電動汽車高壓配電系統安全設計研究

【摘" 要】本文簡要介紹電動汽車高壓配電系統的設計方法，涉及熔斷器、預充電阻等關鍵器件的選型和校核，并通過實際案例進行說明。

【關鍵詞】電動汽車；高壓配電；高壓安全

中圖分類號：U469.72" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2022 ）12-0004-04

Research on Safety Design of Electric Vehicle HV Distribution System

CHEN Ming-wen，LI Zun-jie，HUANG Cheng-lin

（BYD Automobile Industry Co.，Ltd.，Shenzhen 518118，China）

【Abstract】The article briefly introduced the design method of the HV distribution system for electric vehicles，involving the selection and checking of key components such as fuse and pre-charge resistance，and explains through practical cases.

【Key words】 electric vehicle；high voltage distribution system；high voltage safety

1" 前言

高壓配電系統是一個涉及電動汽車多零部件和多工況的復雜系統，其主要作用是通過電路選型設計和策略邏輯設計，保證車輛在上下電、行駛、充電等工況下能正常有效地工作，并針對高壓系統在使用過程中出現的元件故障、絕緣失效、短路等各種故障問題，保證車輛安全可靠。本文基于車輛各個工況場景和各高壓部件的規格參數，研究高壓配電系統中核心零部件的設計選型，最終形成整個高壓配電系統的安全設計方法，為整車高壓配電系統安全設計提供參考。

2" 高壓配電系統安全設計

高壓配電系統的安全設計主要包含4個大的方面：預充保護設計、熔斷器設計、繼電器設計和高壓線束設計。

1）預充保護設計可以有效避免上電過程中由于源端和負載端存在壓差導致的電流沖擊問題。

2）熔斷器被設計在動力電池輸出回路和各個負載回路，在各回路出現過載和短路時，熔斷器能起到及時斷開高壓電氣連接的作用。

3）繼電器主動控制著高壓主回路的通斷，結合策略設計有效保證了車輛的上下電安全。

4）高壓線束主要考慮回路的過電流能力和相關電氣安全防護。

2.1" 預充保護設計

在高壓系統進行上電操作時會對電控等部件內部存在的母線電容進行充電，此時高壓系統實際相當于短路。因為上電時回路阻抗主要由高壓回路電池內阻，傳導線連接電阻和電容的等效內阻等組成，總的阻值在100mΩ以內，結合高壓系統幾百伏的平臺電壓，回路上就會產生一個可能高達幾千安培的瞬態沖擊電流。如果沒有好的解決方案，這種幾千安培的瞬態沖擊電流會損壞高壓配電系統的熔斷器，繼電器和其它負載內部的高壓元器件，同時損傷電池電芯。嚴重時，可能導致高壓系統出現短路、拉弧的場景，存在極大的安全隱患。

為了解決容性負載上電出現的瞬態沖擊電流問題，可參考圖1，在主回路上并聯由預充電阻R和預充繼電器K3組成的預充保護電路。當高壓回路上電時，先閉合主負繼電器K2和預充繼電器K3，主正繼電器K1保持打開狀態。當主負繼電器K2和預充繼電器K3吸合后，高壓回路負載電容C開始緩慢充電，電容電壓越來越高，當負載端的電壓接近動力電池電壓時，接通主正繼電器K1，再切斷預充電繼電器K3，完成預充，主正繼電器K1吸合時兩端壓差小，從而減少繼電器的拉弧，減小了高壓系統的電流沖擊，提高了高壓系統的安全性。

預充回路的設計關鍵在于預充繼電器和預充電阻的選型，預充繼電器主要基于平臺電壓和預充電流進行選型，較為簡單，這里不做贅述。關于預充電阻的選型主要分為電阻阻值的計算和功率的計算。

2.1.1" 預充電阻阻值計算

把預充過程看作RC電路的充電過程，可得出以下公式：

UC=Umax（1-e-t / τ）

式中：Uc——預充過程中電壓；Umax——系統最大電壓；t——預充時間；τ——時間常數；R——預充電阻；C——總負載電容。

預充電壓的判定一般選取系統最大電壓的95%，即Uc=Umax×0.95時，根據公式解得：t=3ＲC，即可得出預充電阻值。

2.1.2" 預充電阻功率計算

電容在預充過程中，預充電阻消耗的能量為預充過程中總能量的一半。由于在預充過程中，整個預充時間很短（2s內），所以預充電阻在預充時相當于是一個承受瞬時耐沖擊能量的過程，即瞬時功率。瞬時功率計算參考以下公式：

P （t）=U2（t）/R

式中：P（t）——某一時刻通過預充電阻的功率；U（t）——同一時刻預充電阻兩端的電壓；R——預充電阻。可知當U（t）最大時，P（t）最大。同時還需要知道預充電阻功率過載系數n（一般由電阻廠家提供），如圖2所示，考慮最大預充時間在1～2s之間，過載系數n一般取10～20，P=P（t）/n。根據以上計算，得出預充電阻選型結果。

2.2" 熔斷器配置，選型和校核

熔斷器的設計主要包含在整車上的配置，關鍵參數選型和基于高壓回路系統參數的匹配校核。

2.2.1" 熔斷器的配置

在高壓回路系統中應在主回路和每個回路單獨布置熔斷器，以保證高壓回路在發生短路情況下能及時有效地切斷電路，保護整車高壓系統安全，且各支路負載的故障不會影響其它部件的正常工作。熔斷器一般放在正極電路中，布置場景可以分以下幾種。

1）作為主熔斷器放在系統主回路上，能規避主回路短路風險，參考圖3所示。

2）在支路負載前端布置熔斷器，能很好地保護各支路負載電路及器件，不影響主回路，參考圖4。

3）作為分壓熔斷器在電芯與電芯（模組與模組）之間，可以降低電池組裝短路風險，參考圖5。

2.2.2" 熔斷器的分類

在熔斷器使用類別上，車用高壓直流熔斷器主要分為g類和a類熔斷器。通常選用aR類半導體保護熔斷器。

1）g類提供全范圍保護，可分斷熔體融化至熔斷器額定分斷能力之間的任何電流，適合作為過載和短路的保護。

2）a類提供部分范圍保護，能分斷最小分斷電流至額定分斷電流之間的過電流，適合作為短路保護。

2.2.3" 熔斷器額定電流

熔斷器額定電流是指在標準規定的測試條件下，按照特定的測試方式進行驗證，視同可以長期通過而熔斷器不會損傷的電流值，熔斷器的額定電流按照負載情況匹配計算后選擇。

熔斷器的額定電流選擇參考以下公式：

In=I額×K/（Kt×Ke×Kv×Kf×Ka×Kb）

式中：In——熔斷器額定電流；I額——負載額定電流；K——負載修正系數；Kt——環境溫度修正系數；Ke——連接熱傳導修正系數；Kv——風冷修正系數；Kf——工作頻率修正系數；Ka——海拔修正系數；Kb——安裝空間修正系數，不同規格型號的熔斷器的修正系數也會有差異。

1）K：負載修正系數，根據回路負載峰值電流的不同，K值的系數也有所不同，一般K值取1.2～1.5之間。

2）Kt：溫度修正系數，參考不同的工作環境溫度。

3）Ke：連接熱傳導修正系數，按照連接銅排導線橫截面積1.3A/mm2為100%。

4）Kv：風冷修正系數，熔斷器采用自然冷卻，沒有額外的散熱處理，Kv值一般取1。

5）Kf：工作頻率修正系數，直流電流頻率通常在1kHz以下，Kf值取1。

6）Ka：海拔修正系數，在海拔不超過2000m處，熔斷器一般不作降容處理，每超過100m要求0.5的降容系數。

2.2.4" 熔斷器額定電壓

額定電壓是指在一定條件下可安全分斷的標稱電壓值，選型時熔斷器的額定電壓需要大于高壓系統的峰值電壓。

2.2.5nbsp; 熔斷器分斷能力

分斷能力是熔斷器在額定電壓及工作條件下，可瞬間承受的最大過載電流，熔斷器會熔斷但是不能發生爆炸情況。選擇的熔斷器的分斷能力必須大于系統的預期最大短路電流。預期最大短路電流主要依據最大高壓系統平臺電壓和最小回路阻抗來確定。

2.2.6" 熔斷器選型校核

初步選擇一個熔斷器型號后，需要進行以下校核驗證，分別對回路的峰值電流進行校核驗證，不同級熔斷器之間的校核驗證，與回路中繼電器匹配驗證以及與線束進行匹配驗證。

1）峰值電流校核：根據該熔斷器的時間-電流曲線，對應回路的峰值電流和持續時間，校核是否滿足系統要求。如圖6所示為某系列熔斷器的I-T 曲線，峰值電流必須在曲線下方時才能保證系統安全運行。

2）熔斷器間校核：理論評估時，上級熔斷器的弧前I2t（熔斷器弧前時間內的I2t積分）要大于下級熔斷器的熔斷I2t（熔斷器熔斷時間內的I2t積分），對于上下級熔斷器出現設計不匹配的情況，需要結合整車負載短路實驗進行驗證評估。

3）與繼電器匹配校核：通過對比繼電器與熔斷器的電流耐受曲線，曲線對比如圖7所示。當發生低倍過載時，繼電器動作斷開，保護回路不受損害，同時具有可恢復性；當發生高倍過載或短路時，熔斷器動作斷開，避免回路中繼電器發生粘連或爆炸。

4）與線束匹配校核：當線束的發煙曲線位于熔斷器的I-T特性曲線的上方時，表示在相同電流下熔斷器先于線束熔斷，即熔斷器能夠保護線束不被損壞，如圖8所示；若線束的發煙曲線位于熔斷器的I-T 特性曲線的下方時，表示在相同電流下電流會先達到線束的耐受臨界值再達到熔斷器的熔斷值，此時線束可能由于持續的過電流導致出現發煙起火的風險。

在實際整車工況復雜的背景下，高壓回路可能出現各種異常大電流危害熔斷器的安全，如高壓回路的諧振沖擊電流，浪涌電流等，在熔斷器選型校核中均需要考慮這些影響。

2.3" 繼電器的選型設計

在高壓回路中的繼電器控制系統主要由電池包主控制繼電器、直流充電控制繼電器和其它的負載支路控制繼電器組成。繼電器的選型設計需要考慮電壓、電流和壽命等關鍵的參數。

1）額定電壓：為保證繼電器在整車高壓系統最高工作電壓時可以安全斷開，選型時繼電器的額定電壓應大于整車高壓系統的峰值電壓。

2）額定電流：在相同單位時間內繼電器過流能力應滿足整車當前回路中最大持續過流要求。

3）驅動線圈功率：選型過程中繼電器的線圈驅動的額定電壓為12V（乘用車），線圈驅動功率一般不大于6W。

4）接觸電阻：選型過程中繼電器觸點在額定電流下的初始接觸內阻應不大于0.5mΩ，同一溫度條件下，高壓電纜所允許流過的最大電流應大于繼電器觸點間最大允許電流。

5）耐久性：繼電器的耐久性主要考慮電耐久和機械耐久。電耐久性主要是繼電器觸點在對應電流電壓下帶載通斷的次數，是評估電氣壽命的重點。通常我們選取繼電器的機械耐久一般在20萬次以上。

6）沖擊電流耐受：繼電器在滿足車輛額定電流工況的條件下，還需要能夠承受短時的大電流工況，此時需根據高壓系統實際工況，參考繼電器電流耐受曲線進行評估，實際工況需在安全曲線以下，如圖9所示。

2.4" 高壓線束設計

高壓線束的結構如圖10所示，主要由內導體、絕緣層、屏蔽層及護套組成。

高壓線束優先考慮線徑的選取，不同線徑對應不同的實際工作電流，線徑選取參考表1。

表1僅針對標稱溫度45℃下環境溫度90℃下的額定電流值，實際整車的溫度工況是復雜的，還需要考慮預期溫度的影響，增加溫度修正系數，參考表2。

最終線束過電流能力參考以下公式：

I=I（45℃）×K×0.8（降額系數）

除了高壓線束過電流的要求，高壓線束還需要滿足絕緣的要求和布置要求。

目前整車高壓線束都是按照加強絕緣設計，選取的絕緣材料必須具有耐電弧性、耐漏電痕跡性、耐臭氧性的特點，絕緣性能良好，同時具有良好的耐高低溫性能，耐高溫可達到200℃，在高溫高濕條件下保持性能穩定，并滿足阻燃的要求。

高壓線束在整車的布置需要考慮實車碰撞的影響，因高壓線束機械強度弱且在整車分布較廣，容易出現擠壓或剪切的場景，所以對于布置在前艙、后艙及主要壓潰區內的高壓線束，布置路徑上應無鋒利結構，避開鈑金搭接處、金屬邊緣等尖銳部位，支架需要進行倒角處理。

3" 小結

高壓配電系統的安全設計主要通過前期的設計選型和后期的實驗相互驗證來確定最終的設計方案。本文提供的設計方法已成功應用在多個車型的開發中，高壓系統的運行得到了可靠地保護。但是針對可能存在的電池低溫低SOC的短路和高壓回路高阻抗的短路等場景還需要探索更好的選型設計方案。目前行業內對于高壓配電系統設計也有一些新的思路，諸如智能熔斷器的應用可以更可靠的解決高壓下電的問題和反向預充技術替代傳統的預充電阻設計等。高壓配電系統的安全設計也還需要進行更多實驗分析和開展更深入的技術研究。

參考文獻：

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（編輯" 凌" 波）