純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池高壓安全設計

為延長(cháng)續駛里程，給車(chē)內提供舒適的溫度環(huán)境，純電動(dòng)汽車(chē)設計時(shí)會(huì )選用大容量、高電壓的動(dòng)力電池，這就使得純電動(dòng)汽車(chē)的高壓安全隱患和其造成的高壓電傷害高于傳統燃油汽車(chē)。因此，在動(dòng)力電池電路設計上，不僅要考慮安全、合理的硬件設計，還須增加動(dòng)力電池重要數據的監測，以保證人員與車(chē)輛的安全。本文將對動(dòng)力電池包電路進(jìn)行安全設計。
1 動(dòng)力電池電路功能設計
我國電動(dòng)汽車(chē)( 包括純電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē)) 高壓系統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(dòng)汽車(chē)設計中，為滿(mǎn)足車(chē)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，這就在設計動(dòng)力電池電路時(shí)需要同時(shí)滿(mǎn)足防止上電瞬間電沖擊、絕緣電阻監測、高壓回路互鎖監測、短路及過(guò)流保護等功能要求。
2 動(dòng)力電池電路安全設計
通常情況下，與動(dòng)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(dòng)力電池包內。由于部分車(chē)企在設計時(shí)借用傳統燃油汽車(chē)底盤(pán)，致使動(dòng)力電池受到整車(chē)尺寸及安裝位置的影響，在車(chē)上可用空間很有限，導致動(dòng)力電池包內無(wú)法放下各類(lèi)接觸器及熔斷器。又因動(dòng)力電池的能量密度與國家的補貼政策相關(guān)，所以動(dòng)力電池包內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(dòng)力電池包外部的高壓分線(xiàn)盒中。圖1 為純電動(dòng)汽車(chē)蓄電池包典型結構圖。

圖1 動(dòng)力電池包典型結構
2. 1 防止上電瞬間電沖擊設計
高于60 V 的高壓系統，上電應有一個(gè)100 ～ 700ms 的“緩”過(guò)程，即預充電過(guò)程。否則，瞬時(shí)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載會(huì )造成損傷，甚至造成主正、主負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(dòng)力電池維修人員觸電危險。
預充電回路就是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC 電路，當BMS 接收到VCU 發(fā)送的高壓上電信號后，控制主負、預充繼電器閉合進(jìn)入預充過(guò)程。在預定的時(shí)間內，BMS 檢測到預充電電壓達到電池總壓的90%～ 98%后，且此時(shí)電流下降到1 A 左右。隨后，BMS 通過(guò)控制主正、預充繼電器的通、斷，實(shí)現預充電回路與高壓用電回路的切換。如果在預定的時(shí)間內未完成預充電，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(dòng)力電池包內部電路原理圖。

圖2 動(dòng)力電池包內部電路原理圖
2. 2 絕緣電阻監測
評價(jià)電動(dòng)汽車(chē)絕緣安全性?xún)?yōu)劣的重要指標就是絕緣電阻。國標中明確說(shuō)明電動(dòng)汽車(chē)的絕緣狀況以絕緣電阻值來(lái)衡量。電動(dòng)汽車(chē)高壓動(dòng)力系統是一個(gè)獨立的系統，高壓動(dòng)力系統與車(chē)殼之間的當量絕緣電阻是一個(gè)動(dòng)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(zhù)車(chē)輛行駛路況和周?chē)h(huán)境不同而變化。動(dòng)力電池內部高壓電路設計時(shí)應保證絕緣電阻值與電池標稱(chēng)電壓的比值不小于100 Ω/V，并對該參數量進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。
由振動(dòng)、沖擊及動(dòng)力電池腐蝕性液體、氣體等造成高壓動(dòng)力線(xiàn)絕緣層損傷，或因老化、磨損、受潮而導致動(dòng)力電池與車(chē)體間的微短路，不僅降低動(dòng)力電池絕緣數值，而且還會(huì )產(chǎn)生額外的熱量積聚效應，嚴重時(shí)甚至引起火災。因此，動(dòng)力電池上高壓電之前，BMS 應對電池包的絕緣情況進(jìn)行判斷，若滿(mǎn)足100Ω/V 或更高要求，方可高壓上電; 若不滿(mǎn)足，則BMS須向VCU 上報絕緣故障，嚴禁上高壓電。倘若行車(chē)過(guò)程中出現絕緣值低于設定值，則BMS 須向VCU 上報故障，進(jìn)行相應斷電并停車(chē)處理，確保人員與車(chē)輛安全。
2. 3 高壓回路互鎖監測
高壓互鎖是通過(guò)使用低電壓信號來(lái)檢查電動(dòng)汽車(chē)上所有高壓器件與高壓動(dòng)力線(xiàn)相連及防護蓋的電氣連接完整性。當BMS 識別回路異常斷開(kāi)時(shí)，及時(shí)斷開(kāi)高壓電，確保人員安全和車(chē)輛設備的安全運行。
為實(shí)時(shí)監測動(dòng)力電池對外高壓動(dòng)力線(xiàn)連接器的可靠連接，一般會(huì )在高壓動(dòng)力線(xiàn)連接插頭上并聯(lián)一路高壓互鎖，同時(shí)將動(dòng)力電池上的所有高壓接插件互鎖回路串聯(lián)起來(lái)。在物理連接時(shí)，高壓用電回路先構成電路; 而在拔斷時(shí)，則是高壓互鎖回路先斷開(kāi)。
BMS 在執行VCU 發(fā)送的上電命令時(shí)，必檢測高壓互鎖回路*，才能通過(guò)控制繼電器的動(dòng)作，接通高壓供電回路，否則上報故障且不執行上電命令。在車(chē)輛正常行駛過(guò)程中，也要不間斷監測高壓互鎖回路情況，一旦發(fā)現存有故障，立即進(jìn)入相應的故障處理模式。
2. 4 短路及過(guò)流保護設計
電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，由于用電器件所需功率需求不同，導致各分支電路上的電流大小不同，動(dòng)力電池作為動(dòng)力源，其流過(guò)的電流是所有分支電流之和。為保證電池使用安全，在設計過(guò)程中應對電池包內的電流進(jìn)行監測，一旦發(fā)現電流過(guò)大或電池包內部短路，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(guò)流或短路電流而產(chǎn)生熱效應導致線(xiàn)束燒壞、起火燒車(chē)的現象發(fā)生。
對于電流監測，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(huì )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(huì )隨溫度的變化而變化，導致采集誤差?；魻杺鞲衅骶哂芯雀?、線(xiàn)性好、無(wú)須電氣隔離裝置、響應時(shí)間快、無(wú)電壓損耗等優(yōu)勢而廣泛應用于動(dòng)力電池包內的電流監測。
霍爾傳感器的安裝位置應在主負繼電器之前( 如圖2) ，動(dòng)力電池無(wú)論處于充電還是放電狀態(tài)，均能監測到電流。采用這種布置方式也是基于監測電池利用自身電能進(jìn)行加熱過(guò)程中電流的考慮，否則無(wú)法監管電池加熱過(guò)程的安全。
當電路發(fā)生短路時(shí)，為了保證車(chē)輛和人員安全，應迅速斷開(kāi)電路。通過(guò)霍爾傳感器的監測上報給BMS，BMS 再通過(guò)控制主正、主負繼電器斷開(kāi)用電回路，這一系列過(guò)程不僅比熔斷器熔斷繁瑣耗時(shí)，還不能達到快速切斷電路要求。因此，在動(dòng)力電池電路中增加短路熔斷器尤為重要。如果動(dòng)力電池包為單包，則選擇合適的熔斷器安裝在主回路中，便于結構布置。
若動(dòng)力電池包為多包，則應選擇帶有相匹配熔斷器的維修開(kāi)關(guān)，安裝在動(dòng)力電池模組之間，既方便電池維修拆裝時(shí)斷電保護，又便于熔斷器熔斷后的更換。
3 結束語(yǔ)
本文介紹了動(dòng)力電池內部高壓安全設計時(shí)應注意的事項，從而確保純電動(dòng)汽車(chē)的安全性。