純電動汽車動力電池高壓安全設(shè)計

為延長續(xù)駛里程，給車內(nèi)提供舒適的溫度環(huán)境，純電動汽車設(shè)計時會選用大容量、高電壓的動力電池，這就使得純電動汽車的高壓安全隱患和其造成的高壓電傷害高于傳統(tǒng)燃油汽車。因此，在動力電池電路設(shè)計上，不僅要考慮安全、合理的硬件設(shè)計，還須增加動力電池重要數(shù)據(jù)的監(jiān)測，以保證人員與車輛的安全。本文將對動力電池包電路進(jìn)行安全設(shè)計。
1 動力電池電路功能設(shè)計
我國電動汽車( 包括純電動汽車和混動汽車) 高壓系統(tǒng)將直流電壓等級劃分為144 V、288 V、317 V、346 V、400 V、576 V。在純電動汽車設(shè)計中，為滿足車上高壓用電器件的正常工作，電池電壓平臺一般選擇300 V 以上的高壓，即B 級電壓，這就在設(shè)計動力電池電路時需要同時滿足防止上電瞬間電沖擊、絕緣電阻監(jiān)測、高壓回路互鎖監(jiān)測、短路及過流保護等功能要求。
2 動力電池電路安全設(shè)計
通常情況下，與動力電池相關(guān)的高壓器件，例如充放電回路的接觸器及熔斷器等集成在動力電池包內(nèi)。由于部分車企在設(shè)計時借用傳統(tǒng)燃油汽車底盤，致使動力電池受到整車尺寸及安裝位置的影響，在車上可用空間很有限，導(dǎo)致動力電池包內(nèi)無法放下各類接觸器及熔斷器。又因動力電池的能量密度與國家的補貼政策相關(guān)，所以動力電池包內(nèi)除了必要的單體或模組電池、保護電池本身的器件外，為減少電池包重量，其他高壓用電回路的接觸器、熔斷器等均集成在動力電池包外部的高壓分線盒中。圖1 為純電動汽車蓄電池包典型結(jié)構(gòu)圖。

圖1 動力電池包典型結(jié)構(gòu)
2. 1 防止上電瞬間電沖擊設(shè)計
高于60 V 的高壓系統(tǒng)，上電應(yīng)有一個100 ～ 700ms 的“緩”過程，即預(yù)充電過程。否則，瞬時高壓上電產(chǎn)生幾千安培的大電流對用電回路中的容性負(fù)載會造成損傷，甚至造成主正、主負(fù)繼電器粘連而使高壓回路始終處于帶電狀態(tài)，存在駕乘人員、動力電池維修人員觸電危險。
預(yù)充電回路就是一個簡單的RC 電路，當(dāng)BMS 接收到VCU 發(fā)送的高壓上電信號后，控制主負(fù)、預(yù)充繼電器閉合進(jìn)入預(yù)充過程。在預(yù)定的時間內(nèi)，BMS 檢測到預(yù)充電電壓達(dá)到電池總壓的90%～ 98%后，且此時電流下降到1 A 左右。隨后，BMS 通過控制主正、預(yù)充繼電器的通、斷，實現(xiàn)預(yù)充電回路與高壓用電回路的切換。如果在預(yù)定的時間內(nèi)未完成預(yù)充電，則不允許上電，從而保證用電器件及駕乘人員的安全。圖2 為動力電池包內(nèi)部電路原理圖。

圖2 動力電池包內(nèi)部電路原理圖
2. 2 絕緣電阻監(jiān)測
評價電動汽車絕緣安全性優(yōu)劣的重要指標(biāo)就是絕緣電阻。國標(biāo)中明確說明電動汽車的絕緣狀況以絕緣電阻值來衡量。電動汽車高壓動力系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，高壓動力系統(tǒng)與車殼之間的當(dāng)量絕緣電阻是一個動態(tài)變化的物理參量，其大小不僅與高壓用電回路中用電狀態(tài)有關(guān)，而且隨著車輛行駛路況和周圍環(huán)境不同而變化。動力電池內(nèi)部高壓電路設(shè)計時應(yīng)保證絕緣電阻值與電池標(biāo)稱電壓的比值不小于100 Ω/V，并對該參數(shù)量進(jìn)行實時監(jiān)測。
由振動、沖擊及動力電池腐蝕性液體、氣體等造成高壓動力線絕緣層損傷，或因老化、磨損、受潮而導(dǎo)致動力電池與車體間的微短路，不僅降低動力電池絕緣數(shù)值，而且還會產(chǎn)生額外的熱量積聚效應(yīng)，嚴(yán)重時甚至引起火災(zāi)。因此，動力電池上高壓電之前，BMS 應(yīng)對電池包的絕緣情況進(jìn)行判斷，若滿足100Ω/V 或更高要求，方可高壓上電; 若不滿足，則BMS須向VCU 上報絕緣故障，嚴(yán)禁上高壓電。倘若行車過程中出現(xiàn)絕緣值低于設(shè)定值，則BMS 須向VCU 上報故障，進(jìn)行相應(yīng)斷電并停車處理，確保人員與車輛安全。
2. 3 高壓回路互鎖監(jiān)測
高壓互鎖是通過使用低電壓信號來檢查電動汽車上所有高壓器件與高壓動力線相連及防護蓋的電氣連接完整性。當(dāng)BMS 識別回路異常斷開時，及時斷開高壓電，確保人員安全和車輛設(shè)備的安全運行。
為實時監(jiān)測動力電池對外高壓動力線連接器的可靠連接，一般會在高壓動力線連接插頭上并聯(lián)一路高壓互鎖，同時將動力電池上的所有高壓接插件互鎖回路串聯(lián)起來。在物理連接時，高壓用電回路先構(gòu)成電路; 而在拔斷時，則是高壓互鎖回路先斷開。
BMS 在執(zhí)行VCU 發(fā)送的上電命令時，必檢測高壓互鎖回路無故障，才能通過控制繼電器的動作，接通高壓供電回路，否則上報故障且不執(zhí)行上電命令。在車輛正常行駛過程中，也要不間斷監(jiān)測高壓互鎖回路情況，一旦發(fā)現(xiàn)存有故障，立即進(jìn)入相應(yīng)的故障處理模式。
2. 4 短路及過流保護設(shè)計
電動汽車行駛過程中，由于用電器件所需功率需求不同，導(dǎo)致各分支電路上的電流大小不同，動力電池作為動力源，其流過的電流是所有分支電流之和。為保證電池使用安全，在設(shè)計過程中應(yīng)對電池包內(nèi)的電流進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)電流過大或電池包內(nèi)部短路，立即上報故障信息進(jìn)行不同故障等級的處理，從而防止因過流或短路電流而產(chǎn)生熱效應(yīng)導(dǎo)致線束燒壞、起火燒車的現(xiàn)象發(fā)生。
對于電流監(jiān)測，可選分流器和霍爾傳感器。分流器雖然精度比較高，但電流流經(jīng)分流器會產(chǎn)生一定的壓降，存在一定的電能損耗，且分流器需一定的電氣隔離，否則影響測量精度。分流器的電阻也會隨溫度的變化而變化，導(dǎo)致采集誤差?；魻杺鞲衅骶哂芯雀摺⒕€性好、無須電氣隔離裝置、響應(yīng)時間快、無電壓損耗等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于動力電池包內(nèi)的電流監(jiān)測。
霍爾傳感器的安裝位置應(yīng)在主負(fù)繼電器之前( 如圖2) ，動力電池?zé)o論處于充電還是放電狀態(tài)，均能監(jiān)測到電流。采用這種布置方式也是基于監(jiān)測電池利用自身電能進(jìn)行加熱過程中電流的考慮，否則無法監(jiān)管電池加熱過程的安全。
當(dāng)電路發(fā)生短路時，為了保證車輛和人員安全，應(yīng)迅速斷開電路。通過霍爾傳感器的監(jiān)測上報給BMS，BMS 再通過控制主正、主負(fù)繼電器斷開用電回路，這一系列過程不僅比熔斷器熔斷繁瑣耗時，還不能達(dá)到快速切斷電路要求。因此，在動力電池電路中增加短路熔斷器尤為重要。如果動力電池包為單包，則選擇合適的熔斷器安裝在主回路中，便于結(jié)構(gòu)布置。
若動力電池包為多包，則應(yīng)選擇帶有相匹配熔斷器的維修開關(guān)，安裝在動力電池模組之間，既方便電池維修拆裝時斷電保護，又便于熔斷器熔斷后的更換。
3 結(jié)束語
本文介紹了動力電池內(nèi)部高壓安全設(shè)計時應(yīng)注意的事項，從而確保純電動汽車的安全性。