新能源電動汽車高壓安全系統分析及優化方案

摘要：分析新能源電動汽車高壓安全系統現狀，討論高壓安全系統故障檢測及動力電池高壓繼電器切斷后母線上殘存電量的處理方法，剖析其存在的風險。并提出一種新能源電動汽車高壓安全系統設計方案。在不增加成本的基礎上補充和優化現有高壓安全系統，使得母線電壓得到完全的泄放。經有效的實測驗證該方案能夠快速有效的泄放母線電壓，提高電動汽車高壓安全性能，進一步降低觸電風險。

關鍵詞：新能源電動汽車;高壓安全系統;故障檢測;快速泄放;安全性能;觸電風險

0引言

近年來，能源危機和環境污染日趨嚴重，這與汽車工業的飛速發展有著密切的聯系，當前發展高效、節能、零排放的新能源電動汽車已成為汽車工業發展的必然趨勢[1]。這就對新能源電動汽車提出了越來越高的要求。不僅要求其環保節能，而且其安全性一定要得到充分的保證[2]。

電動汽車高壓安全一直是人們所關注的重點問題，當車輛發生絕緣或者其他漏電風險時，動力電池會快速切斷高壓繼電器，防止觸電事故發生。但即使高壓繼電器斷開，由于電機控制器母線電容的存在，使得母線上還殘存一定電量。目前市場上在售的新能源主要車型大都是高壓系統，額定電壓大都達到300 V或以上，最高電壓基本在400 V以上。而像比亞迪部分車型電壓甚至達到了600多伏。電動汽車安全要求B級電壓電路直流電壓小于60 V，即使是殘存的電量也是能夠對人體產生嚴重的傷害，因此對新能源電動汽車高壓安全系統研究具有極其重要的意義[3-5]。

1 新能源電動汽車高壓安全系統分析

1.1 高壓安全回路

新能源電動汽車高壓系統大都采用并聯結構，其主要包括動力電池組、電驅動系統、DC-DC電壓變換器（ DC-DC）、電動空調壓縮機、加熱系統（PTC）、高壓分線盒、車載充電系統等。如下圖1所示：

K0：高壓正極繼電器

K1：預充繼電器

K2：高壓負極繼電器

r0：預充電阻

MCU：電機控制器

電動汽車高壓回路中有兩個儲電器件，高壓動力電池和電機控制器，動力電池為整車提供動力，根據車型的不同存儲的電量有較大差異，多達幾十度電。電機控制器為保護IGBT模塊，設計有1000μf左右薄膜電容。薄膜電容中也可能存有一定電量。若某一線路斷開，高壓帶電部分暴露，高壓負載和動力電池又是并聯結構，不管動力電池高壓繼電器是否處于閉合狀態，整個高壓系統都可能處于帶電狀態。

1.2 高壓安全系統故障檢測

高壓安全系統故障檢測存在于整個車輛工作過程中，車輛上電完成初始化后，各個高壓部件開始初步檢測自身狀態。若檢測到異常，則禁止高壓連接，上報異常信息提示駕駛員維修檢測。正常情況下，因高壓回路中存在容性負載，先進行預充，當母線電壓達到電池內部電壓的98%以上時，判斷預充成功，正極繼電器閉合，此時整個高壓系統處于待工作狀態。

這時為了保證高壓回路用電安全，避免駕駛員或維修人員和車輛損害，高壓安全系統會實時進行故障診斷，收集整車系統的絕緣電阻阻值、母線電壓、母線電流、三相電流，整車供電等與高壓安全直接或間接相關的物理參數，根據設定的模型綜合判斷車輛故障狀態，并循環實時檢測[6]。

2 高壓安全系統保護

當高壓系統檢測到異常時，整車控制器收集高壓回路故障信息，根據發生故障的嚴重程度和等級作出相應的判斷并發送指令給動力電池管理系統快速切斷高壓繼電器。

2.1 高壓安全系統異常保護動作

整個高壓回路中，當發生絕緣故障、環路互鎖故障、重要節點通訊丟失故障、動力系統扭矩輸出異常故障、短路或車輛發生碰撞時，應及時斷開高壓繼電器，切斷高壓回路電源的供給。

高壓動力電池主正繼電器和主負繼電器斷開，但高壓回路中任殘留一定的電量，大都存儲在電機控制器薄膜電容中。高壓回路中的各個用電設備（負載）并聯在一起。此時，觸碰任意位置都會有觸電風險。目前大都新能源電動汽車涉及高壓殘留電量的泄放做法是當高壓繼電器斷開后利用電機繞組將高壓回路中的電量快速消耗掉。

如下圖二紅色箭頭所示：

在整車下電過程中，整車控制器發出指令給電池管理系統讓其斷開高壓繼電器。電池管理系統先斷開正極繼電器，之后在斷開負極繼電器。并實時將繼電器狀態發送到整車網絡上。整車控制器收到繼電器斷開消息后，檢測電驅系統有無故障，若無故障指令電驅系統進行高壓泄放。

2.2 傳統高壓泄放風險

當車輛發生碰撞、側翻，導致電驅系統損壞，或者因電機控制器、電機發生異常斷高壓時，電驅系統的主動泄放就不再起作用，只能通過泄放電阻進行被動泄放，而被動泄放的時間較長，導致人觸有電風險。這種情況發生的概率較大，不滿足電動汽車安全要求。如下圖三所示為某純電動汽車被動泄放示意圖：

2.3 優化方案分析

本文探討一種新型高壓泄放策略，在原有電機控制器主動泄放的基礎上，輔以其他高壓負載，在電驅系統異常不能進行主動泄放時，其他高壓負載也可將母線電壓泄放到安全電壓以下，提高整車高壓系統安全性，降低人員觸電風險。

輔助泄放高壓負載：DCDC變換器、PTC或者空調壓縮機。如下圖四紅色箭頭所示：

當高壓繼電器斷開后，整車控制器收集并判斷各個高壓用電器狀態，再發指令給各個高壓用電器進行電壓泄放。其主要過程如下：（1） BMS斷開高壓繼電器并將其高壓繼電器狀態反饋到整車CAN網絡上。（2） VCU通過整車網絡收到高壓繼電器斷開信息和各高壓用電器反饋的自身狀態，綜合判斷能進行主動泄放的高壓負載。（3） VCU發送泄放指令給高壓負載，（4）高壓負載進行高壓泄放并實時判斷母線電壓。當母線電壓低于60 V時停止泄放;具體流程圖見圖5。

3 測試結果和分析

基于上述新型高壓泄放策略，將其應用到實車上進行標定測試，由下圖六可以看出，當電驅系統發生故障時，其他高壓負載輔助泄放，泄放時間大大減少，降低到192 ms左右，完全滿足電動汽車安全要求。

4 結論

實測證明，在原有電驅系統主動泄放的基礎上，輔以其他高壓負載可有效降低主動泄放的時間，且主動泄放的失效率也大大降低，提高新能源電動汽車的安全性。

參考文獻：

[1]邊耀璋，汽車新能源技術[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]裴春松，純電動汽車電安全分析與設計[J].客車技術與研究，2012（1）：20-22.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T18384.1-2001電動汽車安全要求第1部分：車載儲能裝置[S].北京：中國標準出版社，2001.

[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T18384.2-2001電動汽車安全要求第2部分：功能安全和故障防護[S].北京：中國標準出版社，2001.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T18384.3-2001電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護[S].北京：中國標準出版社2001.

[6]張俊，謝偉東，純電動汽車高壓回路安全監測系統設計[J].機電工程：1001-4551（2013）03-0364-04.

作者簡介：

陶文勇，（1993-），奇瑞新能源汽車研究院電驅系統軟件工程師。