某品牌純電動(dòng)車高壓系統(tǒng)安全措施淺析

李琦 鞠海鷗

摘要：近年來，隨著國(guó)家新能源汽車戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃的逐步落實(shí)，純電動(dòng)車在汽車市場(chǎng)的占有率逐年提升，技術(shù)更新日益加快，配套設(shè)施趨于完善。但純電動(dòng)車在使用安全方面故障頻發(fā)，由于高壓電池系統(tǒng)過充電、內(nèi)外部短、斷路、絕緣不良、電池碰撞破損等原因造成的火災(zāi)或爆炸事故頻發(fā)，導(dǎo)致純電動(dòng)車安全問題成為影響消費(fèi)者購(gòu)買意愿的重要因素。某品牌純電動(dòng)車針對(duì)目前高壓電池系統(tǒng)的存在主要故障，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)制定相應(yīng)的安全措施，以降低高壓系統(tǒng)的安全隱患。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)車;故障分析;高壓系統(tǒng)組成;安全措施

0? 引言

目前，我國(guó)98.42%的整車生產(chǎn)企業(yè)都已開展新能源汽車或純電動(dòng)車的生產(chǎn)研發(fā)業(yè)務(wù)，自2015年起新能源汽車產(chǎn)銷量增長(zhǎng)迅猛，眾多國(guó)際知名企業(yè)都在中國(guó)設(shè)廠量產(chǎn)純電動(dòng)車。伴隨著純電動(dòng)車產(chǎn)銷量的急劇上升，關(guān)于純電動(dòng)汽車起火、爆炸等嚴(yán)重事故的負(fù)面新聞也屢現(xiàn)媒體。如何保障純電動(dòng)車高壓電池系統(tǒng)的使用安全成為汽車企業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

1? 純電動(dòng)車常見安全故障分析

目前市場(chǎng)主流的純電動(dòng)車多以高壓鋰電池為主體，因其電池比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)而得到企業(yè)的青睞[1]。鋰電池雖在性能、成本、工藝等方面有其優(yōu)勢(shì)，但受限于電池材料、制造工藝、配套電氣系統(tǒng)、溫度影響等因素，尤其在復(fù)雜路況或突發(fā)事故（如碰撞或翻滾）情況下，容易產(chǎn)生電池?zé)崾Э?、高壓電泄露、乃至起火爆炸等極端故障。由于純電動(dòng)車功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，車輛主要故障集中在高壓電系統(tǒng)，導(dǎo)致發(fā)生故障的主要原因有以下四類[2]：①高壓電系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)制不全，一旦電池格發(fā)生內(nèi)部短路，大量熱能聚集從而引發(fā)火災(zāi);②缺乏充電平衡機(jī)制，導(dǎo)致電池格之間充電不均，部分電池格長(zhǎng)期虧電影響電池壽命;③高壓電系統(tǒng)由于日常使用或事故導(dǎo)致線路出現(xiàn)接頭松動(dòng)或線路破損，出現(xiàn)絕緣失效;④在碰撞等極端情況下電池抗撞擊能力不足，導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生損壞。

2? 某品牌純電動(dòng)車高壓電系統(tǒng)主要組成

某品牌在2019年發(fā)布全新純電動(dòng)車，配備高壓蓄電池容量為240Ah，總電能為95kWh，額定電壓396V。整車高壓系統(tǒng)由蓄電池開關(guān)控制盒、蓄電池模塊及模塊控制單元、鋁制緩沖框架，冷卻系統(tǒng)、密封件，下保護(hù)殼等部件組成。工作溫度在-28℃至60℃，采用液體冷卻技術(shù)。

作為高壓系統(tǒng)的核心部件，高壓蓄電池由36個(gè)電池模塊組成，每個(gè)模塊由12個(gè)電池格構(gòu)成，均配有溫度傳感器。3個(gè)電池模塊為一組，由一個(gè)蓄電池模塊控制單元控制，暨整塊高壓電池共有12個(gè)電池模塊控制單元。蓄電池模塊控制單元負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)組內(nèi)3個(gè)蓄電池模塊的電壓和溫度，并通過子CAN線和與高壓系統(tǒng)開關(guān)盒及蓄電池總調(diào)節(jié)控制單元進(jìn)行通訊，由蓄電池調(diào)節(jié)控制單元控制、調(diào)節(jié)組內(nèi)各電池模塊的電量使用分配情況。蓄電池殼體通過一根等電位線與車身相連。

安裝在蓄電池上方的高壓系統(tǒng)開關(guān)盒，是蓄電池對(duì)外輸出能源的總開關(guān)。包含電壓測(cè)量和絕緣監(jiān)測(cè)控制器、高壓蓄電池電流傳感器、保護(hù)電阻、HV正、負(fù)極，切斷點(diǎn)火器等部件。安裝在A柱側(cè)面的蓄電池調(diào)節(jié)控制單元是高壓電系統(tǒng)的總指揮，通過CAN總線與高壓開關(guān)盒相連，根據(jù)車況需求控制電池充放電，并將其信息收集反饋到CAN網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)電池使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。高壓系統(tǒng)配有自鎖安全插頭及3條環(huán)形安全線，防止誤插拔和高壓電泄漏。

高壓系統(tǒng)有獨(dú)立變壓器、雙充電器和多種接插座，并配有加熱冷卻部件，可實(shí)現(xiàn)駐車空調(diào)、電池預(yù)加熱、液態(tài)冷卻等功能。

3? 某品牌純電動(dòng)車高壓系統(tǒng)安全措施

從該車高壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成發(fā)現(xiàn)，該車的高壓系統(tǒng)在抵抗沖擊、絕緣檢測(cè)、溫度控制、充電保護(hù)等方面更為優(yōu)異，主要表現(xiàn)為：

3.1 碰撞防沖擊措施

該車底盤采用高強(qiáng)度熱壓成型鋼材，將高壓蓄電池直接集成在車底承載結(jié)構(gòu)上，電池整體強(qiáng)度提升，防止車輛在側(cè)面碰撞時(shí)電池扭曲斷裂。蓄電池外殼采用擠壓型材和鋁鑄造節(jié)點(diǎn)的框體結(jié)構(gòu)，增加了對(duì)柔性電芯和電池模塊的保護(hù)效果。車輛底部有鋁制防護(hù)板，有效減少?gòu)?fù)雜路況（例如石子或水漬）可能對(duì)高壓蓄電池產(chǎn)生的沖擊和腐蝕。

一旦車輛發(fā)生碰撞事故，高壓蓄電池開關(guān)盒中裝有與安全氣囊控制單元單獨(dú)連接的導(dǎo)線，在接到碰撞信號(hào)后，盒中的高壓切斷點(diǎn)火器（軟體）會(huì)對(duì)碰撞信號(hào)進(jìn)行分析，判斷撞擊級(jí)別，必要時(shí)直接斷開高壓接觸器，使高壓電路系統(tǒng)緊急斷電或降壓，避免因電池?fù)p壞而導(dǎo)致的高壓電泄漏情況。另外，當(dāng)高電壓系統(tǒng)啟用時(shí)，車載電腦通過開關(guān)盒對(duì)整車進(jìn)行持續(xù)的自診斷檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生如保養(yǎng)插頭斷開，接觸器端子的供電保險(xiǎn)絲斷開等情況時(shí)，高壓接觸器也會(huì)脫開以保證系統(tǒng)斷電安全。

3.2 電池格平衡措施

在充電過程中，常發(fā)生某個(gè)電池格已100%充電且充電過程已經(jīng)結(jié)束，但整個(gè)高壓蓄電池僅充電90%以上的情況，如何在充電時(shí)盡量讓蓄電池達(dá)到最大充電量，以提高電池利用率延長(zhǎng)電池壽命，這就需要電池格平衡措施。所謂平衡，就是通過電池格配套的電阻讓先充滿電的電池格放電，以便能繼續(xù)為其他電池格充電，最終所有電池格都達(dá)到同樣的充電水平[3]。為實(shí)現(xiàn)這一個(gè)功能，需要對(duì)每個(gè)電池格都進(jìn)行精確管控。

該車在充電時(shí)，蓄電池調(diào)節(jié)控制單元會(huì)根據(jù)此時(shí)的充電狀態(tài)及充電的電壓和電流，結(jié)合12個(gè)電池模塊控制單元反饋信息，對(duì)各電池格的電壓進(jìn)行比較估算，如果某個(gè)電池格組的電壓較高，其對(duì)應(yīng)的模塊控制單元就會(huì)收到平衡信息。在充電時(shí)，各模塊之間的電壓差距超過1%時(shí)，就開始進(jìn)行平衡管理。在點(diǎn)火開處于關(guān)閉狀態(tài)，或者蓄電池充電狀態(tài)高于30%時(shí)，都可以執(zhí)行平衡過程。

3.3 蓄電池絕緣監(jiān)控報(bào)警功能

純電動(dòng)車高壓蓄電池直流電壓一般在350V以上，一旦發(fā)生絕緣體漏電，輕則降低車輛功率，重則引發(fā)火災(zāi)或?qū)е氯藛T觸電。所以必須要有絕緣監(jiān)測(cè)機(jī)制。該車采用低頻信號(hào)注入法，電壓蓄電池開關(guān)盒負(fù)責(zé)整車漏電檢測(cè)，利用電壓測(cè)量和絕緣監(jiān)測(cè)控制器，每30s用高壓電網(wǎng)上的系統(tǒng)電壓進(jìn)行一次絕緣測(cè)量，根據(jù)各元件反饋信息，識(shí)別高壓回路上的是否有絕緣故障。如果有絕緣故障，開關(guān)盒和蓄電池模塊控制單元向蓄電池調(diào)節(jié)控制單元發(fā)布信息，調(diào)控單元經(jīng)過計(jì)算評(píng)估后，再通過數(shù)據(jù)總線診斷接口向組合儀表控制單元傳遞數(shù)據(jù)，如絕緣電阻值較小說明漏電不嚴(yán)重，組合儀表控制單元點(diǎn)亮黃色警示燈，車輛可以繼續(xù)行駛且可以再次驅(qū)動(dòng);如果絕緣電阻值極小說明漏電嚴(yán)重，則點(diǎn)亮紅色警示燈，車輛一旦停止將無法激活驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。駕駛員即可根據(jù)組合儀表上的亮燈信息判斷車輛絕緣狀態(tài)。

高壓絕緣監(jiān)控還需要車載安全線配合，該車安全線由三部分組成，均為環(huán)路結(jié)構(gòu)。主安全線將蓄電池調(diào)節(jié)控制單元、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、高電壓加熱器、保養(yǎng)插頭和高電壓蓄電池開關(guān)盒串聯(lián)成環(huán)形，以便蓄電池調(diào)節(jié)控制單元將一個(gè)10mA的電流信號(hào)送入安全線，用以檢測(cè)線路閉合情況。變壓器和高壓蓄電池充電器也各有安全環(huán)線，一旦發(fā)生故障，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同樣通過CAN總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線診斷接口，并通過儀表控制單元將提示信息反饋在儀表上。

3.4 高壓系統(tǒng)溫度控制功能

高壓線路發(fā)生短路故障時(shí)，易在局部產(chǎn)生異常高溫，從而引發(fā)火災(zāi)。該車的電池模塊控制單元利用每個(gè)電池格的溫度傳感器監(jiān)測(cè)其溫度情況;溫度信息在高壓電池控制調(diào)節(jié)單元中進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，在溫度較低時(shí)，控制單元會(huì)向溫度管理控制單元發(fā)送電池加熱的指令，由高電壓加熱器給蓄電池加熱，以便恢復(fù)活性產(chǎn)生驅(qū)動(dòng);在溫度較高時(shí)，由溫度管理控制單元通過LIN網(wǎng)向控制單元提供的參數(shù)，使其激活電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)給蓄電池液體散熱降溫。除此之外，在高電壓蓄電池充電器中帶有充電插座溫度傳感器，可以監(jiān)測(cè)充電接頭的溫度，一旦充電溫度過高將對(duì)充電系統(tǒng)進(jìn)行斷電保護(hù)，防止充電起火。

4? 高壓系統(tǒng)未來升級(jí)方向展望

高壓系統(tǒng)技術(shù)雖然日趨成熟，但還有更大的成長(zhǎng)空間，其中在高壓系統(tǒng)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)診斷，電池格獨(dú)立運(yùn)作管理，過充、放電控制，電池容量擴(kuò)充、智能網(wǎng)聯(lián)等方面還有待設(shè)計(jì)者進(jìn)一步研發(fā)完善。

參考文獻(xiàn)：

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