電動汽車動力電池系統電連接的研究

朱楚梅，康森源

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司，湖南 長沙 410100）

近年來隨著新能源汽車的日益發展，積極響應國家節能減排，發展循環經濟的號召，車企研發了使用電力作為汽車的動力來源的電動汽車。電動汽車的三電系統之一——高壓電池系統，是一個復雜的集成體，由電芯模組、BMS（電池管理系統）、高壓配電盒、MSD、電連接、結構件和上下殼體組成。其中電連接包含高壓電連接和低壓電連接，低壓電連接作為電池電氣系統的神經網絡，實時傳輸各類檢測信號和控制信號；高壓電連接作為電池電氣系統的動脈，實時將電池的動力提供給各個驅動部件，高低壓電連接共同為電動汽車的安全運行提供保證。

1 動力電池電連接技術概述

1.1 動力電池的電壓平臺

電動汽車與傳統車的最大區別在于其工作電壓平臺高達幾百伏，遠遠高于人體安全電壓，且高壓系統工作時放電電流有可能達到數十安，甚至高達上百安［1］。參照相關國家標準，將按照系統的最大工作電壓U，將電氣元件或電路分為A、B兩個等級［2］，如表1所示。根據電壓級別A涉及動力電池系統低壓電連接，電池級別B涉及動力電池系統高壓電連接。

表1 電壓等級

1.2 動力電池系統的電氣連接

動力電池系統的電氣連接形式如圖1所示，模組與模組間、模組與高壓配電盒間屬于高壓電氣連接，起到傳遞電流的作用，通常顏色為橙色；而模組的溫度、電壓信號以及高壓配電盒的低壓控制回路信號屬于低壓電氣連接，起到采集數據、監測和通信的作用，高低壓電氣連接系統有效保障了動力電池系統的安全運行。

圖1 動力電池系統的電氣連接

2 低壓電連接系統的設計

2.1 低壓電連接系統的技術要求

相比較傳統低壓線束，動力電池系統的低壓連接具有以下特點。

1）輕量化。隨著政府補貼與能量密度的掛鉤，動力電池輕量化壓力更一步加大，動力電池企業對所有結構件 （包括線束）均設計新方案、新材料和新工藝用來提升電池的能量密度。

2）體積小。為了提高電池體積比能量，最大程度地利用每一寸空間，因此線束排布需要更加緊湊。

3）便于自動化生產。由于傳統線束需要大量繁雜的人工排線工作，局限了動力電池的大規模生產，因此亟待開發適合機械規模化的技術方案。

4）可靠性高。高、低壓線束同時布置在動力電池中，需要有效規避高壓線束對低壓產生干擾的風險，以保障電連接與控制模塊的正常通信功能。

5）成本優。動力電池成功實現規模推廣，首先必須通過控制的是電池成本，只有過好“成本關”，才能讓電動車具有與燃油車相當的競爭力。

2.2 低壓電連接系統設計

低壓電連接是動力電池內部信號的采集系統和傳輸網絡，首先通過電壓端子和溫度端子采集各電芯模組的電壓和溫度信號，并將各類信號傳輸給控制模塊。2.2.1 低壓電連接系統行業通用技術路線

動力電池內低壓電連接的設計與傳統車低壓線束采用的導線、接插件及其選取原則相同，區別在于動力電池內部低壓連接的主要功能是進行信號采集，并集成了監測動力電池溫度和電壓的相關傳感器類部件或者端子。動力電池低壓電連接系統共包含連接和采集兩個部分。其中連接部分包括連接線、接插件和固定卡扣等；采集部分包括采集信號端子、連接線和接插件。而信號端子指溫度采集端子和電壓采集端子，溫度采集端子多為片式線鼻端子，并在線鼻端子中封裝溫度傳感器，而傳感器的數量和焊接位置不同廠家采用不同的方式；電壓采集端子多為裸露的銅線或者線鼻端子，焊接各個在電芯的正負極位置。

2.2.2 技術發展新方向

傳統低壓電連接系統，由于其體積大，擠占電池包空間，且裝配依賴人工，難以實現自動化大規模生產。在動力電池能量密度提升迫切及輕量化勢在必行的情況下，部分廠家使用一種能替代傳統線束的新產品--柔性電路板FPC（Flexible Printed Circuit）。FPC線束形狀規整、體積小，其厚度僅為0.5mm，寬度可依據電池包結構進行定制。FPC通過集成溫度和電壓采集傳感器形成一體化線束，一體化線束不僅能實現電壓和溫度的采集，而且能助力于電池組的自動化生產，提高生產效率。

2.3 布線方式

干涉與間隙檢查，確認線束布置是否滿足不與其他零部件干涉的要求，包括是否線束周圍支架干涉、是否與其他電氣件的連接部位干涉、是否與電池包箱體內側壁干涉、是否與電池上蓋內側面干涉。

3 高壓電連接系統的設計

隨著電動汽車對大功率、大倍率的需求，高電壓和大電流回路是電動汽車的常態，當高壓電路發生絕緣、短路及漏電等情況時，會直接對駕乘人員的人身生命財產安全造成危害［3］。本文從高壓線纜的設計和高壓接插件的設計兩個方面進行分析，使高壓電連接既保證整車驅動需求同時又滿足車輛的安全運行。

3.1 高壓電連接結構設計

通常情況下動力電池高壓線纜承載的電流較大，需要較大橫截面積的線纜，但是動力電池包內空間小，無法提供傳統線纜所需要的裝配空間，因此動力電池使用的導線具有高柔軟性、良好的耐磨性及耐壓性能，業內多采用圖2所示的多層軟銅排。軟銅排是由單片厚度為0.03～0.5mm的紫銅箔疊加而成，銅排兩端采用熱壓工藝進行熱壓，并在熱壓位置直接沖孔，用于銅排與銅排，銅排與模組引出口的連接，安裝快捷方便。導體的外層是絕緣層，由擠塑或者浸塑工藝進行一體成型，絕緣層通常具有較好的耐高溫性以及耐壓性能，通常采用PVC材料。

圖2 多層軟銅排

3.2 導線載流能力設計

根據焦耳定律，導線產生的熱量：

式中：I——流經導線的電流；R——導線的電阻；t——時間。

產熱功率為：

系統散熱有熱傳導、熱對流、熱輻射共3種形式，但是在工程上常采用牛頓冷卻定律進行分析，牛頓冷卻定律指出：導線處于自然冷卻的情況下，導線的溫度高于環境溫度時，導線的散熱的速率和溫度差成正比，即：

式中：kτ——散熱系數；θ0——導線的溫度；θ——環境溫度。

若物體表面散熱處處相等，則物體表面總散熱功率為：

式中：A——散熱面積；kτ——散熱系數。

根據相似理論推導出的散熱系數的計算公式為［4］：

式中：θ0、θ——分別為發熱體和環境溫度，K；εf——發射率；l0——長度

根據熱平衡原理，導線表面達到其穩定狀態時，發熱功率必然等于散熱功率，有下列關系式成立。

因此，導線的過流能力為：

當某項目銅排寬為30mm，厚度為2mm，長為140mm時，且在室溫25℃下，銅排溫升不能超過35℃時，用上述方法算出銅排能恒定流經的電流為115A。

3.3 高壓接插件的選配設計

線束接插件的作用是保證線纜與電器能夠便捷可靠地連接與拆卸［5］。動力電池系統接插件的選型具有以下要求。

1）電性能。為了應對高壓、大電流的使用工況，接插件通過高密度觸片、端子表面鍍銀等技術，增加接插件的接觸面積，降低接觸阻抗，降低電阻耗能。

2）環境性能。工作溫度為-40～125℃，具有IPX7的功能，實現與水的有效隔離，保證車輛涉水等惡劣條件下的安全性，阻燃等級達到UL V0等級。

3）機械性能。接插件有較優的耐振動和沖擊的性能，不發生瞬斷，滿足車規級要求；帶有二次鎖和防誤插功能；并滿足插拔力和插拔次數的要求［5］。

4）帶高壓互鎖功能。高安全性設計性能［6］。

5）防指觸。為了有效防止高壓部分與人員的接觸，應該滿足IPXXB的要求。

6）高耐壓等級。耐壓可達2U+1000VDC，U為動力電池的額定電壓。

4 結束語

電連接系統是新能源電池的關鍵部件。本文分別對動力電池高／低電連接系統進行了系統的介紹，不僅包括低壓電連接系統的設計要求、主流方案、布線方式，而且還介紹了高壓電連接的新型連接方案，并對導線的載流能力進行了計算分析。總的來說，動力電池是蓬勃發展的行業，需要進一步進行技術創新，以推動電連接系統的變革性突破。