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新能源汽車高電壓組件結(jié)構(gòu)淺析

2020-01-18 21:04:14·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
新能源汽車上的高壓組件通過高壓連接器連接在一起。1.1 高壓互鎖（High Voltage Interlock）在設(shè)計(jì)高壓連接器時(shí)，需要考慮插拔過程中的高壓安全保護(hù)，如斷開時(shí)，
 新能源汽車上的高壓組件通過高壓連接器連接在一起。
 
1.1 高壓互鎖（High Voltage Interlock）
在設(shè)計(jì)高壓連接器時(shí)，需要考慮插拔過程中的高壓安全保護(hù)，如斷開時(shí)，高壓互鎖應(yīng)先斷開，然后高壓端子再斷開，接合時(shí)則相反。高壓互鎖一般分為內(nèi)置式和外置式（圖1）。內(nèi)置式高壓互鎖回路安裝在高壓端子之間，結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小，目前被廣泛應(yīng)用。高壓互鎖回路通過電平或PWM信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，主要失效模式為短路或斷路。
圖1 高壓互鎖的結(jié)構(gòu)
 
1.2 高壓連接器的防護(hù)等級(jí)要求
高壓連接器的防護(hù)等級(jí)一般要求至少達(dá)到IP67。IP是國際防護(hù)代碼（International Protection code），IP后面第1個(gè)數(shù)字表示固態(tài)防護(hù)等級(jí)，范圍為0～6，表示對(duì)從大顆粒異物到灰塵的防護(hù)等級(jí)；IP后面第2個(gè)數(shù)字表示液態(tài)防護(hù)等級(jí)，范圍為0～8，表示對(duì)從垂直水滴到水底壓力情況下的防護(hù)等級(jí)。IP67表示能夠防止灰塵進(jìn)入，且經(jīng)得起短暫浸泡。
 
1.3 高壓連接器端子接觸件結(jié)構(gòu)
高壓連接器端子接觸件結(jié)構(gòu)主要有片簧式、冠簧式、扭簧式等，不同的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了電接觸方式（面接觸、線接觸和多點(diǎn)接觸）的不同，選用何種形式由連接器的應(yīng)用場合決定。
片簧式連接器（圖2）是第一代傳統(tǒng)連接器，它是應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)連接器。冠簧式連接器（圖3）比片簧式連接器端子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，母頭從1個(gè)零件增加到2個(gè)零件，核心的接觸彈片為精密沖壓的百葉窗形狀的柵欄，它的接觸點(diǎn)多達(dá)幾十個(gè)，改善了連接的可靠性。扭簧式連接器（圖4）的電流承載能力很強(qiáng)，適用于充電槍和充電插座。
圖2 片簧式連接器
圖3 冠簧式連接器
圖4 扭簧式連接器
2 高壓線路
 
2.1 高壓標(biāo)記
每個(gè)高壓組件的殼體上都帶有警告標(biāo)記（圖5），維修人員和車主可通過警告標(biāo)記得知高電壓可能帶來的危險(xiǎn)。由于高壓導(dǎo)線可能有幾米長，在一處或兩處張貼警告標(biāo)記的意義不大，維修人員可能會(huì)忽視這些標(biāo)記，因此選用橙色警告色標(biāo)記出了所有的高壓線束（圖6），且高壓線束的導(dǎo)線連接器也采用橙色設(shè)計(jì)。
圖5 高壓組件上的警告標(biāo)記
圖6 高壓線束及導(dǎo)線連接器的橙色標(biāo)記
 
2.2 高壓線束
直流電纜組件由2根絕緣的高壓線束組成，用來連接動(dòng)力電池組和變頻器。高壓線束屬于高安全件，所以高壓線束的設(shè)計(jì)及布置至關(guān)重要。整車高壓線束主要涉及到線束走向、線徑、高壓連接器、充電口的類型和應(yīng)用、屏蔽、高壓線束固定、高壓線槽、高壓互鎖等。
在很多混合動(dòng)力汽車中，直流電纜組件從汽車尾部（在這里與汽車的混合動(dòng)力電池組相連接）一直延伸到發(fā)動(dòng)機(jī)室蓋下方的變頻器上。由于大部分高壓線束都位于汽車底盤部位（夾在動(dòng)力電池組和底盤之間），因此能受到很好的保護(hù)。而純電動(dòng)汽車和一些插電式汽車安裝的電池組要大得多，往往要延長到幾乎車輛前部的位置，因此其高壓線束通常會(huì)比混合動(dòng)力汽車上的短一些（圖7）。
在舉升新能源汽車之前，技術(shù)人員應(yīng)參考汽車維修手冊確定車輛的規(guī)定起吊點(diǎn)，從而確保起重臂或吊板沒有接觸到高壓組件。有些車的規(guī)定起吊點(diǎn)信息在車主手冊上也能查得到。
圖7 純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組上的高壓線束
電池組和變頻器之間的直流連接電纜還向DC/DC轉(zhuǎn)換器供電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)12 V輔助系統(tǒng)的供電，并在車輛通電時(shí)（READY ON時(shí)）對(duì)汽車的12 V輔助電池進(jìn)行充電。盡管DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓屬于低電壓，但仍然將其看成是一種高壓元件，因?yàn)樗妮斎攵私尤氲氖歉邏弘姟?/div>
3 高壓導(dǎo)線連接器的拆裝
無論是扁平式高壓導(dǎo)線連接器還是圓形高壓導(dǎo)線連接器，在松開或固定時(shí)都必須嚴(yán)格遵守規(guī)定順序。如果更換了高壓組件，組裝時(shí)必須注意：按規(guī)定重新建立高壓組件殼體與車輛接地之間的導(dǎo)電連接；嚴(yán)格遵守維修說明；由另外1名維修人員檢查維修工作（包括擰緊力矩、接觸裸露金屬等），并在維修工單上進(jìn)行書面記錄。
 
3.1 扁平式高壓導(dǎo)線連接器的拆裝
在某些高壓組件的導(dǎo)線連接器上有單獨(dú)的高壓互鎖回路導(dǎo)線連接器，在松開高壓導(dǎo)線連接器前，必須首先松開高壓互鎖回路導(dǎo)線連接器（圖8）。高壓互鎖回路導(dǎo)線連接器處于連接狀態(tài)時(shí)，高壓互鎖回路閉合；松開高壓互鎖回路導(dǎo)線連接器，高壓互鎖回路斷開，此時(shí)高電壓系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。這是一項(xiàng)附加安全措施，確保維修人員在開始工作前已將高電壓系統(tǒng)切換為無電壓輸出狀態(tài)。
圖8 松開高壓互鎖回路導(dǎo)線連接器
松開高壓互鎖回路導(dǎo)線連接器后，推移機(jī)械鎖止件（圖9），然后即可拔出高壓導(dǎo)線連接器（圖10）。將高壓導(dǎo)線連接器拔出幾毫米（位置A）后，可感覺到較高反作用力，此時(shí)要向相同方向繼續(xù)拔出高壓導(dǎo)線連接器（位置B）。注意：在位置A時(shí)切勿將高壓導(dǎo)線連接器重新壓回高壓組件上，這樣可能會(huì)損壞高壓導(dǎo)線連接器。
重新連接高壓導(dǎo)線連接器時(shí)，按松開的相反順序進(jìn)行即可。圖11展示了高壓組件上扁平式高壓導(dǎo)線連接器插座的結(jié)構(gòu)。
 
3.2 圓形高壓導(dǎo)線連接器的拆裝
圖9 推移高壓導(dǎo)線連接器的機(jī)械鎖止件
圖10 拔出高壓導(dǎo)線連接器
如圖12所示，將圓形高壓導(dǎo)線連接器上的2個(gè)鎖止元件壓向一起，然后即可拔出高壓導(dǎo)線連接器。重新連接高壓導(dǎo)線連接器時(shí)無需再將鎖止元件壓向一起，只需將高壓導(dǎo)線連接器縱向推向高壓組件上的高壓導(dǎo)線連接器插座即可，此時(shí)必須確保鎖止元件已卡入（發(fā)出咔嗒聲），隨后還應(yīng)通過拉動(dòng)高壓導(dǎo)線連接器檢查鎖止件是否真的卡入。圖13展示了圓形高壓導(dǎo)線連接器及其插座的結(jié)構(gòu)。
圖11 扁平式高壓導(dǎo)線連接器插座的結(jié)構(gòu)
1—屏蔽線的電氣觸點(diǎn)；2—高電壓導(dǎo)線的電氣觸點(diǎn)；3—接觸保護(hù)；4—機(jī)械鎖止件；5—高壓互鎖回路的插座
圖12 松開圓形高壓導(dǎo)線連接器的方法
圖13 圓形高壓導(dǎo)線連接器及其插座的結(jié)構(gòu)
1—高電壓導(dǎo)線；2—鎖止元件操作部位；3—外殼；4—鎖止元件；5—高壓互鎖回路接口；6—用于屏蔽的接口；7—高電壓接口（負(fù)極）；8—導(dǎo)線連接器連接位置標(biāo)記；9—高壓互鎖回路接口；10—高電壓接口（正極）
4 動(dòng)力電池組
 
4.1 動(dòng)力電池的性能指標(biāo)
電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的燃油箱，是電驅(qū)動(dòng)裝置的蓄能器。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心部件，動(dòng)力電池技術(shù)是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。動(dòng)力電池組主要有以下4個(gè)技術(shù)參數(shù)。
（1）比能量。比能量又稱質(zhì)量比能量，是指單位質(zhì)量電池所能輸出的電能，單位是Wh/kg。比能量反映電池質(zhì)量水平，影響電動(dòng)汽車的整車質(zhì)量和續(xù)航里程，是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池是否滿足預(yù)定續(xù)駛里程的重要指標(biāo)。
（2）比功率。比功率又稱質(zhì)量比功率，是指單位質(zhì)量電池所能輸出的功率，單位是W/kg。比功率用來判斷電動(dòng)汽車的加速性能和最高車速，直接影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能。比功率越大，電動(dòng)汽車加速和爬坡性能越好，最高車速越高。
（3）循環(huán)壽命。電池經(jīng)歷一次充電和放電的過程稱為一個(gè)循環(huán)，電池所能經(jīng)歷的充放電循環(huán)次數(shù)稱為循環(huán)壽命。循環(huán)壽命是衡量動(dòng)力電池壽命的重要指標(biāo)。循環(huán)次數(shù)越多，動(dòng)力電池的使用時(shí)間越長。
（4）成本。電池的成本與新技術(shù)、原材料、制作工藝和生產(chǎn)規(guī)模等因素有關(guān)。通常新開發(fā)的高比功率電池成本相對(duì)較高。
 
4.2 動(dòng)力電池的類型
新能源汽車電池種類較多，目前市場上主流動(dòng)力電池為鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池?，F(xiàn)通常采用以電池正極材料來命名的規(guī)則。
（1）鎳氫電池。鎳氫（NiMH）電池的正極材料是氫氧化鎳（NiOH），負(fù)極材料是金屬氫化物，電解液是30%的氫氧化鉀水溶液。單體鎳氫電池的額定電壓為1.2 V，其比能量約為70 Wh/kg～100 Wh/kg。鎳氫電池基本上無記憶效應(yīng)，可循環(huán)使用500 次～1 000 次。鎳氫電池對(duì)過度充電、深度放電、過熱、極性接錯(cuò)等情況反應(yīng)敏感。目前多數(shù)非插電式混合動(dòng)力汽車使用的是鎳氫電池組，如非插電的豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車。
（2）鋰離子電池。插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車一般使用鋰離子電池，其能量密度高于鎳氫電池組。鋰離子電池種類繁多，如今在售新能源汽車配備的鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，這兩種電池在自身特點(diǎn)上存在差異。
1）磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池正極材料為磷酸鐵鋰，負(fù)極材料是石墨，電解質(zhì)是由有機(jī)溶劑和鋰鹽組成。單體磷酸鐵鋰電池標(biāo)稱電壓為3.2 V，現(xiàn)已達(dá)到3.7 V，其比能量為100 Wh/kg～110 Wh/kg。磷酸鐵鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命達(dá)到2 000 次以上。鎳氫電池?zé)岱€(wěn)定性較好，當(dāng)電池溫度處于500 ℃～600 ℃時(shí)，其內(nèi)部化學(xué)成分才開始分解。比亞迪e5車、e6車均使用了磷酸鐵鋰電池。
2）三元鋰電池。三元鋰電池使用鎳鈷錳等3種正極材料按一定比例混合，負(fù)極材料是石墨，電解質(zhì)是有機(jī)溶劑和鋰鹽組成。單體三元鋰電池標(biāo)稱電壓為3.6 V～3.7 V，比能量為150 Wh/kg～180 Wh/kg，特斯拉MODEL S車上比能量已經(jīng)達(dá)200 Wh/kg。三元鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)，但在安全性能、耐高溫性能、使用壽命性能方面比磷酸鐵鋰電池差。特斯拉MODEL S、吉利帝豪EV300、北汽EV200等車均使用了三元鋰電池。
（3）燃料電池。燃料電池是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置，能量的來源主要是依靠不斷供給燃料及氧化劑產(chǎn)生，主要是氫和氧。其因能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染、壽命長、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)被業(yè)界公認(rèn)為未來汽車的最佳能源。世界首款量產(chǎn)燃料電池汽車是日本豐田Mirai車。
 
4.3 動(dòng)力電池組的外部特征
（1）機(jī)械接口。動(dòng)力電池組的殼體通過螺栓以機(jī)械方式與車輛底盤連接在一起，這種方式可使車身重力及車輛行駛期間產(chǎn)生的加速力作用在車身上。固定螺栓可直接從下方接觸到，不必事先拆卸底部飾板。
（2）電氣接口。動(dòng)力電池組電氣接口包括高壓電接口和低壓電接口。以寶馬i3車為例，其動(dòng)力電池組的高壓電接口和低壓電接口的位置如圖14所示。
1）高壓電接口。在動(dòng)力電池組上有1個(gè) 2 芯高壓電接口（圖15）。動(dòng)力電池組通過該接口與高壓電車載網(wǎng)絡(luò)連接。高壓電接口可防止接觸導(dǎo)電部件，實(shí)際觸點(diǎn)帶有塑料外殼，無法直接接觸，只有連接導(dǎo)線時(shí)才壓開塑料外殼并進(jìn)行接觸。塑料滑塊用于機(jī)械鎖止插頭，也是安全功能的組成部分。未連接高壓電導(dǎo)線時(shí)，滑塊蓋住高壓電互鎖監(jiān)控電橋的接口（圖15b），只有按規(guī)定連接了高壓電導(dǎo)線且插頭已鎖止時(shí)，才能接觸到這個(gè)接口并插上電橋（圖15a）。這樣可以確保只有連接了所有高壓電導(dǎo)線時(shí)高壓電互鎖監(jiān)控電路才閉合，高壓電系統(tǒng)才會(huì)啟用，可以防止接觸可能帶電的接觸面。圍繞高壓電導(dǎo)線的兩個(gè)電氣觸點(diǎn)還各有一個(gè)屏蔽觸點(diǎn)，這樣可使高壓電導(dǎo)線屏蔽層（每根導(dǎo)線各有一個(gè)屏蔽層）一直持續(xù)到動(dòng)力電池組殼體內(nèi)，從而有助于確保電磁兼容性（EMV）。
圖14 寶馬i3車動(dòng)力電池組的高壓電和低壓電接口位置
圖15 寶馬i3車動(dòng)力電池組高壓電接口
2）低壓電接口。動(dòng)力電池組除了1個(gè)2芯的高壓電接口之外，還有1個(gè)12 V低壓接口（圖14），其可以為電池管理單元提供總電壓、總線信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)等。
（3）提示牌。動(dòng)力電池組上一般裝有3個(gè)提示牌，即1個(gè)型號(hào)銘牌和2個(gè)警告提示牌。型號(hào)銘牌提供邏輯信息（如零件編號(hào)）和重要的技術(shù)數(shù)據(jù)（如額定電壓）。2個(gè)警告提示牌標(biāo)明動(dòng)力電池組采用的電池類型，并提醒可能存在的高壓危險(xiǎn)。圖16所示為寶馬i3車動(dòng)力電池組殼體端蓋上的3個(gè)提示牌。
圖16 寶馬i3車動(dòng)力電池組殼體上的提示牌
 
4.4 動(dòng)力電池組的車載充電接口
插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車需要補(bǔ)充充電，主要包括交流慢充和直流快充2種充電方式。在給動(dòng)力電池組充電時(shí)，需將充電槍插入車載充電接口。對(duì)應(yīng)交流慢充和直流快充2種充電方式，車載充電接口分為交流充電口和直流充電口，圖17所示為比亞迪e5車交直流充電口。具備交流慢充充電方式的車裝有車載充電器，其可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。在有直流快充功能的汽車上，將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的裝置安裝在充電樁內(nèi)，稱為非車載充電器。與交流慢充相比，有直流快充功能的汽車通常具備獨(dú)立的快充電路和充電連接器。
車載充電口均由2個(gè)高壓充電端子和多個(gè)低壓信號(hào)端子組成。低壓信號(hào)端子同時(shí)向車輛和充電機(jī)傳輸充電槍是否正確插入信號(hào)，并提供充電機(jī)能提供的最大充電電流及動(dòng)力電池組可接收的最大充電電流等信號(hào)。
為了達(dá)到動(dòng)力電池組充電時(shí)整車防水密封性要求，充電口通過另一個(gè)端蓋（圖18）防止充電接口受潮。另外，車載充電接口要能夠承受瞬時(shí)大電流的充電過程。
圖17 比亞迪e5車的充電口
 
4.5 動(dòng)力電池組的廢棄處理
電動(dòng)汽車制造商和電池供應(yīng)商都會(huì)使用回收和再利用動(dòng)力電池組。部分動(dòng)力電池組制造商還會(huì)將舊動(dòng)力電池組的某些部件重新應(yīng)用到所更換的電池組上。用于替換的動(dòng)力電池組通常放在特殊的裝運(yùn)箱中（圖19）被運(yùn)送到汽車維修點(diǎn)。技術(shù)人員從裝運(yùn)箱中取出替換電池組后，把故障電池組安全牢固地裝入這個(gè)裝運(yùn)箱內(nèi)并寄回發(fā)貨處。裝運(yùn)箱內(nèi)通常帶有包裝說明和安全防護(hù)須知。
圖18 充電口防潮保護(hù)裝置
圖19 運(yùn)輸動(dòng)力電池組的裝運(yùn)箱
 
 
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