纯电动汽车高压电气系统安全设计介绍

一、纯电动汽车电气系统安然阐发

纯电动轿车电气系统主要包括低压电气系统、高压电气系统及 CAN 通讯信息收集系统。

1、低压电气系统采纳 12 V 供电系统，除了为灯光照明系统、娱乐系统及雨刷器等老例低压用电器供电外，还为整车节制器、电池治理系统、电机节制器、DC/DC 转换器及电动空调等高压附件设备节制回路供电；

2、高压电气系统主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC 电压转换器、电动空调、电暖风、车载充电系统、非车载充电系统及高压电安然治理系统等；

3、CAN 总线收集系统用来实现整车节制器和电机节制器、以及电池治理系统、高压电安然治理系统、电动空调、车载充电机和非车载充电设备等节制单元之间的互相通信。

图a 高压配电盒

纯电动汽车电压和电流等级都对照高，动力电压一样平常都在 300～400 V（直流），电流瞬间能够达到几百安。人体能遭遇的安然电压值的大年夜小取决于人体容许经由过程的电流和人体的电阻。有关钻研注解，人体电阻一样平常在 1 000～3 000 Ω。人体皮肤电阻与皮肤状态有关，在干燥、清洁及无破损的环境下，可高达几十千欧，而湿润的皮肤，分外是受到操作的环境下，其电阻可能降到 1 000 Ω 以下。因为我国安然电压多采纳 36 V，大年夜体相称于人体容许电流 30 mA、人体电阻 1 200 Ω的环境。以是要求人体可打仗的电动汽车随意率性 2 处带电部位的电压都要小于 36 V。根据国际电工标准的要求，人体没有任何感到的电流安然阈值是 2 mA，这就要求人体直接打仗电气系统任何一处的时刻，流经人体的电流应该小于2 mA 才觉得整车绝缘合格。

是以，在纯电动汽车的开拓历程中，应分外斟酌电气系统绝缘问题，严格按照电动汽车相关国标标准要求设计，确保绝缘电阻能够满意人身安然需求，包管绝缘电阻值大年夜于 100 Ω/V。

二、电动汽车高压电气系统安然设计概述

相对付传统汽车而言，纯电动汽车采纳了大年夜容量、高电压的动力电池及高压电机和电驱动节制系统，并采纳了大年夜量的高压附件设备，如：电动空调、PTC 电加热器及 DC/DC 转换器等。由此而暗藏的高压安然隐患问题和造成的高压电危害问题完全有别于传统燃油汽车。

根据纯电动汽车的特殊布局及电路的繁杂性，并斟酌纯电动汽车高压电安然问题，必须对高压电系统进行安然、合理的筹划设计和需要的监控，这是电动汽车安然运行的需要包管。

1、高压系统构成

图1示出纯电动汽车高压系统框图。作为纯电动汽车高压系统安然治理的单元，合理的功能结构和安然靠得住的节制策略是实现该系统功能的紧张包管。

图1 纯电动汽车高压系统框图

2、高压电气安然系统的总目标

高压电气系统节制与安然治理和故障诊断的总目标是确保纯电动汽车在静止、运行及充电等全历程的高压用电安然。

三、高压电气系统安然设计

根据纯电动汽车安然标准要求，并从车载储能装配、功能安然、故障保护、职员触电防护及高压电安然治理节制策略等方面综合斟酌，应对电动汽车高压电系统进行以下四方面设计。

1、 高压电电磁兼容性设计

因为纯电动汽车上存在高压交流系统，具有较强的电磁滋扰性，是以高压线束设计时电源线与旌旗灯号线只管即便采纳隔离或分开配线；电源线两端斟酌采纳隔离接地，以免接地回路形成合营阻抗耦合将噪声耦合至旌旗灯号线；输入与输出旌旗灯号线应避免排在一路造成滋扰；输入与输出旌旗灯号线只管即便避免在同一个接头上，如不能避免时应将输入与输出旌旗灯号线错开放置。

2、 高压部件和高压线束的防护与标识设计

高压部件的防护主要包括防水、机器防护及高压警告标识等。尤其是部署在机舱内的部件，如电机及其节制系统、电动空调系统、DC/DC 电压转换器、车载充电机等及它们中心的连接接口，都必要达到必然的防水和防护等级。并且高压部件应具有高压危险警告标识，以警示用户与维修职员在保养与维修时留意这些高压部件。

因为纯电动汽车线束包括低压线束与高压线束，为提示和警示用户和维修职员，高压线束应采纳橙色线缆并用橙色波纹管对其进行防护。同时高压连接器也应标识为橙色，起到警示感化，并且所选高压连接器应达到 IP67 防护等级。

3、预充电回路保护设计

由于高压设备节制器输入端存在大年夜量的容性负载，直接接通高压主回路可能会孕育发生高压电冲击，故为避免接通时的高压电冲击，高压系统需采取预充电回路的要领对高压设备进行预充电。图 2 示出纯电动汽车高压系统预充电回路道理图。

图2 纯电动汽车高压系统预充电回路道理图

4、高压设备过载/短路保护设计

当汽车高压附件设备发生过载或线路短路时，相关高压回路应能自动堵截供电，以确保高压附件设备不被毁坏，包管汽车和驾乘职员的安然。是以在高压系统设计中应设置过载或短路的保护部件，如在相关回路中设置保险和打仗器，当发生过载或短路而引起保险或打仗器短路时，高压治理系统会经由过程对打仗器触点和相枢纽关头制打仗器闭合的有效指令进行综合鉴定，若检测出相关电路故障，高压治理系统会发生发火声光报警以提示驾驶员。

5、故障检测与故障处置惩罚措施

1）、绝缘电阻故障处置惩罚

电动汽车电气化程度相对传统汽车要高，此中像电池包、电驱动系统、高压用电帮助设备、充电机及高压线束等在汽车发生碰撞、翻转及汽车运行的恶劣情况（汽车振动、外部情况湿度及温度）影响下，都有可能导致高压电路与汽车底盘间的绝缘机能低落，由此可能造成汽车火警的发生，直接影响汽车驾乘职员的生命安然。是以，在电动汽车高压系统设计时，首先应确保绝缘电阻值大年夜于 100 Ω/V；其次当汽车发生绝缘电阻值低于规定值时，高压治理系统应及时堵截所有的高压回路并发生发火声光报警，并持续必然光阴待本来故障消掉后，汽车才能容许进行下一次上电。高压电路进行绝缘检测详细实施标准参照国标《电动汽车安然要求第 1 部分：车载储能装配》。

2）、电压检测与故障处置惩罚

纯电动汽车的动力滥觞是动力电池，动力电池的电压与其放电能力和放电效率有很大年夜的关系。当动力电池电压处于低电压时仍大年夜电放逐电，将会毁坏高压用电设备并会严重影响电池应用寿命。当检测到电压过高或过低时，应及时堵截相关回路。是以为了保障纯电动汽车在动力蓄电池低压时用电器及动力蓄电池和驾乘职员的安然，必要设计电压检测电路对高压电路系统事情电压进行实时准确的检测和安然合理的故障处置惩罚

3）、电流检测与故障处置惩罚

汽车因为受到运行蹊径情况及驾驶员操控的影响，汽车运行状态会随时发生变更，动力电池的放电电流会随驾驶员的操控而发生显着变更。当电流跨越预设定的容许范围，就会引起温度过分升高，此时不仅影响电池的寿命，而且极度环境下还会引起非常的反映，造成汽车功率器件的毁坏，危及汽车高压系统安然。是以，这就要求高压治理系统需对动力电池实时进行电流监控，当检测到电流非常时，高压治理系统将会及时堵截所有高压回路并发生发火声光报警，提示驾乘职员和其他汽车。为了前进丈量的准确度和正确度，文章拔取霍尔式电传布感器对动力电池充放电电流进行检测，如图 3 示出霍尔式电传布感器道理图。

图3 霍尔式电传布感器道理图

4）、高压打仗器触点状态检测与故障处置惩罚

为实现纯电动汽车的节制功能和高压电路的可自行堵截保护功能，在电动汽车的高压系统中必须设置设置设备摆设摆设可节制的并且有自我保护堵截高压回路功能的高压打仗器。根据整车设计的需求，任何电动汽车在动力主回路中都邑设置设置设备摆设摆设高压打仗器，假如高压打仗器触点发生闭合或断开掉效时，没有响应的精确处置惩罚要领应对，将有可能引起不正常的节制而造成汽车不能正常启动或不能启动。严重的环境下，将会给汽车和人身安然造成危险。鉴于上述问题的严重性，应对高压打仗器触点状态进行安然有效的实时监控，并对故障进行处置惩罚。当高压打仗器触点发生闭合或断开掉效故障时，高压治理系统会发生发火声光报警，以提示操作职员并根据故障的级别节制汽车是否可进行其他操作。

5）、高压互锁回路检测及故障处置惩罚

高压回路互锁功能设计是针对高压电路连接的靠得住程度提出的。危险电压闭锁回路也称为高压互锁回路（HVIL）,它是一个范例的互锁系统，经由过程应用电气的旌旗灯号，来反省全部模块、导线及连接器的电气完备性 。当高压安然治理系统检测到某处连接断开或某处连接没有达到预期的靠得住性时，安然治理系统将直接或经由过程整车节制器堵截相关动力电源的输出并发生发火声光报警,直到该故障完全扫除。如图 4 示出高压互锁回路检测道理图。

图4 高压互锁电路检测道理图

6）、 充电互锁检测及故障处置惩罚

出于安然斟酌，充电时，全部驱动系统都必要处于断电状态，即驱动系统高压打仗器需处于断开状态，当高压安然治理系统接管到有效的充电信息指令后，高压治理系统首先检测驱动系统相关打仗器是否处于断开状态。若处于断开状态则闭合充电回路相关打仗器。否则，充电打仗器将不会闭合，高压治理系统将发生发火声光报警以提示相关职员，直至故障扫除。

6、高压系统余电放电保护设计

因为高压系统的电机节制器和电动空调等高压部件存在大年夜量的电容。当高压主回路断开时，因高压部件电容的存在，高压系统中还存有很高的电压和电能。为避免对职员和汽车造成迫害，在堵截高压系统后应将电容的高压电经由过程并联在高压系统中的电阻开释掉落。

图b 车载充电机

四、静止停放时安然治理概述

汽车静止停放时，每隔必然光阴（20 s 或 30 s）高压安然治理系统需对高压电网系统进行 1 次绝缘丈量，即判别高压电网系统有无绝缘故障，全部高压回路系统包括动力电池内部、动力线、电驱动系统（电机节制器和电机三相线）及连接高压设备附件的导线。当检测到有绝缘故障且故障不停存在时，仪表便会显示绝缘故障唆使，以提示驾驶员。

五、碰撞安然概述

平日，电动汽车采纳了高达 400 V 阁下的大年夜容量动力电池作为驱动汽车的动力源，因而电力未堵截的动力电池会对汽车和职员造成不容漠视的要挟和危害 。若汽车在行驶历程中发生碰撞、翻腾或在充电状态中被其他汽车撞击等意外变乱，将会使动力电池组、高压用电设备及高压线束等与车身之间发生摩擦或打仗，造成潜在的绝缘掉效和短路等危险。为避免因为上述状况而引起的汽车安然问题，可经由过程一些相关的传感器（如碰撞传感器、角度传感器）来检测汽车的状态，当高压治理系统接管到相关传感器发出的信息后，急速关闭高压电，并使用高压系统余电放电电路将汽车高压部件电容真个电压在 1 s 内放掉落，避免火警或泄电变乱引起的职员触电变乱的发生 。

六、结论

经由过程介入大年夜量的电动汽车开拓项目设计，文章对多个研发项目中纯电动汽车高压电系统呈现的故障及存在的安然隐患进行阐发，并提出一整套针对高压电系统安然防护、故障处置惩罚及碰撞安然的设计规划，对纯电动汽车高压系统安然设计具有必然的参考意义。