電動(dòng)汽車高壓電器盒的技術(shù)發(fā)展*

趙平堂

（天海汽車電子集團(tuán)博士后科研工作站，河南 鶴壁 458030）

高壓電器盒（圖1）簡稱PDU（Power Distribution Unit），是電動(dòng)汽車電器系統(tǒng)中的主要電器部件，由高壓熔斷絲、高壓繼電器、高壓連接器等組成[1]。通過銅排及線束實(shí)現(xiàn)高壓元器件電氣連接，為電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)提供充放電控制、高壓部件上電通斷控制、電路過載/短路保護(hù)、高壓采樣、低壓控制等功能，保護(hù)和監(jiān)控高壓系統(tǒng)的運(yùn)行。電動(dòng)汽車通過HCU（整車控制器）對(duì)該模塊的信號(hào)進(jìn)行控制，從而對(duì)電動(dòng)汽車的回路起到電源分配的功能。另外，該模塊可以為HCU提供信號(hào)源，HCU通過對(duì)信號(hào)源的反饋檢測，可以對(duì)整車狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，從而提高整車高壓系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。高壓電器盒的工作電壓為數(shù)百伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人的安全電壓，因此防護(hù)等級(jí)要求很高，各電子器件、傳輸線路以及高壓連接器耐壓能力要求較高。大電流的工作環(huán)境要求回路的載流能力強(qiáng)。高壓電器盒在電動(dòng)汽車中的位置，恰好處于驅(qū)動(dòng)電源和功能部件的中間，因此，該模塊的電磁兼容也非常重要。高壓電器盒設(shè)計(jì)技術(shù)也成為電動(dòng)汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一。

圖1 一種高壓電器盒

1 高壓電器盒的散熱技術(shù)

由于高壓電器盒承載的電流較大，如果散熱效率低，在電器盒內(nèi)的部件快速升溫時(shí)無法及時(shí)將熱量排出，導(dǎo)致部件燒毀的概率較高，易出現(xiàn)熱集中問題而出現(xiàn)安全事故。目前高壓電器盒一般采用鋁合金殼體，既減輕質(zhì)量也可以提高散熱性和屏蔽性[1-2]。于林等[3]在高壓電器盒設(shè)計(jì)中，以固定架作為整個(gè)高壓電器盒的支撐結(jié)構(gòu)采用鋁合金支架代替塑料（圖2），散熱性能好，可將電器元件產(chǎn)生的熱量及時(shí)散出去，有效提高了電器元件的使用壽命。潘功洪等則設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)散熱的高壓電器盒（圖3）[4]，主體內(nèi)腔的底部安裝有用于給主體內(nèi)的部件快速導(dǎo)熱的導(dǎo)熱組件，導(dǎo)熱組件中銅底會(huì)吸收主體內(nèi)腔部件的熱量，且熱量會(huì)迅速傳導(dǎo)至銅管內(nèi)，使銅管內(nèi)的液金汽化而將熱量快速傳導(dǎo)至兩塊散熱鰭片，實(shí)現(xiàn)熱量的迅速排出，大大降低了由于部件迅速升溫而導(dǎo)致燒毀的概率。

圖2 一種高壓電器盒裝置的爆炸圖

圖3 一種高壓電器盒整體剖視圖

2 高壓電器盒防瞬間大電流沖擊

電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)以及變壓器等整車高壓器件通過電動(dòng)汽車的啟動(dòng)開關(guān)與電池包連接，電動(dòng)汽車的啟動(dòng)開關(guān)閉合時(shí)，整車高壓器件瞬時(shí)也被加上了高壓電，由于高壓電上電瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊電流，可能對(duì)整車高壓器件造成極大損害。針對(duì)此問題，唐德錢等[5]設(shè)計(jì)了一種新能源汽車高壓電器盒（圖4），增加了上電保護(hù)支路，上電保護(hù)支路與主繼電器并聯(lián)，用于限制所述上電保護(hù)支路所在回路的電流，且該支路上串聯(lián)有上電保護(hù)繼電器，上電保護(hù)繼電器上設(shè)置有用于電池管理系統(tǒng)BCU接入的控制線路接入線，上電保護(hù)支路中串聯(lián)有限流電阻。在高壓上電時(shí)，首先控制上電保護(hù)繼電器閉合，然后再將主繼電器閉合并將上電保護(hù)繼電器斷開，由于在上電保護(hù)繼電器閉合且主繼電器斷開時(shí)，電流經(jīng)上電保護(hù)支路流入到電機(jī)控制器，由于上電保護(hù)支路為限流電路，因而上述電流對(duì)電機(jī)控制器的沖擊較小，然后閉合主繼電器，則電機(jī)控制器中的電流逐漸增大，有效避免了高壓上電瞬間沖擊電流對(duì)電機(jī)控制器及其他高壓電氣部件所造成的沖擊，實(shí)現(xiàn)了整車安全上電。陶穎等[6]也通過保護(hù)繼電器和限流部件串聯(lián)后與主正繼電器并聯(lián)，通過限流部件和第一支路至第六支路上的熔斷器的設(shè)置（圖5），避免了電動(dòng)汽車的啟動(dòng)開關(guān)閉合瞬間產(chǎn)生的高壓電形成的沖擊電流沖擊任一整車高壓器件損壞現(xiàn)象。

圖4 一種高壓電器盒的電氣原理圖

圖5 高壓電器盒的結(jié)構(gòu)框圖

3 高壓電器盒密封

電動(dòng)汽車在行車過程中，常遭遇雨水、下雪等惡劣天氣，以往高壓電器盒防水墊多采用O型密封圈或平墊式密封圈設(shè)計(jì)，無法滿足IP67等級(jí)的要求。高壓電器盒在進(jìn)水后，易出現(xiàn)絕緣故障，造成動(dòng)力中斷。針對(duì)此問題，陳世娟等[7]設(shè)計(jì)了一種高壓電器盒的密封結(jié)構(gòu)（圖6），包括設(shè)置于上蓋和殼體之間的密封圈，密封圈的橫截面為U型，密封圈嵌裝在殼體的U型卡槽內(nèi)，密封圈頂部的兩條密封邊與上蓋抵接，密封圈側(cè)面設(shè)有至少一個(gè)凸起部。由于采用了橫截面為U型的密封圈，因此，密封圈可以通過兩條密封邊對(duì)上蓋進(jìn)行密封，起到雙重密封的效果，提高了密封效果，而且密封圈側(cè)面的凸起部可以與殼體的U型卡槽過盈配合，連接牢固，無需膠水粘合，便于密封圈的拆裝和更換。

圖6 U型密封圈在高壓電器盒中的裝配結(jié)構(gòu)

4 高壓電器盒過載保護(hù)

汽車通常在大功率的電力下運(yùn)行，高壓電器盒內(nèi)電壓高達(dá)700V（DC）以上，電流高達(dá)400A。在高壓電器盒工作時(shí)，若長時(shí)間嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行，高壓電器盒內(nèi)高壓零部件加速老化縮短使用壽命或嚴(yán)重引發(fā)火災(zāi)。目前多通過能源控制器，并通過一定的邏輯算法計(jì)算、分析判斷后發(fā)出過載保護(hù)指令，此種方法數(shù)據(jù)處理時(shí)間長，導(dǎo)致過載時(shí)過載保護(hù)裝置反應(yīng)遲鈍且造價(jià)高。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，朱承明等[8]設(shè)計(jì)了一種新能源汽車高壓電器盒的過載報(bào)警系統(tǒng)（圖7），包括功率信號(hào)放大電路、振蕩電路、過載報(bào)警電路、過載保護(hù)電路，功率信號(hào)放大電路連接振蕩電路，振蕩電路連接過載報(bào)警電路，過載報(bào)警電路連接過載保護(hù)電路，模擬功率信號(hào)經(jīng)比例放大，轉(zhuǎn)換為一定頻率的方波信號(hào)，過載時(shí)方波信號(hào)一路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)三極管接通報(bào)警器發(fā)聲報(bào)警，另一路經(jīng)電阻R8、電解電容C4延時(shí)3s后，驅(qū)動(dòng)過載繼電器吸合，斷開的常閉觸點(diǎn)切斷高壓電器盒到電動(dòng)機(jī)接線端的供電電源進(jìn)行過載保護(hù)，有效解決了目前采用多能源控制器過載報(bào)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時(shí)間長，導(dǎo)致過載時(shí)過載保護(hù)裝置反應(yīng)遲鈍且造價(jià)高的問題。

圖7 一種報(bào)警電路連接原理圖

5 高壓電器盒中線路板（PCB）應(yīng)用

高壓配電盒在工作中，需要滿足整車的高電壓環(huán)境，以及各個(gè)負(fù)載部件（車載充電機(jī)、PTC、DC/DC等功率部件）的電流承載能力。同時(shí)，由于高壓電器盒中正負(fù)雙回路原理形式以及高壓互鎖回路、開蓋保護(hù)回路、信號(hào)檢測回路、繼電器控制等回路的存在，使得電氣設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，回路交叉嚴(yán)重，易造成工作不穩(wěn)定且使用安全性較低。王大然等[9]（圖8）采用高壓PCB板與外部高壓線束連接，保證了高壓系統(tǒng)電氣間隙和爬電距離，提高電流承載能力，通過利用低壓連接器和高壓連接器使線束端與高壓PCB板連接，從而實(shí)現(xiàn)各電路高壓互鎖功能，簡化了裝配工藝，提升總成安全性能，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和使用安全性。于林等[3]（圖2）也在高壓電器盒內(nèi)使用多層線路板，有效減小線束的布局混亂狀況，節(jié)省空間，提高了集成度。江帆等[10]（圖9）則針對(duì)高壓電器盒大多存在體積過大、質(zhì)量過重問題采用柔性電路板作為電路元件，并設(shè)置與高壓電氣功能對(duì)應(yīng)的電子器件，能在減小電氣盒質(zhì)量、體積的同時(shí)，確保裝置的使用效果。

圖8 一種線路板式高壓電器盒的爆炸結(jié)構(gòu)圖

圖9 柔性電路板的結(jié)構(gòu)示意圖

6 高壓電器盒的集成化、智能化

未來高壓控制部分發(fā)展將高度集成化，以降低整車成本，提升產(chǎn)品高可靠性。電動(dòng)汽車用電機(jī)控制器、DC轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)以及高壓盒等4個(gè)部件分立設(shè)計(jì)使得電磁干擾多、復(fù)雜程度高，存在較高的安全隱患。針對(duì)上述問題，電機(jī)控制器、DC轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)以及高壓電器盒三合一或四合一集成電氣總成控制系統(tǒng)，不僅可提高零部件的利用率和安全性，還可降低整車的電磁干擾[11]（圖10）。同時(shí)，為提高高壓電器盒的安全性，高壓電器盒也不斷增加故障診斷功能而實(shí)現(xiàn)智能化。

圖10 集成化高壓電器盒

7 結(jié)論

總之，高壓電器盒為電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)提供充放電控制、高壓部件上電通斷控制、電路過載/短路保護(hù)、高壓采樣、低壓控制等功能，保護(hù)和監(jiān)控高壓系統(tǒng)的運(yùn)行，不僅要滿足其安全可靠性和屏蔽性，高壓電器盒的密封、散熱、防瞬間大電流沖擊、過載保護(hù)也非常重要。為降低電氣設(shè)計(jì)復(fù)雜性，線路板和柔性線路板也開始在高壓電器盒中得到應(yīng)用。通過高壓電器盒與電機(jī)控制器、DC轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)集成化，可以降低整車成本，提升產(chǎn)品的可靠性。高壓電器盒的智能化將進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車的安全性。