電池系統(tǒng)的電氣安全和配電設(shè)計(jì)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(jì)都是遵照經(jīng)典的設(shè)計(jì)要求來(lái)做的。由于中國(guó)電動(dòng)汽車快速上量，在實(shí)踐中得到的一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(jì)需求，并對(duì)電池系統(tǒng)配電盒設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行梳理，最后對(duì)兩種技術(shù)路徑進(jìn)行了比較。本課題通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得到的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(dú)立維修部件的形式指導(dǎo)后續(xù)維修和設(shè)計(jì)，在實(shí)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(duì)應(yīng)著高達(dá)上百伏電壓的電氣系統(tǒng)，由于超過(guò)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(jì)就關(guān)系到整車的電安全的供給，同時(shí)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(jì)與防護(hù)，將可能帶來(lái)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(cè)到內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)和危害的時(shí)候，電池系統(tǒng)也需要斷開高壓輸出以盡可能減少對(duì)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(jì)，不僅會(huì)影響電動(dòng)汽車產(chǎn)品的使用安全，也會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及將受到很大的負(fù)面影響。

　　電動(dòng)汽車的高壓配電系統(tǒng)早期是從混合動(dòng)力電池系統(tǒng)演變而來(lái)，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(gè)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(lái)越多，對(duì)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(duì)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(jì)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(duì)于傳統(tǒng)汽車是高壓部件，因此，為了防止高壓電對(duì)乘員產(chǎn)生傷害。國(guó)內(nèi)外有一系列的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)約束整個(gè)電池系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求，也規(guī)定了電池系統(tǒng)具備的自動(dòng)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(guó)際上參考的是SAE J1766、SAE J2344、SAE J2289和ISO/NP 6469-4。

　　在電動(dòng)汽車?yán)锩?，設(shè)計(jì)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(dòng)力電池系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)開始的。在設(shè)計(jì)初始，考慮到混合動(dòng)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(dòng)斷開裝置(正負(fù)回路都有高壓接觸器)和手動(dòng)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(diǎn)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(wú)請(qǐng)求不得打開;

　　(3) 控制信號(hào)切斷時(shí)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(guò)流的情況下，如發(fā)生撞車時(shí)，保險(xiǎn)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(shí)候，控制器接受碰撞信號(hào)，切斷整個(gè)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(xiǎn)絲熔斷前，承載或分?jǐn)噙^(guò)電流;

　　(4)在故障情況下切斷后，打開的接觸器必須確保儲(chǔ)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(dòng)力在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了交流充電的需求，純電動(dòng)汽車增加了直流快充的需求，因此發(fā)展出來(lái)幾種不同的配電單元構(gòu)型。

　　如圖2所示的一個(gè)典型的純電動(dòng)配電架構(gòu)，其主要的設(shè)計(jì)要求為：

　　(1)增加一對(duì)交流充電接觸器，獨(dú)立于主正和主負(fù);

　　(2)串聯(lián)增加一對(duì)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(guò)程中充電接口不帶電;

　　(3)加熱接觸器采用獨(dú)立的回路驅(qū)動(dòng)加熱膜或者是正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)來(lái)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(shí)際過(guò)程中，為了簡(jiǎn)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(huì)導(dǎo)致基本的“Limp Home”功能都無(wú)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(gè)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)，這里還包含高壓系統(tǒng)的各個(gè)線路支路。

　　低壓連接器包含電池管理系統(tǒng)的連接信號(hào)、接觸器的驅(qū)動(dòng)電路。這里分兩種構(gòu)型：一是BMU直接驅(qū)動(dòng)接觸器和整車管理器來(lái)驅(qū)動(dòng)接觸器，兩者在信號(hào)回路上會(huì)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(hào)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(dòng)。

　　2.2 配電單元的設(shè)計(jì)方向

　　隨著電動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車專用平臺(tái)的設(shè)計(jì)考慮過(guò)程中，需要考慮把整個(gè)高壓配電系統(tǒng)進(jìn)行高度整合，把相關(guān)的檢測(cè)、控制和各種功能單獨(dú)整合成一個(gè)部件，整體維修和替換，這里主要是通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)理念來(lái)做，通過(guò)高度的零件集成和復(fù)用零部件的方式用來(lái)形成電池平臺(tái)的模塊化。

　　2.2.1 接觸器可替換式配電盒

　　這類設(shè)計(jì)的思路是從HEV出發(fā)，通過(guò)采用插拔式的高壓接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)可替換和維修設(shè)計(jì)。如圖4所示，配電盒設(shè)計(jì)在電池系統(tǒng)端板一體化，在設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)合理的分布進(jìn)行區(qū)分，采用內(nèi)部母線排來(lái)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(gè)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(jì)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(dòng)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(jì)，把高壓檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、接觸器驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)、通信和診斷功能形成一個(gè)集成化的智能配電單元。未來(lái)這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將極大地解放電池管理單元的計(jì)算需求。

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

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

　　2)接觸器控制與電池安全保護(hù)：驅(qū)動(dòng)接觸器的電路和診斷接觸器各個(gè)高壓節(jié)點(diǎn)的實(shí)際狀態(tài);

　　3)MCU計(jì)算核心：主要包含對(duì)總電壓、總電流的處理，對(duì)接觸器的診斷和故障處理，包括故障檢測(cè)、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(guò)合理的保護(hù)電路來(lái)管控不同節(jié)點(diǎn)的電源情況。由于電池系統(tǒng)處在一個(gè)高壓大電流的環(huán)境里面，外部的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致在母線上會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的域控制器的實(shí)現(xiàn)起到鋪墊作用。

3 結(jié)論

　　隨著電池系統(tǒng)的上量，通過(guò)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(gè)電氣安全部件的魯棒性將會(huì)極大地影響電動(dòng)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(duì)于整個(gè)電動(dòng)汽車的降本也提出了新的要求。在電動(dòng)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(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第57頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。