新能源電動汽車高壓安全系統(tǒng)分析及優(yōu)化方案

摘要：分析新能源電動汽車高壓安全系統(tǒng)現(xiàn)狀，討論高壓安全系統(tǒng)故障檢測及動力電池高壓繼電器切斷后母線上殘存電量的處理方法，剖析其存在的風(fēng)險。并提出一種新能源電動汽車高壓安全系統(tǒng)設(shè)計方案。在不增加成本的基礎(chǔ)上補充和優(yōu)化現(xiàn)有高壓安全系統(tǒng)，使得母線電壓得到完全的泄放。經(jīng)有效的實測驗證該方案能夠快速有效的泄放母線電壓，提高電動汽車高壓安全性能，進一步降低觸電風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：新能源電動汽車;高壓安全系統(tǒng);故障檢測;快速泄放;安全性能;觸電風(fēng)險

0引言

近年來，能源危機和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，這與汽車工業(yè)的飛速發(fā)展有著密切的聯(lián)系，當(dāng)前發(fā)展高效、節(jié)能、零排放的新能源電動汽車已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。這就對新能源電動汽車提出了越來越高的要求。不僅要求其環(huán)保節(jié)能，而且其安全性一定要得到充分的保證[2]。

電動汽車高壓安全一直是人們所關(guān)注的重點問題，當(dāng)車輛發(fā)生絕緣或者其他漏電風(fēng)險時，動力電池會快速切斷高壓繼電器，防止觸電事故發(fā)生。但即使高壓繼電器斷開，由于電機控制器母線電容的存在，使得母線上還殘存一定電量。目前市場上在售的新能源主要車型大都是高壓系統(tǒng)，額定電壓大都達到300 V或以上，最高電壓基本在400 V以上。而像比亞迪部分車型電壓甚至達到了600多伏。電動汽車安全要求B級電壓電路直流電壓小于60 V，即使是殘存的電量也是能夠?qū)θ梭w產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害，因此對新能源電動汽車高壓安全系統(tǒng)研究具有極其重要的意義[3-5]。

1 新能源電動汽車高壓安全系統(tǒng)分析

1.1 高壓安全回路

新能源電動汽車高壓系統(tǒng)大都采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其主要包括動力電池組、電驅(qū)動系統(tǒng)、DC-DC電壓變換器（ DC-DC）、電動空調(diào)壓縮機、加熱系統(tǒng)（PTC）、高壓分線盒、車載充電系統(tǒng)等。如下圖1所示：

K0：高壓正極繼電器

K1：預(yù)充繼電器

K2：高壓負極繼電器

r0：預(yù)充電阻

MCU：電機控制器

電動汽車高壓回路中有兩個儲電器件，高壓動力電池和電機控制器，動力電池為整車提供動力，根據(jù)車型的不同存儲的電量有較大差異，多達幾十度電。電機控制器為保護IGBT模塊，設(shè)計有1000μf左右薄膜電容。薄膜電容中也可能存有一定電量。若某一線路斷開，高壓帶電部分暴露，高壓負載和動力電池又是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，不管動力電池高壓繼電器是否處于閉合狀態(tài)，整個高壓系統(tǒng)都可能處于帶電狀態(tài)。

1.2 高壓安全系統(tǒng)故障檢測

高壓安全系統(tǒng)故障檢測存在于整個車輛工作過程中，車輛上電完成初始化后，各個高壓部件開始初步檢測自身狀態(tài)。若檢測到異常，則禁止高壓連接，上報異常信息提示駕駛員維修檢測。正常情況下，因高壓回路中存在容性負載，先進行預(yù)充，當(dāng)母線電壓達到電池內(nèi)部電壓的98%以上時，判斷預(yù)充成功，正極繼電器閉合，此時整個高壓系統(tǒng)處于待工作狀態(tài)。

這時為了保證高壓回路用電安全，避免駕駛員或維修人員和車輛損害，高壓安全系統(tǒng)會實時進行故障診斷，收集整車系統(tǒng)的絕緣電阻阻值、母線電壓、母線電流、三相電流，整車供電等與高壓安全直接或間接相關(guān)的物理參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的模型綜合判斷車輛故障狀態(tài)，并循環(huán)實時檢測[6]。

2 高壓安全系統(tǒng)保護

當(dāng)高壓系統(tǒng)檢測到異常時，整車控制器收集高壓回路故障信息，根據(jù)發(fā)生故障的嚴(yán)重程度和等級作出相應(yīng)的判斷并發(fā)送指令給動力電池管理系統(tǒng)快速切斷高壓繼電器。

2.1 高壓安全系統(tǒng)異常保護動作

整個高壓回路中，當(dāng)發(fā)生絕緣故障、環(huán)路互鎖故障、重要節(jié)點通訊丟失故障、動力系統(tǒng)扭矩輸出異常故障、短路或車輛發(fā)生碰撞時，應(yīng)及時斷開高壓繼電器，切斷高壓回路電源的供給。

高壓動力電池主正繼電器和主負繼電器斷開，但高壓回路中任殘留一定的電量，大都存儲在電機控制器薄膜電容中。高壓回路中的各個用電設(shè)備（負載）并聯(lián)在一起。此時，觸碰任意位置都會有觸電風(fēng)險。目前大都新能源電動汽車涉及高壓殘留電量的泄放做法是當(dāng)高壓繼電器斷開后利用電機繞組將高壓回路中的電量快速消耗掉。

如下圖二紅色箭頭所示：

在整車下電過程中，整車控制器發(fā)出指令給電池管理系統(tǒng)讓其斷開高壓繼電器。電池管理系統(tǒng)先斷開正極繼電器，之后在斷開負極繼電器。并實時將繼電器狀態(tài)發(fā)送到整車網(wǎng)絡(luò)上。整車控制器收到繼電器斷開消息后，檢測電驅(qū)系統(tǒng)有無故障，若無故障指令電驅(qū)系統(tǒng)進行高壓泄放。

2.2 傳統(tǒng)高壓泄放風(fēng)險

當(dāng)車輛發(fā)生碰撞、側(cè)翻，導(dǎo)致電驅(qū)系統(tǒng)損壞，或者因電機控制器、電機發(fā)生異常斷高壓時，電驅(qū)系統(tǒng)的主動泄放就不再起作用，只能通過泄放電阻進行被動泄放，而被動泄放的時間較長，導(dǎo)致人觸有電風(fēng)險。這種情況發(fā)生的概率較大，不滿足電動汽車安全要求。如下圖三所示為某純電動汽車被動泄放示意圖：

2.3 優(yōu)化方案分析

本文探討一種新型高壓泄放策略，在原有電機控制器主動泄放的基礎(chǔ)上，輔以其他高壓負載，在電驅(qū)系統(tǒng)異常不能進行主動泄放時，其他高壓負載也可將母線電壓泄放到安全電壓以下，提高整車高壓系統(tǒng)安全性，降低人員觸電風(fēng)險。

輔助泄放高壓負載：DCDC變換器、PTC或者空調(diào)壓縮機。如下圖四紅色箭頭所示：

當(dāng)高壓繼電器斷開后，整車控制器收集并判斷各個高壓用電器狀態(tài)，再發(fā)指令給各個高壓用電器進行電壓泄放。其主要過程如下：（1） BMS斷開高壓繼電器并將其高壓繼電器狀態(tài)反饋到整車CAN網(wǎng)絡(luò)上。（2） VCU通過整車網(wǎng)絡(luò)收到高壓繼電器斷開信息和各高壓用電器反饋的自身狀態(tài)，綜合判斷能進行主動泄放的高壓負載。（3） VCU發(fā)送泄放指令給高壓負載，（4）高壓負載進行高壓泄放并實時判斷母線電壓。當(dāng)母線電壓低于60 V時停止泄放;具體流程圖見圖5。

3 測試結(jié)果和分析

基于上述新型高壓泄放策略，將其應(yīng)用到實車上進行標(biāo)定測試，由下圖六可以看出，當(dāng)電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)生故障時，其他高壓負載輔助泄放，泄放時間大大減少，降低到192 ms左右，完全滿足電動汽車安全要求。

4 結(jié)論

實測證明，在原有電驅(qū)系統(tǒng)主動泄放的基礎(chǔ)上，輔以其他高壓負載可有效降低主動泄放的時間，且主動泄放的失效率也大大降低，提高新能源電動汽車的安全性。

參考文獻：

[1]邊耀璋，汽車新能源技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]裴春松，純電動汽車電安全分析與設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究，2012（1）：20-22.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T18384.1-2001電動汽車安全要求第1部分：車載儲能裝置[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T18384.2-2001電動汽車安全要求第2部分：功能安全和故障防護[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T18384.3-2001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2001.

[6]張俊，謝偉東，純電動汽車高壓回路安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].機電工程：1001-4551（2013）03-0364-04.

作者簡介：

陶文勇，（1993-），奇瑞新能源汽車研究院電驅(qū)系統(tǒng)軟件工程師。