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電動(dòng)汽車高壓電氣安全

2021-12-31 07:54:56·  來(lái)源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池組輸出的高壓直流電通過(guò)電機(jī)控制器逆變驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)直流電壓轉(zhuǎn)換器或逆變器向空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、或外輸出口等提供電
電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
動(dòng)力電池組輸出的高壓直流電通過(guò)電機(jī)控制器逆變
驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)直流電壓轉(zhuǎn)換器或逆變器
向空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、或外輸出口等提供電能，這構(gòu)成了整車的高壓電氣系統(tǒng)。
主要分：
① 動(dòng)力模塊：電機(jī)總成、 電池包總成；
② 控制模塊：電機(jī)控制器、DC-DC 、BMS 等；
③ 高壓輔助模塊：漏電保護(hù)器、PTC、壓縮機(jī) 、直流快充、交流慢充電口、應(yīng)急開關(guān)等。
五征物流車整車參數(shù)


結(jié)合產(chǎn)品需求，選定單排廂式車型為基礎(chǔ)車型進(jìn)行開發(fā)，載質(zhì)量為1500kg


電池成組電壓


體積：740L
成組方案：5P157S；
標(biāo)稱電壓：3.65*157=574V；
標(biāo)稱電量：69kwh；
電池模組固定采用框架式結(jié)構(gòu)，分兩層布置；
分箱布置
國(guó)內(nèi)主要商用車電壓水平




五征電動(dòng)汽車高壓電路示意圖
高壓安全管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D


高壓供電系統(tǒng)方案
微型電動(dòng)物流車項(xiàng)目車型的高壓系統(tǒng)包含動(dòng)力電池 PACK、OBC、EAS、PTC、MCU（MCU與 DCDC 集成在一個(gè)高壓盒中）、高壓盒系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)原則如下：
1) 具備預(yù)充電電路，降低系統(tǒng)的電流沖擊 含有兩路預(yù)充電電路：一路在電池系統(tǒng)內(nèi)為整個(gè)高壓負(fù)責(zé)預(yù)充電；一路在車載充電機(jī)輸出端為車載充電機(jī)輸出端提供預(yù)充電；
2) 具備絕緣檢測(cè)模塊 含一個(gè)絕緣檢測(cè)模塊，在電池系統(tǒng)內(nèi)，負(fù)責(zé)整個(gè)高壓系統(tǒng)直流側(cè)的絕緣狀態(tài)檢測(cè)；
3) 具備高壓系統(tǒng)下電后的主動(dòng)高壓放電功能；
4) 具備快慢充電口高壓隔離功能，實(shí)現(xiàn)充電時(shí)充電口不帶電；
5) 具備充電互鎖和機(jī)械檢修互鎖功能，互鎖信號(hào)可由硬件、軟件或綜合判斷實(shí)現(xiàn)，建議 由硬件實(shí)現(xiàn)；
（1）充電互鎖：通過(guò)交流充電口和快充充電口的硬件握手信號(hào) CC實(shí)現(xiàn)；
（2）在 FP 階段，電池系統(tǒng)無(wú)高低壓互鎖，EP 階段待定；
（3）手動(dòng)檢修互鎖由電池系統(tǒng)的檢修開關(guān)實(shí)現(xiàn)；
6) 高壓系統(tǒng)內(nèi)的每一路高壓回路需設(shè)置必要的過(guò)載／短路保護(hù)裝置，如熔斷器；
7) 高壓系統(tǒng)連接件具備防插錯(cuò)措施；
8) 各系統(tǒng)控制繼電器的模塊根據(jù)繼電器的類型設(shè)置保護(hù)電路，避免出現(xiàn)繼電器斷開瞬 間過(guò)壓或過(guò)流損壞部件。
電動(dòng)汽車安全課題


電動(dòng)汽車高壓電傷害分析
電動(dòng)汽車高壓電安全隱患的主要部件是動(dòng)力電池系統(tǒng)， 包括單體電池、 電池模塊、電池箱及管理系統(tǒng)、 充電系統(tǒng)、 高壓動(dòng)力線等。
觸電的種類：
接觸觸電指與充電接觸發(fā)生的觸電；
電磁感應(yīng)觸電是指與交流高壓附近的金屬相接觸發(fā)生的觸電；
靜電感應(yīng)觸電指在交流高電壓附近人體產(chǎn)生觸電， 因放電時(shí)的沖擊發(fā)生的觸電；
電弧觸電指人體因大電流在大氣中的放電被吹起而發(fā)生的觸電。
人體電阻 =1000Ω （潤(rùn)濕狀態(tài)的大致阻值）
表2 通過(guò)電流值和人體感覺

電脫離的極限電壓 E=I×R=0.07×1000=70V
高壓電系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)
電壓平臺(tái)選擇
目前ISO和國(guó)標(biāo)沒有對(duì)高壓平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)制性規(guī)定，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)電機(jī)電控平臺(tái)現(xiàn)狀，有一個(gè)推薦值。
144V 288V 320V 346V 400V 576V
目前汽車用單芯電線電壓等級(jí)60V 600V兩種。
采用高壓設(shè)計(jì)，是為了減小電機(jī)、逆變器的成本與體積、并且利于控制總線的工作電流在一定范圍內(nèi)從而保護(hù)電源系統(tǒng)。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求電機(jī)及控制器必須能在電源電壓為120%額定電壓下安全承受最大電流。另外電機(jī)在電源電壓降為75%額定電壓時(shí)，應(yīng)能在最大電流下運(yùn)行。
根據(jù)前述規(guī)格及采用的蓄電池類型，來(lái)確定電源系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓。
根據(jù)國(guó)標(biāo)GB-T 18488_1-2001 《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器技術(shù)條件》電源的電壓等級(jí)為：
直流300V左右電壓等級(jí)相當(dāng)于交流的220V，直流600V左右電壓等級(jí)相當(dāng)于交流380V；從安全角度考慮，如果可以使用低電壓盡量不使用高電壓；乘用車基本存在車載充電的需求，建議采用300V-350V電壓等級(jí)的產(chǎn)品（IGBT使用600V/650V）；商用車由于電池能量的需求，多使用600V電壓等級(jí)產(chǎn)品（IGBT使用1200V）。
綜合：
整車安全防護(hù)級(jí)別，電線線束防護(hù)等級(jí)、電線線束線徑成本、IGBT高效
工作區(qū)、整車功率需求、現(xiàn)有配套體系成熟產(chǎn)品。
以上因素決定整車高壓電路電壓等級(jí)。
整車電壓平臺(tái)越少越安全，減少故障率，防護(hù)成本低。
五征物流微卡電壓平臺(tái)為：
高壓574V
低壓12V
有些混合動(dòng)力車型考慮輕量化會(huì)有雙向逆變。




高壓電系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)
目的在于防止漏電、 過(guò)流、 有毒及易燃的化學(xué)
物質(zhì)泄漏等。
3.3.3 電源的電壓等級(jí)
電源的電壓等級(jí)為36V、48V、120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V、540V、600V。
目的在于防止漏電、 過(guò)流、 有毒及易燃的化學(xué)
物質(zhì)泄漏等。
成熟的電動(dòng)汽車應(yīng)該實(shí)時(shí)檢測(cè)一下數(shù)據(jù)：
① 高壓電氣參數(shù)：高壓系統(tǒng)電壓、 電流， 高壓總線剩余電量；
② 高壓電路參數(shù)：動(dòng)力電池絕緣電阻、 高壓總線等效電容；
③ 非電測(cè)量參數(shù)：環(huán)境溫度、 濕度：
④ 數(shù)字量測(cè)控參數(shù)：主要是開關(guān)量的輸入和輸出；
⑤ 輔助電壓、 繼電器鏈接狀況等
一般采樣頻率要控制在10-100MS，對(duì)重要的安全指標(biāo)采樣頻率應(yīng)控制在10MS。
三、高壓安全事項(xiàng)
各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)車輛的高壓電安全及控制制定了較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和要求并規(guī)定了高壓系統(tǒng)必須具備高壓自動(dòng)切斷系統(tǒng)。
其中涉及與電動(dòng)車有關(guān)的電氣特性有：
絕緣特性、
漏電流、
充電器的過(guò)流、
爬電距離及電氣間隙等。
高壓安全設(shè)計(jì)分主動(dòng)安全設(shè)計(jì)與被動(dòng)安全設(shè)計(jì)。
主動(dòng)安全：
采用物理的方法，對(duì)整車及動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)部件絕緣。
1、電池包二次絕緣；
從設(shè)計(jì)上電池組與箱體絕緣、箱體再次與車體絕緣
2、高壓電氣部件外殼接地；
高壓電器外殼接地，確保人體可觸及的部位與人體是同一電位。
3、絕緣電阻檢測(cè)；
對(duì)高壓總線與高壓部件進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，當(dāng)?shù)陀诎踩拗茣r(shí)采取相關(guān)措施。100歐姆/v
4、高壓電容上下電策略控制
5、溫度監(jiān)測(cè)和過(guò)熱保護(hù)
主要針對(duì)電池、 電機(jī)及控制器、 電池箱上高壓連接件的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 當(dāng)其溫度高于限值時(shí)， 必須采取行之有效的過(guò)熱保護(hù)功能。
6、 高壓余電泄放保護(hù)；
因高壓電路中存在大量的容性負(fù)載， 高壓電切斷后， 供電回路中仍余很高的電壓和電能。
為避免可能帶來(lái)的危害， 在高壓電源切斷后應(yīng)采用余電泄放的方法位。
7、電壓檢測(cè)和保護(hù)；
主要是總電壓和電池模塊電壓檢測(cè)。
充電+放電
8、 驅(qū)動(dòng)電機(jī)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有自己的短路或過(guò)流保護(hù)裝置， 采用卸載裝置以避免過(guò)熱。
9、低壓電源監(jiān)測(cè)；
動(dòng)力電池組通過(guò) DC-DC 變換器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為24V 低壓直流電，為整車低壓電器和電機(jī)控制器提供電源， 一旦發(fā)生故障會(huì)造成車輛停駛。
因此， 隨時(shí)監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)十分必要，并通過(guò)聲光報(bào)警， 提醒駕駛員采取措施。
10、高壓交直流防護(hù)的區(qū)別；
11、 爬電距離設(shè)計(jì) 國(guó)標(biāo)18384
1 ） 兩個(gè)蓄電池連接端子間的爬電距離為 d≥0.25U+5
（d — 被測(cè)試驗(yàn)用動(dòng)力蓄電池的爬電距離，mm ；U — 蓄電池兩個(gè)連接端子間的標(biāo)稱電壓， V ）。
2 ） 帶電部件與電盤之間的爬電距離為 d≥0.125U+5。
12、電磁抗干擾設(shè)計(jì)；
13、技術(shù)資料的完整性；
指導(dǎo)裝配和使用


被動(dòng)安全
1、自動(dòng)危險(xiǎn)電壓斷開：
在車輛發(fā)生碰撞事故、探測(cè)到強(qiáng)電線纜或是部件絕緣下降到低于安全限制時(shí)，自動(dòng)將危險(xiǎn)電壓隔離。
自動(dòng)危險(xiǎn)電壓斷開裝置應(yīng)具備自恢復(fù)功能，在初始條件清除后恢復(fù)牽引電壓。
2、手動(dòng)危險(xiǎn)電壓斷開：
在車輛維修保養(yǎng)時(shí)可以通過(guò)斷路手柄或是高壓連接器實(shí)現(xiàn)斷開電源。
3、系統(tǒng)互鎖
動(dòng)力電源斷開，高壓線路上電壓降至安全電壓。
4、熔斷
用合適的保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)過(guò)電流中斷電路；


高壓控制策略
高壓安全控制策略
高壓管理系統(tǒng)的功能是保證整車動(dòng)力電能的傳輸，并隨時(shí)檢測(cè)整個(gè)高壓系統(tǒng)的絕緣故障、斷路故障、接地故障和高壓故障。
高壓管理系統(tǒng)一般由車載低壓電源（12V）來(lái)供電（根據(jù)管理系統(tǒng)功能不同耗電量幾瓦到十瓦）。
在泊車期間管理系統(tǒng)必須停止工作，否則容易造成車載低壓電源虧電。
1 電機(jī)控制器的過(guò)載能力
在額定輸出電流下連續(xù)工作，允許加非周期性過(guò)載，過(guò)載的倍數(shù)和持續(xù)時(shí)間在產(chǎn)品中規(guī)定。
2 電機(jī)控制器的保護(hù)功能
電機(jī)控制器應(yīng)具有過(guò)電流、過(guò)電壓和欠電壓的保護(hù)功能。
3 饋電要求
在電機(jī)因慣性旋轉(zhuǎn)或被拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。
電機(jī)通過(guò)控制器應(yīng)能給125％額定電壓的電壓源充電。
饋電電流的大小和饋電效率在產(chǎn)品指標(biāo)中規(guī)定。
高壓電氣部件生產(chǎn)中安全性
1 電池組安裝
1 ）詳實(shí)的電池安裝操作、 使用維護(hù)手冊(cè)等資料。
2 ） 安裝或檢驗(yàn)人員不可配戴金屬飾品、 使用的工具須進(jìn)行絕緣防護(hù)， 避免同時(shí)觸碰電芯正負(fù)極， 引起短路。
3 ） 每塊電池、 每個(gè)電池箱體都有編號(hào)， 注意電池的正負(fù)， 依據(jù)圖紙將電池裝入相應(yīng)的電池箱內(nèi)。
在搬運(yùn)、 裝配過(guò)程中對(duì)電池應(yīng)當(dāng)輕拿輕放， 嚴(yán)禁摔、 碰等沖擊現(xiàn)象發(fā)生。
4 ） 電池箱的正負(fù)引線務(wù)必標(biāo)識(shí)清楚， 妥善進(jìn)行布線作業(yè)， 做到高低壓隔離， 做好高壓安全防護(hù)；電池連接操作過(guò)程中小心謹(jǐn)慎， 避免出現(xiàn)整組或部分電池被反接， 或整組或部分電池被短路現(xiàn)象。
5 ） 按照設(shè)計(jì)的電池連接方案， 用導(dǎo)電條將各個(gè)電池 （組） 連接；安裝極柱螺栓使用平墊圈和彈簧墊圈， 極柱螺栓務(wù)必?cái)Q緊。
6 ） 將電池箱裝入車上的電池艙內(nèi)， 電池箱安裝牢固。
當(dāng)電池組兩端電壓超過(guò)人體安全電壓 36 V 時(shí)，禁止用身體直接接觸電池組正負(fù)端， 以免觸電， 發(fā)生意外。
高壓線連接
1、 應(yīng)考慮線束的絕緣防護(hù)， 線束走向
高壓線不能同低壓線捆綁在一起。
高壓線接頭應(yīng)避開油管路接頭， 防止高壓線短路；高壓線不得與安裝螺栓等干涉， 并且應(yīng)避開熱源、 尖銳物或旋轉(zhuǎn)件；
2、 在電池箱總成之間連接線時(shí)，由具備電工資質(zhì)的人員操作。
（應(yīng)帶絕緣手套、 穿絕緣鞋）
3、 整車下線上電前使用絕緣檢測(cè)儀進(jìn)行整車高壓絕緣檢測(cè)。

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