為延長(zhǎng)續(xù)駛里程，給車內(nèi)提供舒適的溫度環(huán)境，純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)選用大容量、高電壓的動(dòng)力電池，這就使得純電動(dòng)汽車的高壓安全隱患和其造成的高壓電傷害高于傳統(tǒng)燃油汽車。因此，在動(dòng)力電池電路設(shè)計(jì)上，不僅要考慮安全、合理的硬件設(shè)計(jì)，還須增加動(dòng)力電池重要數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，以保證人員與車輛的安全。本文將對(duì)動(dòng)力電池包電路進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。
1 動(dòng)力電池電路功能設(shè)計(jì)
我國(guó)電動(dòng)汽車( 包括純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車) 高壓系統(tǒng)將直流電壓等級(jí)劃分為144 V、288 V、317 V、346 V、400 V、576 V。在純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中，為滿足車上高壓用電器件的正常工作，電池電壓平臺(tái)一般選擇300 V 以上的高壓，即B 級(jí)電壓，這就在設(shè)計(jì)動(dòng)力電池電路時(shí)需要同時(shí)滿足防止上電瞬間電沖擊、絕緣電阻監(jiān)測(cè)、高壓回路互鎖監(jiān)測(cè)、短路及過(guò)流保護(hù)等功能要求。
2 動(dòng)力電池電路安全設(shè)計(jì)
通常情況下，與動(dòng)力電池相關(guān)的高壓器件，例如充放電回路的接觸器及熔斷器等集成在動(dòng)力電池包內(nèi)。由于部分車企在設(shè)計(jì)時(shí)借用傳統(tǒng)燃油汽車底盤(pán)，致使動(dòng)力電池受到整車尺寸及安裝位置的影響，在車上可用空間很有限，導(dǎo)致動(dòng)力電池包內(nèi)無(wú)法放下各類接觸器及熔斷器。又因動(dòng)力電池的能量密度與國(guó)家的補(bǔ)貼政策相關(guān)，所以動(dòng)力電池包內(nèi)除了必要的單體或模組電池、保護(hù)電池本身的器件外，為減少電池包重量，其他高壓用電回路的接觸器、熔斷器等均集成在動(dòng)力電池包外部的高壓分線盒中。圖1 為純電動(dòng)汽車蓄電池包典型結(jié)構(gòu)圖。

圖1 動(dòng)力電池包典型結(jié)構(gòu)
2. 1 防止上電瞬間電沖擊設(shè)計(jì)
高于60 V 的高壓系統(tǒng)，上電應(yīng)有一個(gè)100 ～ 700ms 的“緩”過(guò)程，即預(yù)充電過(guò)程。否則，瞬時(shí)高壓上電產(chǎn)生幾千安培的大電流對(duì)用電回路中的容性負(fù)載會(huì)造成損傷，甚至造成主正、主負(fù)繼電器粘連而使高壓回路始終處于帶電狀態(tài)，存在駕乘人員、動(dòng)力電池維修人員觸電危險(xiǎn)。
預(yù)充電回路就是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC 電路，當(dāng)BMS 接收到VCU 發(fā)送的高壓上電信號(hào)后，控制主負(fù)、預(yù)充繼電器閉合進(jìn)入預(yù)充過(guò)程。在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，BMS 檢測(cè)到預(yù)充電電壓達(dá)到電池總壓的90%～ 98%后，且此時(shí)電流下降到1 A 左右。隨后，BMS 通過(guò)控制主正、預(yù)充繼電器的通、斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)充電回路與高壓用電回路的切換。如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)未完成預(yù)充電，則不允許上電，從而保證用電器件及駕乘人員的安全。圖2 為動(dòng)力電池包內(nèi)部電路原理圖。

圖2 動(dòng)力電池包內(nèi)部電路原理圖
2. 2 絕緣電阻監(jiān)測(cè)
評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車絕緣安全性優(yōu)劣的重要指標(biāo)就是絕緣電阻。國(guó)標(biāo)中明確說(shuō)明電動(dòng)汽車的絕緣狀況以絕緣電阻值來(lái)衡量。電動(dòng)汽車高壓動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，高壓動(dòng)力系統(tǒng)與車殼之間的當(dāng)量絕緣電阻是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的物理參量，其大小不僅與高壓用電回路中用電狀態(tài)有關(guān)，而且隨著車輛行駛路況和周圍環(huán)境不同而變化。動(dòng)力電池內(nèi)部高壓電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證絕緣電阻值與電池標(biāo)稱電壓的比值不小于100 Ω/V，并對(duì)該參數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
由振動(dòng)、沖擊及動(dòng)力電池腐蝕性液體、氣體等造成高壓動(dòng)力線絕緣層損傷，或因老化、磨損、受潮而導(dǎo)致動(dòng)力電池與車體間的微短路，不僅降低動(dòng)力電池絕緣數(shù)值，而且還會(huì)產(chǎn)生額外的熱量積聚效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至引起火災(zāi)。因此，動(dòng)力電池上高壓電之前，BMS 應(yīng)對(duì)電池包的絕緣情況進(jìn)行判斷，若滿足100Ω/V 或更高要求，方可高壓上電; 若不滿足，則BMS須向VCU 上報(bào)絕緣故障，嚴(yán)禁上高壓電。倘若行車過(guò)程中出現(xiàn)絕緣值低于設(shè)定值，則BMS 須向VCU 上報(bào)故障，進(jìn)行相應(yīng)斷電并停車處理，確保人員與車輛安全。
2. 3 高壓回路互鎖監(jiān)測(cè)
高壓互鎖是通過(guò)使用低電壓信號(hào)來(lái)檢查電動(dòng)汽車上所有高壓器件與高壓動(dòng)力線相連及防護(hù)蓋的電氣連接完整性。當(dāng)BMS 識(shí)別回路異常斷開(kāi)時(shí)，及時(shí)斷開(kāi)高壓電，確保人員安全和車輛設(shè)備的安全運(yùn)行。
為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池對(duì)外高壓動(dòng)力線連接器的可靠連接，一般會(huì)在高壓動(dòng)力線連接插頭上并聯(lián)一路高壓互鎖，同時(shí)將動(dòng)力電池上的所有高壓接插件互鎖回路串聯(lián)起來(lái)。在物理連接時(shí)，高壓用電回路先構(gòu)成電路; 而在拔斷時(shí)，則是高壓互鎖回路先斷開(kāi)。
BMS 在執(zhí)行VCU 發(fā)送的上電命令時(shí)，必檢測(cè)高壓互鎖回路*，才能通過(guò)控制繼電器的動(dòng)作，接通高壓供電回路，否則上報(bào)故障且不執(zhí)行上電命令。在車輛正常行駛過(guò)程中，也要不間斷監(jiān)測(cè)高壓互鎖回路情況，一旦發(fā)現(xiàn)存有故障，立即進(jìn)入相應(yīng)的故障處理模式。
2. 4 短路及過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)
電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，由于用電器件所需功率需求不同，導(dǎo)致各分支電路上的電流大小不同，動(dòng)力電池作為動(dòng)力源，其流過(guò)的電流是所有分支電流之和。為保證電池使用安全，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)電池包內(nèi)的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)電流過(guò)大或電池包內(nèi)部短路，立即上報(bào)故障信息進(jìn)行不同故障等級(jí)的處理，從而防止因過(guò)流或短路電流而產(chǎn)生熱效應(yīng)導(dǎo)致線束燒壞、起火燒車的現(xiàn)象發(fā)生。
對(duì)于電流監(jiān)測(cè)，可選分流器和霍爾傳感器。分流器雖然精度比較高，但電流流經(jīng)分流器會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，存在一定的電能損耗，且分流器需一定的電氣隔離，否則影響測(cè)量精度。分流器的電阻也會(huì)隨溫度的變化而變化，導(dǎo)致采集誤差。霍爾傳感器具有精度高、線性好、無(wú)須電氣隔離裝置、響應(yīng)時(shí)間快、無(wú)電壓損耗等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于動(dòng)力電池包內(nèi)的電流監(jiān)測(cè)。
霍爾傳感器的安裝位置應(yīng)在主負(fù)繼電器之前( 如圖2) ，動(dòng)力電池?zé)o論處于充電還是放電狀態(tài)，均能監(jiān)測(cè)到電流。采用這種布置方式也是基于監(jiān)測(cè)電池利用自身電能進(jìn)行加熱過(guò)程中電流的考慮，否則無(wú)法監(jiān)管電池加熱過(guò)程的安全。
當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，為了保證車輛和人員安全，應(yīng)迅速斷開(kāi)電路。通過(guò)霍爾傳感器的監(jiān)測(cè)上報(bào)給BMS，BMS 再通過(guò)控制主正、主負(fù)繼電器斷開(kāi)用電回路，這一系列過(guò)程不僅比熔斷器熔斷繁瑣耗時(shí)，還不能達(dá)到快速切斷電路要求。因此，在動(dòng)力電池電路中增加短路熔斷器尤為重要。如果動(dòng)力電池包為單包，則選擇合適的熔斷器安裝在主回路中，便于結(jié)構(gòu)布置。
若動(dòng)力電池包為多包，則應(yīng)選擇帶有相匹配熔斷器的維修開(kāi)關(guān)，安裝在動(dòng)力電池模組之間，既方便電池維修拆裝時(shí)斷電保護(hù)，又便于熔斷器熔斷后的更換。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了動(dòng)力電池內(nèi)部高壓安全設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，從而確保純電動(dòng)汽車的安全性。