電動汽車動力電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)及設(shè)計

南京軍上電子科技有限公司 楊上東 趙 杰

電動汽車動力電池系統(tǒng)的電氣架構(gòu)是保證人員和設(shè)備安全的關(guān)鍵，因此在開發(fā)前期，必須從全局考慮進(jìn)行電氣架構(gòu)的總體設(shè)計。本文介紹電池系統(tǒng)的電氣架構(gòu)的定義，詳細(xì)闡述電氣架構(gòu)設(shè)計步驟，包括需求分析、設(shè)計原則、方案規(guī)劃、方案分析、方案選擇等。

1 背景

隨著全球各國禁售燃油車時間表的相繼公布，以及各大車企在新能源汽車領(lǐng)域的全面發(fā)力，電動汽車目前處于飛速發(fā)展階段。電池系統(tǒng)是新能源汽車的核心零部件之一，負(fù)責(zé)提供并且回收能量，具有高電壓和大電流等特點，通常高壓系統(tǒng)在300V以上，工作電流超過300A以上，對電動汽車的安全性尤為重要。對于電池系統(tǒng)，合理的電氣架構(gòu)在實現(xiàn)功能的同時，可降低不必要的安全隱患，本文就電池系統(tǒng)的電氣架構(gòu)及設(shè)計展開論述。

2 電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)的定義

電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)是由一系列電池系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的電氣及電子部件組成的集合。這種關(guān)聯(lián)性可以體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)級、動力級及信號級等多種類型，考慮功能、法規(guī)和特殊設(shè)計要求的同時，對成本、性能、功能、裝配和維護(hù)等方面進(jìn)行分析進(jìn)而得到的最優(yōu)電氣系統(tǒng)模型。

3 電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)設(shè)計

電氣構(gòu)架設(shè)計包括設(shè)計輸入、方案設(shè)計等內(nèi)容，范圍廣闊，且相互之間有多種聯(lián)系。以下對各步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 設(shè)計輸入

需求及目標(biāo)的定義是電氣架構(gòu)設(shè)計的輸入和目標(biāo)，關(guān)系到設(shè)計的成敗，通常應(yīng)至少包含以下幾個方面。

3.1.1 通用需求

（1）電壓檢測

實時對電池系統(tǒng)內(nèi)每串電池單體電壓及系統(tǒng)高壓（包括電池總壓、母線電壓等）進(jìn)行測量，高壓采集精度和實時性要求，應(yīng)能滿足系統(tǒng)診斷、繼電器控制、功率計算等不同功能需求。

（2）預(yù)充電管理

閉合高壓回路時能夠進(jìn)行預(yù)充電管理，能進(jìn)行預(yù)充電回路失效檢測，以滿足整車高壓系統(tǒng)上電要求，預(yù)充電壓具備獨立采集的能力。

（3）溫度檢測

合理布置溫度傳感器，實時對電池系統(tǒng)內(nèi)每個電池模組溫度進(jìn)行測量。溫度傳感器的布置數(shù)量和位置，應(yīng)結(jié)合電芯模組一致性、電池系統(tǒng)熱流場分析、電池及整車高低溫試驗等最終確定，過多的溫度采集會帶來布置難度和成本浪費。

（4）電流檢測

實時對電池系統(tǒng)總電流進(jìn)行測量，電流采集元件需具有互換性，可采用獨立模塊方式設(shè)計。

（5）熱管理

熱管理是電池系統(tǒng)發(fā)展的熱點技術(shù)，尤其是液冷技術(shù)的發(fā)展，對電氣系統(tǒng)的設(shè)計提出更多的要求。電池系統(tǒng)應(yīng)能支持冷卻泵、不同通路的電磁閥、空氣PTC、過水PTC等驅(qū)動控制能力。

3.1.2 高壓安全

電動汽車安全通常包括功能安全（劉佳熙,郭輝,李君.汽車電子電氣系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262[J].上海汽車,2011(10):58-61）、碰撞安全、高壓安全、EMC安全等多種安全概念，跟動力電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)關(guān)系最緊密的是高壓安全。高壓安全的核心要求是避免人員發(fā)生觸電危險，在進(jìn)行設(shè)計分析時需要全面考慮各種應(yīng)用場景，通常應(yīng)包括：

（1）車輛正常操作，如：行駛、停車、轉(zhuǎn)向等；

（2）充電，包括：快充和慢充，更具體的可以分解為更細(xì)致的情況，本文不再詳述；

（3）車輛保養(yǎng)、車輛維修；

（4）車輛拆解、車輛廢棄管理；

（5）碰撞；

（6）事故營救。

跟高壓安全相關(guān)的電氣系統(tǒng)設(shè)計，主要包括：

（1）高壓繼電器

高壓繼電器是電池系統(tǒng)的閥門，出現(xiàn)斷路和粘連都會帶來安全風(fēng)險，因此電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)中高壓繼電器的選取也是很重要的一環(huán)。選擇高壓繼電器要參考需求的額定電流、額定電壓、峰值電流持續(xù)時間、充放電峰值電流以及車輛的運行模擬工況等等，使用壽命參考峰值電流。設(shè)計中需要引起重視的細(xì)節(jié)，是在短路時，高壓繼電器的失效時間要比熔斷器失效時間長。

（2）高壓互鎖

為保證人員的人身安全，電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)應(yīng)設(shè)計高壓互鎖，即用低壓回路信號檢測高壓回路的完整性，以提升安全性能。電路設(shè)計應(yīng)考慮兩點：一是低壓檢測回路需要完整檢測電池系統(tǒng)每個高壓連接器及手動維修開關(guān)的連接狀態(tài)；二是要實現(xiàn)低壓檢測回路比高壓先接通，預(yù)留電池系統(tǒng)采取措施時間。針對不同項目，高壓互鎖實現(xiàn)形式不同。

（3）絕緣檢測

絕緣失效會導(dǎo)致高壓直接傷害人體，因而絕緣檢測是電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)的重要設(shè)計環(huán)節(jié)，由于電池系統(tǒng)屬于帶電體，一般檢測電池正極對地、負(fù)極對地的絕緣電阻來判定絕緣性能。絕緣檢測方式有兩種：一種是電阻測量法，一種是信號注入法。

（4）碰撞保護(hù)

汽車發(fā)生嚴(yán)重碰撞可能會造成電池系統(tǒng)擠壓形變，電池系統(tǒng)很容易造成短路起火等安全事故，因而碰撞保護(hù)是電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)必須考慮的設(shè)計環(huán)節(jié)。碰撞保護(hù)的關(guān)鍵是第一時間切斷高壓，碰撞響應(yīng)時間尤其關(guān)鍵。碰撞信號傳輸分為CAN信號和硬線信號，如何在最短的時間識別出碰撞信號并采取動作成為設(shè)計人員需要考慮的一大難題。除了切斷高壓，電氣架構(gòu)中還應(yīng)考慮在電池組內(nèi)部增加熔斷器及分壓接觸器等電器件來極大降低短路和觸電事故的概率。

（5）手動維修開關(guān)

手動維修開關(guān)在進(jìn)行維修的時候要能夠手動切斷高壓，自動斷路器在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能接受電池管理系統(tǒng)的控制切斷高壓系統(tǒng)。

3.1.3 其他需求

隨著技術(shù)的發(fā)展，電池系統(tǒng)會迎接更小的體積、更高的功率、更大的負(fù)載等需求，對于更高的功率要求更高的電壓，這帶來了更嚴(yán)格的安全性考慮；對于更大的負(fù)載要求更高的電流，電池系統(tǒng)也會溫升更高，可能因更高的頻率要求更好的EMC保護(hù)；無線通信方式有已一定發(fā)展，電氣功能模塊化亦在不停演變；所有的這些都需要電氣架構(gòu)的支持，是電氣架構(gòu)發(fā)展的未來需求。

3.2 方案設(shè)計

3.2.1 總體原則

電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)設(shè)計原則（朱建新,鄭榮良,卓斌,等.電動汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究[J].汽車工程,2007(4):308-212）：（1）各高壓部件盡量使用獨立繼電器控制，確保部件不工作時不帶電；（2）電池系統(tǒng)內(nèi)部和外部高壓部件使用的保險絲盒要隔離，防止外部保險絲檢修或更換會影響電池系統(tǒng)內(nèi)部的防護(hù)等級；（3）特性相近部件盡量共用繼電器，以減少繼電器數(shù)量；（4）盡量減少電池系統(tǒng)電氣接口的數(shù)量。

3.2.2 方案規(guī)劃

同一種功能的實現(xiàn)可以有不同的途徑，電氣架構(gòu)分析之前應(yīng)對不同途徑進(jìn)行總結(jié)，然后設(shè)計成不同方案來分析。下文將圍繞一個具體案例進(jìn)行分析，對于一種含有慢充、快充、主回路的兩種典型電氣架構(gòu)方案：方案一是將慢充回路單獨作為一路控制，方案二是將慢充回路并入主回路，當(dāng)進(jìn)行慢充時由主回路進(jìn)行充電。想比較而言，方案一布置更為靈活，但方案二部件重用度高成本更優(yōu)。下文將詳細(xì)論述過程。

圖1 方案一

圖2 方案二

3.2.3 方案分析及設(shè)計

設(shè)計好所有方案后，需要對每個方案來具體的分析。電氣架構(gòu)的內(nèi)容分析較為廣泛，大致由電源分配、網(wǎng)絡(luò)通訊、原理設(shè)計以及線束設(shè)計等四個部分。這四個部分內(nèi)容既相互支撐，又互有交叉。

圖3 電氣架構(gòu)分析內(nèi)容示意圖

3.2.3.1 電池系統(tǒng)配電盒BDU

整個BDU包含高壓繼電器、繼電器驅(qū)動電路、電流傳感器、預(yù)充電阻以及保險絲等，主要作用是保證電池系統(tǒng)與外界的關(guān)斷，是電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)中一個具體實現(xiàn)。

3.2.3.2 原理設(shè)計

電氣原理圖是電氣架構(gòu)設(shè)計的中心環(huán)節(jié)，是其他技術(shù)資料制作的依據(jù)。

（1）確定電氣設(shè)計任務(wù)書。

（2）確定電氣低壓控制方案及高壓采集方案。

電池系統(tǒng)包括低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)。低壓部分包括：低壓電源，信號采集與輸出，CAN網(wǎng)絡(luò)，為確保EMC性能，CAN網(wǎng)絡(luò)屏蔽地應(yīng)搭鐵；系統(tǒng)高壓采集部分，包括單體電壓采集 、溫度采集以及系統(tǒng)高壓采集。

（3）電器件選型，包括高低壓接插件、主繼電器、預(yù)充繼電器、充電口、電流傳感器、預(yù)充電阻、風(fēng)扇、手動開關(guān)、保險絲等。在選擇時在滿足各具體功能要求時，不能忽略考慮工作溫度、海拔高度、持續(xù)耐壓和短時耐壓等基本需求。

（4）將各部分連成整體，繪制電氣原理圖，要體現(xiàn)各部分技術(shù)要求及參數(shù)。

（5）插接件及導(dǎo)線選型。

考慮導(dǎo)線線徑、導(dǎo)線電流以及插接件固定方式等因素選取插接件，定義插接件各接口信號，插接件視圖方向要和線束圖紙上的視圖方向保持一致。選取導(dǎo)線時，要考慮導(dǎo)線電流、壓接機械強度、電壓降、導(dǎo)線使用環(huán)境溫度等因素，定義導(dǎo)線的種類、線徑、顏色，注意CAN線要用屏蔽線。

3.2.3.3 網(wǎng)絡(luò)通訊及EMC

對于分布式電池管理系統(tǒng)，主機與各從機之間，目前廣泛采用的是CAN網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計時要確認(rèn)各子模塊相互通訊接口信息、評估網(wǎng)絡(luò)通信要求、設(shè)計通信線束。目前為降低成本，也有采用菊花鏈通信的形成，但穩(wěn)定性相對CAN網(wǎng)絡(luò)低一些，在開發(fā)時需要全面平衡。

3.2.3.4 線束設(shè)計

線束是電氣架構(gòu)分析的實物輸出，是電氣原理在電池系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)。線束設(shè)計要依據(jù)電氣原理圖、電池系統(tǒng)模型來確定線束的種類、長度、顏色、走向等，同時考慮到線束在電池系統(tǒng)內(nèi)所處位置做出相應(yīng)防護(hù)。

4.總結(jié)

本文介紹介紹了電動汽車動力電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)如何建立完整的需求，針對這些需求，如何進(jìn)一步開展方案分析、規(guī)劃和具體設(shè)計工作，最終選擇最優(yōu)的技術(shù)方案。電氣系統(tǒng)設(shè)計是動力電池設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容之一，良好的設(shè)計不僅能帶來電池性能的提升，更重要的是為乘客提供了安全的保障。