲(chǔ)存環(huán)境下，用500 V兆歐表測(cè)量，絕緣阻值均達(dá)到20 MΩ以上，遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)要求。

2) 極性分離設(shè)計(jì)。正負(fù)接線端分開布置，盡量減少短路隱患，在保證同流能力的前提下，主正和主負(fù)端采用紫銅排連接。

3) 防水防塵密封設(shè)計(jì)。根據(jù)整車安裝空間大小，高壓箱結(jié)構(gòu)采用方形盒體設(shè)計(jì)，箱體外蓋邊緣設(shè)計(jì)采用止水口和折邊的結(jié)構(gòu)，在外蓋內(nèi)圈增加橡膠墊圈，采用螺栓固定。箱體上所有接插件采用螺栓加封閉式鉚接螺母固定，插件底座增加橡膠墊圈，確保與箱體的貼合性，使整個(gè)高壓配電箱體的外殼防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67[10]。

4) 電氣元件集中布置?？紤]到此車型主接觸器和充電接觸器都由BMS模塊控制，為優(yōu)化線路連接，將BMS布置在高壓配電箱內(nèi)，減少線束間的連接點(diǎn)。同時(shí)熔斷器、接觸器、BMS控制器集中在一個(gè)空間布置，便于系統(tǒng)故障的排查和維修。整個(gè)箱體結(jié)構(gòu)布置采用CATIA三維軟件設(shè)計(jì)[11]，實(shí)現(xiàn)各電氣元件合理的布局和精準(zhǔn)的定位。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)整車性能測(cè)試，高壓系統(tǒng)各部分指標(biāo)都通過了試驗(yàn)，性能穩(wěn)定，安全可靠。對(duì)后續(xù)高壓配電箱進(jìn)一步集成設(shè)計(jì)研發(fā)有著借鑒意義。

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[10] 全國(guó)電氣安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼):GB 4208-2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009：11.

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