電動專用汽車高壓電氣系統安全設計及故障分析

劉娟娟

比亞迪汽車工業有限公司 廣東深圳 518118

1 前言

和燃油專用汽車相比，電動專用汽車匹配大容量、高電壓的動力電池系統及電驅動系統，而且高壓負載回路中還有其他高壓附件系統，如空調、暖風、DC/DC、交直流充電等，所以電動專用汽車的高壓安全問題就顯得尤為重要。根據高壓系統的復雜及重要度，需要對高壓電系統進行安全的設計和實時監控，這是電動汽車安全運行的必要保證[1]。

高壓電氣系統控制與安全管理和故障診斷的總目標是確保純電動汽車在靜止、運行及充電等全過程的高壓用電安全[2]。降低電氣安全相關故障率，提高客戶使用的便利性和安全性，電氣系統是電動汽車的核心，對純電動汽車的動力性、經濟性、安全性等影響很大，本文主要對高壓電氣系統安全設計和常見故障分析進行概述。

2 電動專用汽車高壓電氣系統安全設計

電動專用汽車的高壓電氣系統主要有電驅動系統、動力電池系統、DC/DC、電動空調、電暖風、交直流充電系統及高壓電安全管理系統等，如圖1所示。高壓系統中動力電池系統為其他系統通過高壓配電系統單元分配后提供能量來源，整車控制器和電機控制器，以及電池管理系統、高壓電安全管理系統、電動空調、車載充電機和非車載充電設備等控制單元通過CAN總線進行相互通信。各高壓系統通過高低壓線束和CAN網絡進行控制和交互。根據純電動汽車安全標準要求，從車載能源、故障保護、人員安全防護及高壓電安全控制策略等方面考慮，應對電動汽車高壓電氣系統進行五方面設計。

圖1 電動專用汽車高壓系統框圖

2.1 高壓系統防護設計

高壓部件的防護主要包括IP防護、機械防護及高壓警告標識等。尤其是布置外露的零部件，如電機驅動系統、電動空調、DC/DC、動力電池系統及相互的高壓連接，均要求達到IP67防護等級，并且所有高壓系統應具有高壓危險警告標識。此外，所有的配電系統高壓接插件均有防呆設計，避免裝配錯誤導致高壓回路失效。

由于純電動汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示、警示用戶和維修人員，高壓線束應采用橙色線纜并用橙色波紋管對其進行防護[3]。同時高壓連接器也應標識為橙色，起到警示作用。高壓觸電防護是高壓電氣安全設計重點關注項，主要通過直接防護（如絕緣設計等）和間接防護（如等電位連接和電氣隔離等）兩個方面來實現[4]。

2.2 電池系統設計

高壓系統的關鍵設計就是電池系統設計，電池系統設計集成Pack結構設計、熱管理設計、電連接安全設計、BMS安全設計等。Pack結構設計有電池箱體設計和模組設計，箱體設計考慮機械振動沖擊防護、碰撞和擠壓防護、IP等級防護以及防火防爆防護等，模組設計除了做好模組的機械振動和沖擊防護，同時要考慮電芯充放電過程中的膨脹力吸收，結構設計預留膨脹空間，同時加強傳熱和隔熱設計，以及采樣線束的防短路設計；熱管理設計主要功能是實現電池系統對充放電溫升和溫差的控制，進行高效的熱均衡，分為水冷和風冷兩方面，目前水冷是主流設計；電連接安全設計主要有電池系統BDU電氣件（接觸器、熔斷器、MSD和銅排等）的選型和設計及壽命分析，以及模組正負極的冗余防松連接設計、模組排布時安全間隙預留以及爬電距離等；BMS安全設計主要從軟硬件對應用策略的實現，絕緣檢測的監控、故障的診斷及處理機制、遠程數據監控與管理以及功能安全等。

2.3 電磁兼容性設計

首先，電動汽車上存在三相交流系統，具有較強電磁干擾，在高壓電氣設計時，高壓線、信號線及低壓線應盡可能采用隔離或分開走線；同時，電源線考慮接地且底盤線束和駕駛室線束要共地，避免接地不良引起形成干擾，嚴重時可導致整車CAN網絡癱瘓車輛故障；同時輸入與輸出信號線應避免排在一起造成干擾；所有CAN線均為屏蔽雙絞線，屏蔽CAN干擾。

其次，高壓電氣系統零部件外殼均需要與車身地進行等電位連接，建議使用地線或者螺栓搭鐵形式進行連接。對于等電位連接所用的導體（比如接地線等），建議使用黑色，方便維修和辨認。等電位連接的導體截面積保證不低于高壓線束的截面積，考慮絕緣失效時，高壓電流有可能流經等電位回路，可能因過流而發熱，并進而引起火災。

2.4 預充電回路保護設計

高壓系統的電機控制器和空壓機等控制器均有大量電容，直接接通該回路可能會產生高壓電沖擊，沖擊電流達上千安，可直接將電池系統回路接觸器燒壞，嚴重時對電芯瞬間大電流放電也產生嚴重不可修復損傷，故為避免接通時的高壓電沖擊，高壓系統需采取預充電回路的方式對高壓設備進行預充電[5]。 圖2為純電動汽車高壓系統預充電回路原理圖。預充電系統由電機控制器大電容、主正、主負、預充接觸器、預充電阻、高壓系統部件組成，主接觸器和預充電阻預充接觸器并聯，主回路負端主負接觸器控制整個回路電池系統的開閉。

正常情況下，因高壓回路中存在容性負載，鑰匙信號上電后，先進行預充回路判斷，控制預充接觸器閉合，當電機控制器母線電壓達到電池總電壓的95%以上時，判斷預充成功，總正接觸器閉合，預充接觸器斷開，整車高壓回路處于正常接通狀態；當高壓主回路斷開時，因高壓部件電容存在，為避免對人員和汽車造成危害，在切斷高壓系統后應將電容的高壓電通過并聯在高壓系統中的電阻在國標規定時間釋放掉[6]。

圖2 純電動汽車高壓系統預充電回路原理圖

2.5 高壓系統其他過保護設計

當汽車高壓附件設備發生過載或線路短路時，相關高壓回路應能自動切斷供電，以確保高壓附件設備不被損壞，保證汽車和駕乘人員的安全。因此在高壓系統設計中應設置過載或短路的保護部件，在高壓回路中串入熔斷器和接觸器，當發生過載或短路而引起熔斷器或接觸器短路時，高壓管理系統會通過對接觸器觸點和相關控制接觸器閉合的有效指令進行綜合判定，若檢測出相關電路故障，會發出聲光報警以提示駕駛員。

在進行熔斷器選型時，通常用持續工作電流確定熔斷器的額定電流，用脈沖電流來確定熔斷器的壽命。電阻型的負載與電感型的負載盡量避免使用同一類型的熔斷器。其中電阻型負載（如電池系統）一般選用快熔型保險絲，電感型負載（如驅動系統、空調系統）一般選用慢熔型熔斷器。高壓熔斷器選型原則是熔斷器額定電壓與額定電流的確認，熔斷器額定電壓需大于車輛的最高電壓，額定電流應根據電器件的最大連續工作電流計算確定保險絲容量[7]，可按經驗公式：

保險絲額定容量=電路最大工作電流÷80%

3 電動汽車高壓電氣系統常見故障分析

3.1 整車絕緣故障

整車絕緣檢測的原理是通過絕緣阻抗監測儀連接直流高壓系統正負母線與車身或者電池包殼體之間的絕緣電阻來判斷車輛是否存在絕緣故障[8]。整車絕緣故障主要為整車高壓配電系統、各高壓回路系統或者電池系統絕緣有問題，通過高壓配電回路逐一排查，查看該回路高壓接插件防護有無損壞，接插件是否進水，大部分情況為IP等級防護不夠導致進水引起絕緣故障發生；若為電池系統絕緣過低導致，可能為電池包進水、電池模組漏液、銅排破損、絕緣監測芯片故障均會導致動力電池報絕緣故障。

3.2 電池系統故障

電池系統是電動汽車的關鍵零部件，據統計市場運營的電動汽車50%故障為電池系統故障。電池系統故障主要由電池單體一致性故障、過溫故障、通信故障、絕緣故障、溫差過大故障、過流故障、溫感采集跳變故障、電池CAN網絡故障、BMS采集板故障、電芯漏液和電氣件故障等原因引起。

3.3 交直流充電故障

電動汽車在運營過程中，交直流充電的故障率和充電時效直接影響著客戶的使用體驗感。所以，可靠的交直流充電系統顯得尤其重要。市場交直流充電問題，主要有充電高壓回路故障、充電CAN網絡通信故障、低壓線束斷線故障、充電機故障、BMS硬件故障和搭鐵不良故障等。

4 結語

本文系統地介紹了電動汽車高壓電氣系統安全設計，主要從高壓系統防護設計、電池系統設計、電磁兼容設計、預充回路設計、高壓系統過保護設計等進行分析，并結合新能源汽車常見故障如整車絕緣故障、電池系統故障和交直流充電故障等故障現象及原因分析，以提升電動汽車高壓電氣安全性和可靠性，對電動汽車高壓系統安全設計及維修有一定的參考意義。