新能源電動(dòng)汽車高壓安全系統(tǒng)分析及優(yōu)化方案

　　陶文勇（奇瑞新能源汽車研究院，蕪湖?241000）

　　摘?要：分析新能源電動(dòng)汽車高壓安全系統(tǒng)現(xiàn)狀，討論高壓安全系統(tǒng)故障檢測(cè)及動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。并提出一種新能源電動(dòng)汽車高壓安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在不增加成本的基礎(chǔ)上補(bǔ)充和優(yōu)化現(xiàn)有高壓安全系統(tǒng)，使得母線電壓得到完全的泄放。經(jīng)有效的實(shí)測(cè)驗(yàn)證該方案能夠快速有效的泄放母線電壓，提高電動(dòng)汽車高壓安全性能，進(jìn)一步降低觸電風(fēng)險(xiǎn)。

　　關(guān)鍵詞：新能源電動(dòng)汽車；高壓安全系統(tǒng)；故障檢測(cè)；快速泄放；安全性能；觸電風(fēng)險(xiǎn)

　　0 引言

　　近年來(lái)，能源危機(jī)和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，這與汽車工業(yè)的飛速發(fā)展有著密切的聯(lián)系，當(dāng)前發(fā)展高效、節(jié)能、零排放的新能源電動(dòng)汽車已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì) ^[1] 。這就對(duì)新能源電動(dòng)汽車提出了越來(lái)越高的要求。不僅要求其環(huán)保節(jié)能，而且其安全性一定要得到充分的保證 ^[2] 。

　　電動(dòng)汽車高壓安全一直是人們所關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，當(dāng)車輛發(fā)生絕緣或者其他漏電風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，動(dòng)力電池會(huì)快速切斷高壓繼電器，防止觸電事故發(fā)生。但即使高壓繼電器斷開，由于電機(jī)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(chǎng)上在售的新能源主要車型大都是高壓系統(tǒng)，額定電壓大都達(dá)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(dá)到了600多伏。電動(dòng)汽車安全要求B級(jí)電壓電路直流電壓小于60 V，即使是殘存的電量也是能夠?qū)θ梭w產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害，因此對(duì)新能源電動(dòng)汽車高壓安全系統(tǒng)研究具有極其重要的意義 ^[3-5] 。

　　1 新能源電動(dòng)汽車高壓安全系統(tǒng)分析

　　1.1 高壓安全回路

　　新能源電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)大都采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其主要包括動(dòng)力電池組、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、DC-DC電壓變換器（DC-DC）、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、加熱系統(tǒng)（PTC）、高壓分線盒、車載充電系統(tǒng)等。如下圖1所示：

　　K0：高壓正極繼電器

　　K1：預(yù)充繼電器

　　K2：高壓負(fù)極繼電器

　　r0：預(yù)充電阻

　　MCU：電機(jī)控制器

　　電動(dòng)汽車高壓回路中有兩個(gè)儲(chǔ)電器件，高壓動(dòng)力電池和電機(jī)控制器，動(dòng)力電池為整車提供動(dòng)力，根據(jù)車型的不同存儲(chǔ)的電量有較大差異，多達(dá)幾十度電。電機(jī)控制器為保護(hù)IGBT模塊，設(shè)計(jì)有1000 μf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(fù)載和動(dòng)力電池又是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，不管動(dòng)力電池高壓繼電器是否處于閉合狀態(tài)，整個(gè)高壓系統(tǒng)都可能處于帶電狀態(tài)。

　　1.2 高壓安全系統(tǒng)故障檢測(cè)

　　高壓安全系統(tǒng)故障檢測(cè)存在于整個(gè)車輛工作過(guò)程中，車輛上電完成初始化后，各個(gè)高壓部件開始初步檢測(cè)自身狀態(tài)。若檢測(cè)到異常，則禁止高壓連接，上報(bào)異常信息提示駕駛員維修檢測(cè)。正常情況下，因高壓回路中存在容性負(fù)載，先進(jìn)行預(yù)充，當(dāng)母線電壓達(dá)到電池內(nèi)部電壓的98%以上時(shí)，判斷預(yù)充成功，正極繼電器閉合，此時(shí)整個(gè)高壓系統(tǒng)處于待工作狀態(tài)。

　　這時(shí)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(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)進(jìn)行故障診斷，收集整車系統(tǒng)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(guān)的物理參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的模型綜合判斷車輛故障狀態(tài)，并循環(huán)實(shí)時(shí)檢測(cè) ^[6] 。

　　2 高壓安全系統(tǒng)保護(hù)

　　當(dāng)高壓系統(tǒng)檢測(cè)到異常時(shí)，整車控制器收集高壓回路故障信息，根據(jù)發(fā)生故障的嚴(yán)重程度和等級(jí)作出相應(yīng)的判斷并發(fā)送指令給動(dòng)力電池管理系統(tǒng)快速切斷高壓繼電器。

　　2.1 高壓安全系統(tǒng)異常保護(hù)動(dòng)作

　　整個(gè)高壓回路中，當(dāng)發(fā)生絕緣故障、環(huán)路互鎖故障、重要節(jié)點(diǎn)通訊丟失故障、動(dòng)力系統(tǒng)扭矩輸出異常故障、短路或車輛發(fā)生碰撞時(shí)，應(yīng)及時(shí)斷開高壓繼電器，切斷高壓回路電源的供給。

　　高壓動(dòng)力電池主正繼電器和主負(fù)繼電器斷開，但高壓回路中任殘留一定的電量，大都存儲(chǔ)在電機(jī)控制器薄膜電容中。高壓回路中的各個(gè)用電設(shè)備（負(fù)載）并聯(lián)在一起。此時(shí)，觸碰任意位置都會(huì)有觸電風(fēng)險(xiǎn)。目前大都新能源電動(dòng)汽車涉及高壓殘留電量的泄放做法是當(dāng)高壓繼電器斷開后利用電機(jī)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(guò)程中，整車控制器發(fā)出指令給電池管理系統(tǒng)讓其斷開高壓繼電器。電池管理系統(tǒng)先斷開正極繼電器，之后在斷開負(fù)極繼電器。并實(shí)時(shí)將繼電器狀態(tài)發(fā)送到整車網(wǎng)絡(luò)上。整車控制器收到繼電器斷開消息后，檢測(cè)電驅(qū)系統(tǒng)有無(wú)故障，若無(wú)故障指令電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行高壓泄放。

　　2.2 傳統(tǒng)高壓泄放風(fēng)險(xiǎn)

　　當(dāng)車輛發(fā)生碰撞、側(cè)翻，導(dǎo)致電驅(qū)系統(tǒng)損壞，或者因電機(jī)控制器、電機(jī)發(fā)生異常斷高壓時(shí)，電驅(qū)系統(tǒng)的主動(dòng)泄放就不再起作用，只能通過(guò)泄放電阻進(jìn)行被動(dòng)泄放，而被動(dòng)泄放的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致人觸有電風(fēng)險(xiǎn)。這種情況發(fā)生的概率較大，不滿足電動(dòng)汽車安全要求。如下圖三所示為某純電動(dòng)汽車被動(dòng)泄放示意圖：

　　2.3 優(yōu)化方案分析

　　本文探討一種新型高壓泄放策略，在原有電機(jī)控制器主動(dòng)泄放的基礎(chǔ)上，輔以其他高壓負(fù)載，在電驅(qū)系統(tǒng)異常不能進(jìn)行主動(dòng)泄放時(shí)，其他高壓負(fù)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(tǒng)安全性，降低人員觸電風(fēng)險(xiǎn)。

　　輔助泄放高壓負(fù)載：DCDC變換器、PTC或者空調(diào)壓縮機(jī)。如下圖四紅色箭頭所示：

　　當(dāng)高壓繼電器斷開后，整車控制器收集并判斷各個(gè)高壓用電器狀態(tài)，再發(fā)指令給各個(gè)高壓用電器進(jìn)行電壓泄放。其主要過(guò)程如下：（1）BMS斷開高壓繼電器并將其高壓繼電器狀態(tài)反饋到整車CAN網(wǎng)絡(luò)上。（2）VCU通過(guò)整車網(wǎng)絡(luò)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(tài)，綜合判斷能進(jìn)行主動(dòng)泄放的高壓負(fù)載。（3）VCU發(fā)送泄放指令給高壓負(fù)載，（4）高壓負(fù)載進(jìn)行高壓泄放并實(shí)時(shí)判斷母線電壓。當(dāng)母線電壓低于60 V時(shí)停止泄放；具體流程圖見圖5。

　　3 測(cè)試結(jié)果和分析

　　基于上述新型高壓泄放策略，將其應(yīng)用到實(shí)車上進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，由下圖六可以看出，當(dāng)電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，其他高壓負(fù)載輔助泄放，泄放時(shí)間大大減少，降低到192 ms左右，完全滿足電動(dòng)汽車安全要求。

　　4 結(jié)論

　　實(shí)測(cè)證明，在原有電驅(qū)系統(tǒng)主動(dòng)泄放的基礎(chǔ)上，輔以其他高壓負(fù)載可有效降低主動(dòng)泄放的時(shí)間，且主動(dòng)泄放的失效率也大大降低，提高新能源電動(dòng)汽車的安全性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 邊耀璋. 汽車新能源技術(shù)［M］. 北京:人民交通出版社,2003.

　　[2] 裴春松. 純電動(dòng)汽車電安全分析與設(shè)計(jì)[J]. 客車技術(shù)與研究,2012(1):20-22.

　　[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T18384.1-2001 電動(dòng)汽車安全要求第1部分:車載儲(chǔ)能裝置[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

　　[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T18384.2-2001 電動(dòng)汽車安全要求第2部分：功能安全和故障防護(hù)[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

　　[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T18384.3-2001 電動(dòng)汽車安全要求第3部分:人員觸電防護(hù)[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

　　[6] 張俊，謝偉東. 純電動(dòng)汽車高壓回路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程:1001-4551(2013)03-0364-04.

　　（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第56頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）