電動(dòng)專用汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)及故障分析

劉娟娟

比亞迪汽車工業(yè)有限公司 廣東深圳 518118

1 前言

和燃油專用汽車相比，電動(dòng)專用汽車匹配大容量、高電壓的動(dòng)力電池系統(tǒng)及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而且高壓負(fù)載回路中還有其他高壓附件系統(tǒng)，如空調(diào)、暖風(fēng)、DC/DC、交直流充電等，所以電動(dòng)專用汽車的高壓安全問(wèn)題就顯得尤為重要。根據(jù)高壓系統(tǒng)的復(fù)雜及重要度，需要對(duì)高壓電系統(tǒng)進(jìn)行安全的設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，這是電動(dòng)汽車安全運(yùn)行的必要保證[1]。

高壓電氣系統(tǒng)控制與安全管理和故障診斷的總目標(biāo)是確保純電動(dòng)汽車在靜止、運(yùn)行及充電等全過(guò)程的高壓用電安全[2]。降低電氣安全相關(guān)故障率，提高客戶使用的便利性和安全性，電氣系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等影響很大，本文主要對(duì)高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)和常見故障分析進(jìn)行概述。

2 電動(dòng)專用汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

電動(dòng)專用汽車的高壓電氣系統(tǒng)主要有電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、DC/DC、電動(dòng)空調(diào)、電暖風(fēng)、交直流充電系統(tǒng)及高壓電安全管理系統(tǒng)等，如圖1所示。高壓系統(tǒng)中動(dòng)力電池系統(tǒng)為其他系統(tǒng)通過(guò)高壓配電系統(tǒng)單元分配后提供能量來(lái)源，整車控制器和電機(jī)控制器，以及電池管理系統(tǒng)、高壓電安全管理系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)、車載充電機(jī)和非車載充電設(shè)備等控制單元通過(guò)CAN總線進(jìn)行相互通信。各高壓系統(tǒng)通過(guò)高低壓線束和CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和交互。根據(jù)純電動(dòng)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)要求，從車載能源、故障保護(hù)、人員安全防護(hù)及高壓電安全控制策略等方面考慮，應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)進(jìn)行五方面設(shè)計(jì)。

圖1 電動(dòng)專用汽車高壓系統(tǒng)框圖

2.1 高壓系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)

高壓部件的防護(hù)主要包括IP防護(hù)、機(jī)械防護(hù)及高壓警告標(biāo)識(shí)等。尤其是布置外露的零部件，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)、DC/DC、動(dòng)力電池系統(tǒng)及相互的高壓連接，均要求達(dá)到IP67防護(hù)等級(jí)，并且所有高壓系統(tǒng)應(yīng)具有高壓危險(xiǎn)警告標(biāo)識(shí)。此外，所有的配電系統(tǒng)高壓接插件均有防呆設(shè)計(jì)，避免裝配錯(cuò)誤導(dǎo)致高壓回路失效。

由于純電動(dòng)汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示、警示用戶和維修人員，高壓線束應(yīng)采用橙色線纜并用橙色波紋管對(duì)其進(jìn)行防護(hù)[3]。同時(shí)高壓連接器也應(yīng)標(biāo)識(shí)為橙色，起到警示作用。高壓觸電防護(hù)是高壓電氣安全設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)，主要通過(guò)直接防護(hù)（如絕緣設(shè)計(jì)等）和間接防護(hù)（如等電位連接和電氣隔離等）兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

2.2 電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)就是電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成Pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)、電連接安全設(shè)計(jì)、BMS安全設(shè)計(jì)等。Pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有電池箱體設(shè)計(jì)和模組設(shè)計(jì)，箱體設(shè)計(jì)考慮機(jī)械振動(dòng)沖擊防護(hù)、碰撞和擠壓防護(hù)、IP等級(jí)防護(hù)以及防火防爆防護(hù)等，模組設(shè)計(jì)除了做好模組的機(jī)械振動(dòng)和沖擊防護(hù)，同時(shí)要考慮電芯充放電過(guò)程中的膨脹力吸收，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)留膨脹空間，同時(shí)加強(qiáng)傳熱和隔熱設(shè)計(jì)，以及采樣線束的防短路設(shè)計(jì)；熱管理設(shè)計(jì)主要功能是實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)對(duì)充放電溫升和溫差的控制，進(jìn)行高效的熱均衡，分為水冷和風(fēng)冷兩方面，目前水冷是主流設(shè)計(jì)；電連接安全設(shè)計(jì)主要有電池系統(tǒng)BDU電氣件（接觸器、熔斷器、MSD和銅排等）的選型和設(shè)計(jì)及壽命分析，以及模組正負(fù)極的冗余防松連接設(shè)計(jì)、模組排布時(shí)安全間隙預(yù)留以及爬電距離等；BMS安全設(shè)計(jì)主要從軟硬件對(duì)應(yīng)用策略的實(shí)現(xiàn)，絕緣檢測(cè)的監(jiān)控、故障的診斷及處理機(jī)制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控與管理以及功能安全等。

2.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

首先，電動(dòng)汽車上存在三相交流系統(tǒng)，具有較強(qiáng)電磁干擾，在高壓電氣設(shè)計(jì)時(shí)，高壓線、信號(hào)線及低壓線應(yīng)盡可能采用隔離或分開走線；同時(shí)，電源線考慮接地且底盤線束和駕駛室線束要共地，避免接地不良引起形成干擾，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整車CAN網(wǎng)絡(luò)癱瘓車輛故障；同時(shí)輸入與輸出信號(hào)線應(yīng)避免排在一起造成干擾；所有CAN線均為屏蔽雙絞線，屏蔽CAN干擾。

其次，高壓電氣系統(tǒng)零部件外殼均需要與車身地進(jìn)行等電位連接，建議使用地線或者螺栓搭鐵形式進(jìn)行連接。對(duì)于等電位連接所用的導(dǎo)體（比如接地線等），建議使用黑色，方便維修和辨認(rèn)。等電位連接的導(dǎo)體截面積保證不低于高壓線束的截面積，考慮絕緣失效時(shí)，高壓電流有可能流經(jīng)等電位回路，可能因過(guò)流而發(fā)熱，并進(jìn)而引起火災(zāi)。

2.4 預(yù)充電回路保護(hù)設(shè)計(jì)

高壓系統(tǒng)的電機(jī)控制器和空壓機(jī)等控制器均有大量電容，直接接通該回路可能會(huì)產(chǎn)生高壓電沖擊，沖擊電流達(dá)上千安，可直接將電池系統(tǒng)回路接觸器燒壞，嚴(yán)重時(shí)對(duì)電芯瞬間大電流放電也產(chǎn)生嚴(yán)重不可修復(fù)損傷，故為避免接通時(shí)的高壓電沖擊，高壓系統(tǒng)需采取預(yù)充電回路的方式對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行預(yù)充電[5]。 圖2為純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路原理圖。預(yù)充電系統(tǒng)由電機(jī)控制器大電容、主正、主負(fù)、預(yù)充接觸器、預(yù)充電阻、高壓系統(tǒng)部件組成，主接觸器和預(yù)充電阻預(yù)充接觸器并聯(lián)，主回路負(fù)端主負(fù)接觸器控制整個(gè)回路電池系統(tǒng)的開閉。

正常情況下，因高壓回路中存在容性負(fù)載，鑰匙信號(hào)上電后，先進(jìn)行預(yù)充回路判斷，控制預(yù)充接觸器閉合，當(dāng)電機(jī)控制器母線電壓達(dá)到電池總電壓的95%以上時(shí)，判斷預(yù)充成功，總正接觸器閉合，預(yù)充接觸器斷開，整車高壓回路處于正常接通狀態(tài)；當(dāng)高壓主回路斷開時(shí)，因高壓部件電容存在，為避免對(duì)人員和汽車造成危害，在切斷高壓系統(tǒng)后應(yīng)將電容的高壓電通過(guò)并聯(lián)在高壓系統(tǒng)中的電阻在國(guó)標(biāo)規(guī)定時(shí)間釋放掉[6]。

圖2 純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路原理圖

2.5 高壓系統(tǒng)其他過(guò)保護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)汽車高壓附件設(shè)備發(fā)生過(guò)載或線路短路時(shí)，相關(guān)高壓回路應(yīng)能自動(dòng)切斷供電，以確保高壓附件設(shè)備不被損壞，保證汽車和駕乘人員的安全。因此在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置過(guò)載或短路的保護(hù)部件，在高壓回路中串入熔斷器和接觸器，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或短路而引起熔斷器或接觸器短路時(shí)，高壓管理系統(tǒng)會(huì)通過(guò)對(duì)接觸器觸點(diǎn)和相關(guān)控制接觸器閉合的有效指令進(jìn)行綜合判定，若檢測(cè)出相關(guān)電路故障，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警以提示駕駛員。

在進(jìn)行熔斷器選型時(shí)，通常用持續(xù)工作電流確定熔斷器的額定電流，用脈沖電流來(lái)確定熔斷器的壽命。電阻型的負(fù)載與電感型的負(fù)載盡量避免使用同一類型的熔斷器。其中電阻型負(fù)載（如電池系統(tǒng)）一般選用快熔型保險(xiǎn)絲，電感型負(fù)載（如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)）一般選用慢熔型熔斷器。高壓熔斷器選型原則是熔斷器額定電壓與額定電流的確認(rèn)，熔斷器額定電壓需大于車輛的最高電壓，額定電流應(yīng)根據(jù)電器件的最大連續(xù)工作電流計(jì)算確定保險(xiǎn)絲容量[7]，可按經(jīng)驗(yàn)公式：

保險(xiǎn)絲額定容量=電路最大工作電流÷80%

3 電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)常見故障分析

3.1 整車絕緣故障

整車絕緣檢測(cè)的原理是通過(guò)絕緣阻抗監(jiān)測(cè)儀連接直流高壓系統(tǒng)正負(fù)母線與車身或者電池包殼體之間的絕緣電阻來(lái)判斷車輛是否存在絕緣故障[8]。整車絕緣故障主要為整車高壓配電系統(tǒng)、各高壓回路系統(tǒng)或者電池系統(tǒng)絕緣有問(wèn)題，通過(guò)高壓配電回路逐一排查，查看該回路高壓接插件防護(hù)有無(wú)損壞，接插件是否進(jìn)水，大部分情況為IP等級(jí)防護(hù)不夠?qū)е逻M(jìn)水引起絕緣故障發(fā)生；若為電池系統(tǒng)絕緣過(guò)低導(dǎo)致，可能為電池包進(jìn)水、電池模組漏液、銅排破損、絕緣監(jiān)測(cè)芯片故障均會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池報(bào)絕緣故障。

3.2 電池系統(tǒng)故障

電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的電動(dòng)汽車50%故障為電池系統(tǒng)故障。電池系統(tǒng)故障主要由電池單體一致性故障、過(guò)溫故障、通信故障、絕緣故障、溫差過(guò)大故障、過(guò)流故障、溫感采集跳變故障、電池CAN網(wǎng)絡(luò)故障、BMS采集板故障、電芯漏液和電氣件故障等原因引起。

3.3 交直流充電故障

電動(dòng)汽車在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，交直流充電的故障率和充電時(shí)效直接影響著客戶的使用體驗(yàn)感。所以，可靠的交直流充電系統(tǒng)顯得尤其重要。市場(chǎng)交直流充電問(wèn)題，主要有充電高壓回路故障、充電CAN網(wǎng)絡(luò)通信故障、低壓線束斷線故障、充電機(jī)故障、BMS硬件故障和搭鐵不良故障等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地介紹了電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)，主要從高壓系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、預(yù)充回路設(shè)計(jì)、高壓系統(tǒng)過(guò)保護(hù)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，并結(jié)合新能源汽車常見故障如整車絕緣故障、電池系統(tǒng)故障和交直流充電故障等故障現(xiàn)象及原因分析，以提升電動(dòng)汽車高壓電氣安全性和可靠性，對(duì)電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)及維修有一定的參考意義。