電池系統(tǒng)的電氣安全和配電設(shè)計研究

作者 / 陸珂?zhèn)?上海汽車捷能技術(shù)有限公司

摘要：為了合理地分配高壓電池系統(tǒng)能量輸出，電池系統(tǒng)內(nèi)的配電盒起到了斷開和閉合執(zhí)行器的功能。隨著新能源汽車的發(fā)展，在早期摸索階段，電池系統(tǒng)的電氣安全設(shè)計都是遵照經(jīng)典的設(shè)計要求來做的。由于中國電動汽車快速上量，在實踐中得到的一些經(jīng)驗，對電池系統(tǒng)的可維修性、集成度提出了新的要求，配電盒的發(fā)展也出現(xiàn)了集成式和可替換兩種技術(shù)路徑，本文將分析系統(tǒng)出發(fā)整理電池系統(tǒng)配電盒的設(shè)計需求，并對電池系統(tǒng)配電盒設(shè)計的要點進(jìn)行梳理，最后對兩種技術(shù)路徑進(jìn)行了比較。本課題通過實踐經(jīng)驗中得到的一些經(jīng)驗教訓(xùn)，對產(chǎn)品的設(shè)計做出了改進(jìn)，并朝著進(jìn)一步集成化的方向發(fā)展，降低了成本，并以獨立維修部件的形式指導(dǎo)后續(xù)維修和設(shè)計，在實踐中取得了比較好的結(jié)果。

　　新能源汽車一般配備高壓電池系統(tǒng)，電池對應(yīng)著高達(dá)上百伏電壓的電氣系統(tǒng)，由于超過了直流的安全電壓范圍，因此，電池系統(tǒng)內(nèi)的配電安全設(shè)計就關(guān)系到整車的電安全的供給，同時也是電池管理系統(tǒng)將電池與整車用電網(wǎng)絡(luò)脫開的執(zhí)行單元，如不進(jìn)行合理的設(shè)計與防護(hù)，將可能帶來人員電擊等非常嚴(yán)重的高壓安全問題，此外，在車輛碰撞、電池檢測到內(nèi)部的風(fēng)險和危害的時候，電池系統(tǒng)也需要斷開高壓輸出以盡可能減少對電池進(jìn)一步傷害。如果不能很好地進(jìn)行功能安全和高壓安全方面的設(shè)計，不僅會影響電動汽車產(chǎn)品的使用安全，也會對電動汽車的發(fā)展和普及將受到很大的負(fù)面影響。

　　電動汽車的高壓配電系統(tǒng)早期是從混合動力電池系統(tǒng)演變而來，電池系統(tǒng)需具備慢充功能、快充功能，放電回路需供給高壓空調(diào)系統(tǒng)和輔助功率系統(tǒng)，此外，電池系統(tǒng)供給前驅(qū)和后驅(qū)兩個大的回路，還需要考慮不同配置的兼容性。在這樣的條件下，傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)需要考慮不同的回路、不同的兼容性，而且內(nèi)部包含的高壓接觸器越來越多，對維修也產(chǎn)生了比較大的影響。因此本文分別從配電單元和電池系統(tǒng)的角度對安全問題進(jìn)行分析和研究，并給出一種較為系統(tǒng)的設(shè)計的方案和思路。

1 電池系統(tǒng)的高壓安全和配電要求

　　1.1 電池系統(tǒng)高壓安全的基本需求

　　新能源汽車的電池系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)汽車是高壓部件，因此，為了防止高壓電對乘員產(chǎn)生傷害。國內(nèi)外有一系列的標(biāo)準(zhǔn)來約束整個電池系統(tǒng)的基本設(shè)計要求，也規(guī)定了電池系統(tǒng)具備的自動的功能，GBT18384.1和GBT31498 分別規(guī)定了高壓配電和安全系統(tǒng)的基本功能。在國際上參考的是SAE J1766、SAE J2344、SAE J2289和ISO/NP 6469-4。

　　在電動汽車?yán)锩?，設(shè)計的延續(xù)性是比較強(qiáng)的，因此總體的構(gòu)型是以經(jīng)典的混合動力電池系統(tǒng)架構(gòu)來開始的。在設(shè)計初始，考慮到混合動力電池是涵蓋在原有的傳統(tǒng)汽車的維修和處理上發(fā)展的，所以需要有自動斷開裝置(正負(fù)回路都有高壓接觸器)和手動維修開關(guān)兩重保護(hù)使得高壓電氣下電之后，電池系統(tǒng)的高壓連接點能夠保證不帶電。如圖1所示，電池配電系統(tǒng)的基本構(gòu)型為主負(fù)接觸器、電流傳感器和預(yù)充接觸器和預(yù)充電阻。

　　從功能上看，電池配電單元的功能主要包括：

　　1.2.1 保證電池系統(tǒng)在自然狀態(tài)下斷開

　　(1)電池系統(tǒng)的正負(fù)兩極應(yīng)從車輛電氣系統(tǒng)上斷開;

　　(2) 主接觸器無請求不得打開;

　　(3) 控制信號切斷時主接觸器必須打開。

　　1.2.2 保證在緊急狀態(tài)下斷開，保證斷開之后的絕緣性和斷開能力

　　(1)在過流的情況下，如發(fā)生撞車時，保險絲和主接觸器必須將蓄電池系統(tǒng)與電機(jī)安全分離;

　　(2)當(dāng)碰撞發(fā)生的時候，控制器接受碰撞信號，切斷整個高壓系統(tǒng)，把高壓系統(tǒng)母線的電壓/能量降到安全范圍之內(nèi);

　　(3)主接觸器必須保持完整的功能性，即在保險絲熔斷前，承載或分?jǐn)噙^電流;

　　(4)在故障情況下切斷后，打開的接觸器必須確保儲能系統(tǒng)與車輛之間有充足的絕緣電阻。

　　1.2.3 幾種不同的配電單元構(gòu)型

　　插電式混合動力在原來的基礎(chǔ)上增加了交流充電的需求，純電動汽車增加了直流快充的需求，因此發(fā)展出來幾種不同的配電單元構(gòu)型。

　　如圖2所示的一個典型的純電動配電架構(gòu)，其主要的設(shè)計要求為：

　　(1)增加一對交流充電接觸器，獨立于主正和主負(fù);

　　(2)串聯(lián)增加一對快充接觸器，可以在不改變電池內(nèi)部配電單元的情況下，復(fù)用預(yù)充功能，也能讓整車上電過程中充電接口不帶電;

　　(3)加熱接觸器采用獨立的回路驅(qū)動加熱膜或者是正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)來加熱冷卻液。

2 由于車型需求變化導(dǎo)致的高壓配電管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和發(fā)展變化

　　在使用實際過程中，為了簡化繼電器，可以把交流充電負(fù)極接觸器復(fù)用主負(fù)接觸器。如果在直流接口采取足夠的防護(hù)條件下，可以將快充的一路與主路進(jìn)行復(fù)用。

　　從可靠性而言，可以把不同功能的接觸器進(jìn)行分類。

　　由于接觸器的問題可能會導(dǎo)致基本的“Limp Home”功能都無法完成，需要先定義以下可靠性要求：

　　類型1：法規(guī)規(guī)定斷開能力的安全要求，必須符合ISO 26262的ASIL D要求;

　　類型2：由車輛基本可用性要求導(dǎo)出的閉合特性;

　　類型3：由于排放要求的規(guī)定和用戶功能性要求必須能閉合。

　　配電盒內(nèi)的接觸器的功能分類如下表1所示，每個接觸器的功能特性的要求不盡相同。

　　2.1 配電單元的結(jié)構(gòu)

　　如圖3所示，整個電池配電單元主要包含高壓連接器、低壓連接器、內(nèi)部接觸器和整合的高壓部件等。

　　高壓連接器包含充電、直流直流變換器(DC-DC)、電空調(diào)系統(tǒng)、主驅(qū)動系統(tǒng)，這里還包含高壓系統(tǒng)的各個線路支路。

　　低壓連接器包含電池管理系統(tǒng)的連接信號、接觸器的驅(qū)動電路。這里分兩種構(gòu)型：一是BMU直接驅(qū)動接觸器和整車管理器來驅(qū)動接觸器，兩者在信號回路上會存在顯著的差異;二是主要包含電池管理系統(tǒng)的喚醒、通信等外部信號連接，還有電源供給。

　　內(nèi)部接觸器和整合的高壓部件主要包含：主正接觸器、主負(fù)接觸器;慢充接觸器;快充接觸器;預(yù)充接觸器;預(yù)充電阻;電流傳感器;智能電路板驅(qū)動。

　　2.2 配電單元的設(shè)計方向

　　隨著電動汽車的發(fā)展，配電單元的主要有接觸器可替換式配電盒、集成化發(fā)展兩大發(fā)展方向。

　　可替換式配電盒主要應(yīng)用在插電式混合動力上面，進(jìn)一步把維修下沉到接觸器，縮短接觸器損壞導(dǎo)致的維修問題。

　　在電動汽車專用平臺的設(shè)計考慮過程中，需要考慮把整個高壓配電系統(tǒng)進(jìn)行高度整合，把相關(guān)的檢測、控制和各種功能單獨整合成一個部件，整體維修和替換，這里主要是通過模塊化的設(shè)計理念來做，通過高度的零件集成和復(fù)用零部件的方式用來形成電池平臺的模塊化。

　　2.2.1 接觸器可替換式配電盒

　　這類設(shè)計的思路是從HEV出發(fā)，通過采用插拔式的高壓接觸器來實現(xiàn)可替換和維修設(shè)計。如圖4所示，配電盒設(shè)計在電池系統(tǒng)端板一體化，在設(shè)計時盡量考慮組裝的便捷性，考慮把配電盒內(nèi)所有的內(nèi)部高壓線和低壓線通過合理的分布進(jìn)行區(qū)分，采用內(nèi)部母線排來取代高壓線，節(jié)約空間。這里需要考慮插拔的電氣連接端子的可靠性，整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需要接觸器外圍做一些加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。這里的設(shè)計細(xì)節(jié)，主要是可插拔的接觸器、可插拔的預(yù)充電阻，與插拔的卡片式的母端端子和內(nèi)部連接的銅牌所組成。

　　2.2.2 集成化發(fā)展

　　隨著電動汽車的進(jìn)一步集成，整車的分電盒部分功能轉(zhuǎn)移，把快充的接觸器集成在電池內(nèi)部的配電盒里面，因此出現(xiàn)了全集成化的接觸器設(shè)計，把高壓檢測、絕緣檢測、接觸器驅(qū)動、電流檢測、通信和診斷功能形成一個集成化的智能配電單元。未來這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)將極大地解放電池管理單元的計算需求。

　　如圖5所示，這里與電池管理系統(tǒng)的分配過程中遷移了以下的功能模塊：

　　1)電池系統(tǒng)總參數(shù)檢測：包括電池系統(tǒng)總電壓、總電流、溫度檢測、絕緣檢測、碰撞檢測等，這些功能都是從電池管理功能進(jìn)行分解出來的;

　　2)接觸器控制與電池安全保護(hù)：驅(qū)動接觸器的電路和診斷接觸器各個高壓節(jié)點的實際狀態(tài);

　　3)MCU計算核心：主要包含對總電壓、總電流的處理，對接觸器的診斷和故障處理，包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等;

　　4)電源管理電路和EMC抑制：從電池模組和12V電池上驅(qū)電，通過合理的保護(hù)電路來管控不同節(jié)點的電源情況。由于電池系統(tǒng)處在一個高壓大電流的環(huán)境里面，外部的負(fù)載會導(dǎo)致在母線上會有大量的暫態(tài)分量，在電池系統(tǒng)內(nèi)部的電池管理系統(tǒng)需要有好的抗電磁干擾能力，這里就要求在電源端具備良好的布局和處理;

　　5)網(wǎng)絡(luò)通訊和控制接口：集成式的配電管理系統(tǒng)一般具備1~2路串行通信，發(fā)送電壓和電流信息給電池管理系統(tǒng)，接受整車的網(wǎng)絡(luò)管理命令并具備直接硬線管理的斷路功能。

　　由這些功能模塊所組成的新的帶有智能功能的控制單元，將大大減少電池管理系統(tǒng)的負(fù)荷，能讓電池管理系統(tǒng)專注于電池狀態(tài)的管理，也為將來實現(xiàn)電動汽車的域控制器的實現(xiàn)起到鋪墊作用。

3 結(jié)論

　　隨著電池系統(tǒng)的上量，通過一定的電池系統(tǒng)售后故障率和耐久性使用，電池系統(tǒng)配電盒這個電氣安全部件的魯棒性將會極大地影響電動汽車的售后服務(wù)和用戶滿意度。而電池系統(tǒng)成本的下降，對于整個電動汽車的降本也提出了新的要求。在電動汽車的全壽命周期內(nèi)，合理的平衡成本、質(zhì)量和壽命的需求，將對電動汽車市場的發(fā)展有著非常重要的影響。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第57頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。