Plug-in混合動力汽車高壓系統安全設計

鄧海文　劉金配　羅儒　戴永強　黃祖朋　邵杰

摘 要：本文介紹了Plug-in混合動力汽車高壓系統的組成，從電氣安全、布置安全、控制管理三個方面對高壓系統安全設計進行分析，為混合動力高壓系統安全設計提供了方法和思路。

關鍵詞：電動汽車 高壓 安全

Safety Design of the Plug-in High-voltage System of Hybrid Vehicle

Deng Haiwen Liu Jinpei Luo Ru Dai Yongqiang Huang Zupeng Shao Jie

Abstract：This article introduces the composition of plug-in hybrid electric vehicle high voltage system， analyzes the high voltage system safety design from three aspects of electrical safety， layout safety， control management， and provides methods and ideas for the safety design of hybrid high voltage system.

Key words：electric vehicle， high-voltage， safety

1 前言

隨著電動汽車技術的發展，越來越多的電動車已經走向市場。相比純電動汽車，混合動力汽車的低使用成本和高續駛里程更容易被消費者接受[1]。但電動汽車的安全問題一直是制約和阻礙電動車發展的重要因素，消費者對混合動力汽車也一樣懷著遲疑和謹慎的態度[2，3]。因此，高壓系統安全是混合動力汽車設計時必須研究和解決的問題。本文從系統設計的角度出發，對Plug-in混合動力汽車的高壓系統設計提出安全要求，保障電動汽車安全運行和使用。

2 Plug-in高壓系統組成

如圖1所示，Plug-in的高壓系統從功能上劃分成6個高壓子系統，分別為動力蓄電池系統、驅動系統、發電系統、充電系統、附件系統和高壓配電系統。

3 Plug-in高壓系統安全分析

高壓系統的安全包括各子系統的電氣安全、布置安全和安全管理三個方面，子系統安全直接影響了電動汽車的安全性和可靠性。與純電動汽車相比，Plug-in混合動力汽車不僅僅是多了一套發電系統，它在電氣安全、布置安全和安全管理方面提出了更高的要求。

3.1 電氣安全

高壓電氣原理用于表達高壓系統中零部件之間的電氣關系，是高壓系統安全工作的基礎。高壓電氣原理安全合理，確保高壓子系統的相互協調和獨立工作，當非關鍵子系統發生故障時，應不危害或影響其他的子系統正常工作。

高壓子系統一般不具備自主的備短路和過流保護能力，發生過流或短路時，需要高壓電氣系統各零部件能及時切斷高壓電氣回路，保證高壓零部件的安全。

高壓配電盒是負責高壓子系統電氣連接的關鍵部件。高壓配電系統負責高壓系統中其他子系統的電氣連接，以及動力蓄電池系統、驅動系統、發電系統和附件系統的安全。當系統回路發生短路和過流故障時，通過熔斷器切斷該系統的電氣連接，以保護系統設備的安全。高壓配電系統中的單芯電纜、熔斷器和繼電器等，其耐電壓等級應大于高壓電氣系統的電壓平臺。并且，高壓系統中的電器元件的交流電壓平臺和直流電壓平臺要相對應。

高壓互鎖檢測是檢測高壓系統回路的電氣連接是否正常，開蓋檢測用于檢測高壓系統零部件是否被打開[4]。當高壓系統工作時，必須保證高壓系統的電氣回路的連接是可靠的，高壓零部件是完整密閉的。否則將造成系統的高壓電外露和系統零部件的工作不正常，嚴重時可能會產生電擊和零部件損壞。

動力蓄電池是整個高壓系統的核心，它的安全由電池管理系統（BMS）和整車控制器（VCU）負責監控和協調，應注意以下幾點：（1）動力蓄電池的總正、總負應設置繼電器，用于動力電池的上下電管理。（2）動力蓄電池主回路中設置快速熔斷器，實現過流保護。還應設計電流檢測，以實時檢測高壓系統的電流大小，當發生短路或過流時，及時的斷開回路。（3）動力蓄電池應設計過充過放檢測，以防止過充或過放對蓄電池造成傷害，危害高壓系統安全。（4）動力蓄電池應具備溫度檢測能力，確保動力蓄電池的電芯處于正常工作的溫度。（5）高壓電氣系統應具備實時絕緣檢測能力，防止高壓系統的絕緣失效造成的危險。

3.2 布置安全

高壓系統的布置安全是指高壓系統在布置時，其機械性能、環境性能需滿足系統的安全工作要求。高壓電氣系統的布置安全首要原則為安全可靠，此外，還需滿足整車的機械性能和環境性能。機械性能包括以下幾個方面：彈性、塑性、剛度、時效敏感性、強度、硬度、沖擊韌性、疲勞強度和斷裂韌性等;環境性能包括以下幾個方面：高溫、低溫、溫度、濕度、鹽霧、振動、噪聲等。在不同的布置環境下，高壓系統的性能應不受影響。

3.3 控制管理

控制安全是指高壓系統在高壓控制和高壓管理的邏輯上要滿足高壓系統的電氣安全和整車的行駛安全要求。

電機控制和空調壓縮機等高壓零部件一般為容性負載，初始上電時應對高壓容性負載進行預充電[5]，防止瞬態電流對零部件和電路進行沖擊。只有當預充電完成后，才可以閉合主回路的繼電器，當主回路的繼電器閉合后，再斷開預充繼電器，此時，容性負載回路的上電才算完成。高壓系統零部件上電時，應考慮高壓繼電器的動作時間和觸點彈跳時間，確保高壓繼電器正常接合后，再進行下一步的操作。預充時，除考慮預充過程時間外，還應判斷預充電路的電壓是否達到端電壓的90%以上，以確認預充電是否完成。當兩個條件都滿足時，才能閉合零部件的繼電器。高壓系統的上電邏輯順序如圖2所示。

高壓系統零部件下電時，需考慮高壓繼電器的復位時間。程序執行關聯的繼電器下電時，應預留足夠的延時時間，確保高壓繼電器正常斷開后，再進行下一步的操作。高壓系統的下電邏輯順序如圖3所示。

高壓電氣系統在工作時，對高壓系統的安全和用電管理進行實時監控。包括動力蓄電池系統信息、驅動系統信息、充電系統信息和附件系統信息等。同時根據各子系統的運行信息和整車狀態來進行用電管理和故障診斷，確保高壓系統的運行安全。

高壓系統在運行時，只有在安全狀態和用電需求滿足響應條件時，才能執行相關的上下電動作，當不滿足上下電響應條件時，應拒絕執行相關動作，并發出警告信號[5]。如系統運行時，突然將鑰匙開關打至OFF檔，此時高壓系統不應立即下電，應按正常的下電邏輯，斷開用電零部件的高壓繼電器后，再依次斷開電池包的總正、總負繼電器。

當電動車高壓電氣系統零部件損壞或進行維修時，高壓電氣系統進入故障模式。在故障模式下，高壓電氣系統的安全至關重要。在此情況下，高壓電氣系統應根據故障等級的高低，優先響應處理安全等級高的請求，再依次響應處理安全等級低的請求。根據故障等級的不同，高壓系統可以部分限制或停止高壓電氣系統的輸出和響應。

4 結束語

混合動力系統安全設計關系著混合動力汽車的安全和發展，只有在實踐中不斷的探索，重視和研究混合動力汽車高壓系統安全技術，才能讓電動汽車的未來更為光明。

基金項目：廣西科技計劃資助項目（桂科AC16380043）;柳州市科技計劃資助項目（2019AD10202）

參考文獻：

[1]姜思君，陳俊杰，曲函師，馮海濤，賈國瑞，孫博. 混動汽車性能與控制策略對標方法研究[C]. 中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）.2019中國汽車工程學會年會論文集（2）.中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）：中國汽車工程學會，2019：320-325.

[2]方凱正，陳佚，劉沙，郭苑，胡苧丹.新能源汽車安全分析及發展建議[J].汽車實用技術，2020（04）：16-18.

[3]張世偉.淺談混合動力電動汽車的發展策略[J].中國設備工程，2019（22）：205-206.

[4]黃義勇，李德貴，申慧君.基于“安全策略”的電動汽車高壓互鎖系統研究[J].汽車維修，2020（02）：2-4.

[5陶文勇.新能源電動汽車高壓安全系統分析及優化方案[J].電子產品世界，2020，27（06）：56-58.