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東風(fēng)汽車 | 電動(dòng)汽車預(yù)防高壓回路熱點(diǎn)問(wèn)題策略分析
2021-11-13 22:50:50· 來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂 作者：劉轉(zhuǎn)民等
文章來(lái)源：東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心引言(1)高壓系統(tǒng)介紹在電動(dòng)汽車上，整車帶有高壓電的零部件有動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高壓配電箱(POU)、電動(dòng)壓縮機(jī)、DC
文章來(lái)源：東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心
引言
(1)高壓系統(tǒng)介紹
在電動(dòng)汽車上，整車帶有高壓電的零部件有動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高壓配電箱(POU)、電動(dòng)壓縮機(jī)、DC/DC、OBC、PTC、高壓線束等，這些部件組成了整車的高壓系統(tǒng)，其中動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高壓控制系統(tǒng)為純電動(dòng)汽車上的三大核心部件。
如圖1所示，整車高壓線束主要包括以下段：
l)動(dòng)力電池高壓電纜：連接動(dòng)力電池到高壓配電盒之間的線纜。
2)電機(jī)電纜：連接高壓配電盒到電機(jī)及控制器之間的線纜。
3))快充電纜：連接快充口到高壓配電盒之間的線纜。
4))慢充線纜：連接慢充口到車載充電機(jī)之間的線纜。
5)高壓附件線纜：連接高壓配電盒到DC/DC、車載充電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、PTC之間的線纜。
(2)高壓回路過(guò)熱原因與危害
高壓回路過(guò)熱的主要原因見表l。
無(wú)論是高壓系統(tǒng)線纜還是12V系統(tǒng)電纜，線纜局部溫度過(guò)高都會(huì)引起部件功能失效甚至車輛火災(zāi)，對(duì)于高壓線纜尤為如此，因此預(yù)防線纜出現(xiàn)熱點(diǎn)并傳播引發(fā)起火是設(shè)計(jì)中需要考慮的因素。高壓電路過(guò)熱的主要后果見表2。
1降低線纜熱點(diǎn)的主要解決方式
通常，對(duì)于表l中所述的線纜過(guò)熱原因，主要有以下幾種解決方式，如設(shè)計(jì)合理線徑、連接處可靠固定、過(guò)熱后的系統(tǒng)安全策略保護(hù)等。
1.1電纜線徑
電纜線徑越粗，能承載的電流越大，但選擇線纜線徑時(shí)也不是越粗越好，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算選擇。依據(jù)整車各個(gè)高壓電氣元件布局圖分清主回路和支路，確定高壓線束所連接的高壓部件的負(fù)載特性，如工作電壓、額定功率、峰值功率、額定電流、峰值電流、持續(xù)時(shí)間等。
同時(shí)，工作溫度及環(huán)境溫度對(duì)于電纜線徑也是有影響的。由于大電流傳輸會(huì)導(dǎo)致高功耗和相關(guān)組件的溫升提高，所以如果線纜的布置環(huán)境超過(guò)了電纜允許的工作溫度，就必須選擇較大截面積的電纜。
1.2連接處固定
線纜接觸不良會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常工作造成影響，如電纜、連接器等連接處開路或接觸不良，引起拉弧，從而引發(fā)火災(zāi)。電纜、連接器等連接處電阻增加，也會(huì)引起局部發(fā)熱。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，通常對(duì)高壓連接器之間采用特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，如互鎖方式。為減小線纜與車身的連接電阻，也采用螺栓固定或焊接等方式，以便減小因接觸不良導(dǎo)致電阻增加而引發(fā)的線纜過(guò)熱。
1.3可靠的系統(tǒng)安全保護(hù)策略
通過(guò)控制策略，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行可靠的保護(hù)。VCU作為電動(dòng)汽車中的調(diào)配大腦，對(duì)電纜過(guò)熱保護(hù)策略預(yù)期為：監(jiān)測(cè)高壓回路各部件(EAC／PTC/BMS/DCDC/MCU)處的電壓，檢測(cè)到一定壓差l時(shí)斷開高壓回路。
通過(guò)上述三種設(shè)計(jì)方式，加上控制策略保護(hù)，就不會(huì)因車輛的長(zhǎng)期使用磨損因素而對(duì)行車安全造成影響，因此更為合理，更可靠。下面對(duì)電纜過(guò)熱保護(hù)策略的具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分析。
2預(yù)防電纜過(guò)熱保護(hù)策略實(shí)施
通過(guò)系統(tǒng)分析，VCU對(duì)車輛保護(hù)策略實(shí)施方案為：高壓回路連接后，VCU監(jiān)測(cè)高壓回路各部件(EAC/PTC/BMS/DCDC/MCU)的電壓，任意兩處電壓之間壓差超過(guò)規(guī)定限值，并且持續(xù)1血nVCU請(qǐng)求下高壓，即點(diǎn)亮動(dòng)力系統(tǒng)故障燈。
2.1高壓回路壓差計(jì)算
2.1.1高壓回路電阻的測(cè)試
分別對(duì)電機(jī)系統(tǒng)、OBCDC/DC、EAC、PTC高壓回路電阻進(jìn)行測(cè)試。高壓電纜／連接器電阻＝電纜線阻＋端子電阻＋壓接電阻＋接觸電阻(mil)。如圖2所示，將四個(gè)測(cè)試系統(tǒng)分成了兩個(gè)部分。
2.1.2各高壓回路的理論最大壓降計(jì)算
根據(jù)測(cè)試值，并根據(jù)各系統(tǒng)最大工作允許值，計(jì)算出各高壓回路的最大壓降。
2.1.3高壓回路最大壓降分析
由于元器件本身和實(shí)際測(cè)試均存在誤差，因此為了保護(hù)策略的可靠性，必須考慮電壓計(jì)算誤差累計(jì)和實(shí)際壓差兩方面的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)誤差分析，計(jì)算VCU收到的電壓值。對(duì)于以上高壓器件，誤差主要考慮見表4。
通過(guò)測(cè)量和計(jì)算，得出電池包輸出電壓在400-404V不同電壓值時(shí)VCU接收的最大壓差，見表5。
根據(jù)上表，VCU接收的高壓回路最大壓差為18V。
2.2高壓回路溫升計(jì)算
根據(jù)高壓線束特性，對(duì)不同壓差下各回路溫升估算（此處以國(guó)標(biāo)規(guī)定材料特性為準(zhǔn)），主要計(jì)算步驟如下：
l)回路每秒溫升＝每秒由壓差引起最大發(fā)熱量／該回路銅芯的熱值。
2)每秒由壓差引起最大發(fā)熱量＝壓差x最大電流Xls。
3)該回路銅芯的每上升1°C熱值＝銅比熱容x該回路銅芯質(zhì)量。
電纜絕緣層材料硅膠，連接器絕緣材料PA,溫度等級(jí)200°C,可承受熱過(guò)載為250°C持續(xù)4h。
依據(jù)上表，電機(jī)系統(tǒng)回路每秒溫升最高，當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)回路壓差為20V時(shí)，按峰值功率持續(xù)10s,前6.5s溫升225°C,達(dá)到250°C最高溫度，再持續(xù)3.5s,考慮散熱存在，沒(méi)有超過(guò)電纜、連接器承受熱過(guò)載能力。因此高壓回路20V滿足要求。
3結(jié)論
本文通過(guò)分析電動(dòng)汽車高壓回路線纜過(guò)熱的原因，提出了幾種應(yīng)對(duì)方式，重點(diǎn)介紹了如何通過(guò)VCU保護(hù)策略可靠預(yù)防線纜過(guò)熱。同時(shí)，結(jié)合設(shè)計(jì)誤差與測(cè)量誤差，對(duì)峰值條件下的受熱過(guò)載能力進(jìn)行了分析。得出了VCU對(duì)高壓回路壓差值可靠的保護(hù)值。通過(guò)實(shí)車耐久性驗(yàn)證，高壓回路壓差保護(hù)值設(shè)定在20V,能否覆蓋測(cè)量和信號(hào)發(fā)送誤差造成的誤判斷，以此來(lái)可靠預(yù)防高壓回路因電纜／連接器電阻增加，造成電纜或連接器局部溫度上升形成的熱點(diǎn)。
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