動力電池需要從”電量管理“、”充放電“、”能量回收“等等各個方面來管理。那么對于新能源汽車BMS如此重要，今天漫談君就和大家聊一聊動力電池管理系統(tǒng)（BMS）策略與開發(fā)方法。

一直以來，電動汽車沒有發(fā)展起來的原因就是電池，電池的瓶頸太大，現(xiàn)有技術(shù)無法保證續(xù)航里程，其實最早發(fā)展的是電動車，比燃油車更早，但因為續(xù)航的原因，在100多年前，電動車胎死腹中，直到近些年，能量密度的提升特別是BMS的出現(xiàn)，也就是BMS的出現(xiàn)，使得純電動汽車有了跨越式的發(fā)展。

一、BMS是什么

BMS英文名稱BatteryManagement System，中文名稱動力電池管理系統(tǒng)，對電池進(jìn)行監(jiān)控和管理的系統(tǒng)，通過對電壓、電流、溫度以及SOC等參數(shù)采集、計算，進(jìn)而控制電池的充放電過程，實現(xiàn)對電池的保護(hù)，提升電池綜合性能的管理系統(tǒng)，是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。




二、BMS主要功能



1、參數(shù)檢測
實時采集電池充放電狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)有電池總電壓、電池總電流、每包電池測點溫度以及單體模塊電池電壓等。

2、剩余電量（SOC）估計
電池剩余能量相當(dāng)于傳統(tǒng)車的油量。為了讓司機(jī)及時了解SOC，系統(tǒng)應(yīng)即時采集充放電電流、電壓等參數(shù)，通過相應(yīng)的算法進(jìn)行SOC的估計。

3、充放電控制
根據(jù)電池的荷電狀態(tài)控制對電池的充放電。若某個參數(shù)超標(biāo)，如單體電池電壓過高或過低，為保證電池組的正常使用及性能的發(fā)揮，系統(tǒng)將切斷繼電器，停止電池的能量供給。

4、熱管理
實時采集每包電池測點溫度，通過對散熱風(fēng)扇的控制防止電池溫度過高。

5、均衡控制
由于每塊電池個體的差異以及使用狀態(tài)的不同等原因，因此電池在使用過程中不一致性會越來越嚴(yán)重。系統(tǒng)應(yīng)能判斷并自動進(jìn)行均衡處理。

6、故障診斷
通過對電池參數(shù)的采集，系統(tǒng)具有預(yù)測電池性能、故障診斷和提前報警等功能。

7、信息監(jiān)控
電池的主要信息在車載顯示終端進(jìn)行實時顯示。

8、參數(shù)標(biāo)定
由于不同的車型使用的電池類型、數(shù)量、電池包大小和數(shù)量不同，因此系統(tǒng)應(yīng)具有對車型、車輛編號、電池類型和電池模式等信息標(biāo)定的功能。BMS通過RS232接口與上位機(jī)標(biāo)定軟件進(jìn)行通信來實現(xiàn)。

9、CAN總線接口
根據(jù)整車CAN通信協(xié)議，與整車其他系統(tǒng)進(jìn)行信息共享。



三、BMS結(jié)構(gòu)
在純電動汽車中將動力電池分組串并聯(lián)形成整車高壓電源為整車提供動力源。
BMS主要結(jié)構(gòu)如下圖所示：



從整車角度考慮，設(shè)計BMS采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和在車上的布置情況如下圖所示。系統(tǒng)中在每個電池包中布置電池測控模塊，各個電池測控模塊通過485總線與BMS中央控制器連接在一起形成整個系統(tǒng)。BMS中央控制器同時通過RS232總線將監(jiān)控信息發(fā)送到信息顯示器，通過CAN總線接口與整車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。




四、BMS電氣架構(gòu)
對于分布式BMS，由1個主控制器、1個高壓控制器、2個從控制器及相關(guān)采樣控制線束組成，通過CAN總線實現(xiàn)各控制器間信息交互，如下圖所示。



1、主控制器
處理從控制器和高壓控制器上報的信息，同時根據(jù)上報信息判斷和控制動力電池運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)BMS相關(guān)控制策略，并作出相應(yīng)故障診斷及處理。

2、高壓控制器
實時采集并上報動力電池總電壓、電流信息，通過其硬件電路實現(xiàn)按時積分，為主板計算荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）、健康狀態(tài)（State of Health，SOH）提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，同時可實現(xiàn)預(yù)充電檢測和絕緣檢測功能。

3、從控制器
實時采集并上報動力電池單體電壓、溫度信息，反饋每一串電芯的SOH和SOC，同時具備被動均衡功能，有效保證了動力使用過程中電芯的一致性。

4、采樣控制線束
為動力電池各種信息采集和控制器間信息交互提供硬件支持，同時在每一根電壓采樣線上增加冗余保險功能，有效避免因線束或管理系統(tǒng)導(dǎo)致的電池外短路。



五、BMS控制方法
一個完整、合理的BMS控制方法，才能保證動力電池安全可靠地實現(xiàn)其最優(yōu)的性能并保證最長的使用壽命，BMS主要控制方法有如下幾種：



1、工作模式控制
BMS具有以下5種工作模式



A、下電模式
下電模式是整個系統(tǒng)的低壓與高壓部分處于不工作狀態(tài)的模式。在下電模式下，BMS控制的所有高壓接觸器均處于斷開狀態(tài)；低壓控制電源處于不供電的狀態(tài)。下電模式屬于省電模式。
B、待機(jī)模式
BMS在此模式下不處理任何數(shù)據(jù)，能耗極低，能快速啟動。準(zhǔn)備模式下，系統(tǒng)所有的接觸器均處于未吸合狀態(tài)。在該模式下，系統(tǒng)可接受外界的點火鎖、整車控制器、電機(jī)控制器、充電插頭開關(guān)等部件發(fā)出的硬線信號或受CAN報文控制的低壓信號來驅(qū)動各高壓接觸器，從而使BMS進(jìn)入所需工作模式。
C、放電模式
BMS在待機(jī)模式下檢測放電WAKEUP信號后，接收車輛控制器（Vehicle Control Unit，VCU）發(fā)來的動力電池運(yùn)行狀態(tài)指令和接觸器的動作指令，并執(zhí)行相關(guān)指令，完成BMS上電及預(yù)充電流程，進(jìn)入放電模式。
當(dāng)BMS檢測到點火鎖的高壓上電信號Key_ST信號后，系統(tǒng)將首先閉合B-接觸器。由于電機(jī)是一感性負(fù)載，為防止過大的電流沖擊，B-接觸器閉合后，即閉合預(yù)充接觸器進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)；當(dāng)預(yù)充電容兩端電壓達(dá)到母線電壓的95%時，立即閉合B+接觸器并斷開預(yù)充接觸器進(jìn)入放電模式。目前轎車常用的低壓電源由12V鉛酸蓄電池提供，不僅可為低壓控制系統(tǒng)供電，還為轉(zhuǎn)向電機(jī)、雨刮電機(jī)、安全氣囊及后視鏡驅(qū)動電機(jī)等提供電源。為保證低壓蓄電池能持續(xù)為整車控制系統(tǒng)供電，低壓蓄電池需有充電電源，而直流轉(zhuǎn)換接觸器的開啟即可滿足這一需求。因此，當(dāng)電池系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，打開B+接觸器后即閉合直流轉(zhuǎn)換接觸器，以保證低壓電源持續(xù)供電。
D、充電模式
BMS在待機(jī)模式下檢測充電WAKEUP信號后，接收VCU發(fā)來的動力電池運(yùn)行狀態(tài)指令和接觸器的動作指令，并執(zhí)行相關(guān)指令，完成BMS充電流程，進(jìn)入充電模式，同時與車載充電機(jī)通訊。當(dāng)BMS檢測充電喚醒信號Charge Wake Up時，系統(tǒng)即進(jìn)入充電模式。在該模式下B-接觸器與車載充電接觸器閉合，同時為保證低壓控制電源持續(xù)供電，直流轉(zhuǎn)換接觸器處于工作狀態(tài)。充電模式下，系統(tǒng)不響應(yīng)點火鎖發(fā)出的任何指令，充電插頭發(fā)出的充電喚醒信號可作為判定為充電模式的依據(jù)。磷酸鐵鋰電池在低溫下不具有很好的充電特性，低溫下對鋰電池充電有一定的危險性。基于安全的考慮，還應(yīng)在系統(tǒng)進(jìn)入充電模式之前對系統(tǒng)進(jìn)行一次溫度判別。當(dāng)電池溫度低于0時，系統(tǒng)進(jìn)入充電預(yù)熱模式，此時可通過接通直流轉(zhuǎn)換接觸器對低壓蓄電池供電，同時可用預(yù)熱裝置對電池模組預(yù)熱；當(dāng)電池包內(nèi)的溫度達(dá)到并超過0時，系統(tǒng)可進(jìn)入充電模式，即閉合B-接觸器。
E、故障模式
BMS在任何模式下檢測到故障，均進(jìn)入故障模式，同時上報VCU故障狀態(tài)和相關(guān)故障代碼。故障模式是控制系統(tǒng)中常出現(xiàn)的一種狀態(tài)。由于車用電池的使用關(guān)系到用戶的人身安全，因而系統(tǒng)對于各種相應(yīng)模式總是采取安全第一的原則。BMS對于故障的響應(yīng)還需根據(jù)故障等級而定，當(dāng)其故障級別較低時，系統(tǒng)可采取報錯或發(fā)出輕微報警信號的方式告知駕駛?cè)藛T；而當(dāng)故障級別較高，甚至伴隨有危險時，系統(tǒng)采取直接斷開高壓接觸器的控制策略。電壓蓄電池是整車控制系統(tǒng)的供電來源，無論是處于充電模式、放電模式還是故障模式，直流轉(zhuǎn)換接觸器的閉合都可使得低壓蓄電池處于充電模式，從而提供接連不斷的低壓電力供應(yīng)。



2、預(yù)充電控制方法
BMS在上電狀態(tài)下檢測到VCU發(fā)來預(yù)充使能信號后，閉合預(yù)充電相關(guān)接觸器，并反饋接觸器狀態(tài)，同時檢測動力母線電壓，與動力電池電壓比較，當(dāng)動力母線電壓達(dá)到合理條件時吸合主正接觸器，切斷預(yù)充回路，完成預(yù)充電流程。
3、充放電控制方法
通過分析電芯充放電功率特性，并結(jié)合動力電池在不同環(huán)境、不同工況下的充放電能力，提出合理的充放電條件及閥值。分別從放電電流、電壓、溫度控制，充電電流、電壓、溫度控制，以及總電壓上限、總電壓下限、單體電壓上限、單體電壓下限、電流上限、電流下限、溫度上限、溫度下限和絕緣等方面控制電池充放電，同時每個控制閥值均具有二級冗余保護(hù)，提高動力電池充放電安全性。
根據(jù)環(huán)境溫度、動力電池SOH、SOC及可充電功率等不同維度控制動力電池快速充電條件及閥值。



4、熱管理控制方法
根據(jù)BMS從控制器上報的環(huán)境溫度和動力電池溫度信息，充分評估動力電池可充放電能力，控制開啟、關(guān)閉相關(guān)加熱冷卻裝置。常用熱管理系統(tǒng)為風(fēng)冷，模式分為充電熱管理和放電熱管理，冷卻功能具有兩個擋位：電池?zé)峁芾?、空調(diào)一體化熱管理，其中電池?zé)峁芾韱我粏觿恿﹄姵貎?nèi)部冷卻裝置，空調(diào)一體化熱管理同時開啟整車空調(diào)和動力電池內(nèi)部冷卻裝置。

5、SOC估算及修正方法
通過高精度電流傳感器對電流進(jìn)行采樣并積分，基本計算方法如下：



式中：
SOC0為初始時刻的SOC；
CN為電池額定容量；
I為電池充放電電流，
η為電池充放電效率。

由于車輛行駛工況較為復(fù)雜，電流采用精度有限，加之溫度變化對電池容量變化的影響，SOC計算很難計算準(zhǔn)確，所以產(chǎn)生了以下幾種修正策略。
開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）修正：根據(jù)不同溫度下電池單體電壓與SOC關(guān)系模型估算當(dāng)前SOC。下圖是常溫（25℃）下的OCV修正模型。



A、SOC動態(tài)修正
結(jié)合車輛不同工況，在不同溫度下建立動力電池充放電狀態(tài)下單體電壓與SOC的關(guān)系模型，估算當(dāng)前SOC。下圖是不同溫度下的SOC動態(tài)修正模型。



B、充電修正
基于SOC動態(tài)修正，在相對穩(wěn)定的充電工況下，通過建立動力電池單體電壓與SOC的關(guān)系模型估算當(dāng)前SOC。下圖是常溫（25℃）下的充電修正模型。



6、故障診斷方法
隨著車輛長期行駛，動力電池短路、開路、電性能下降、過充過放電及通風(fēng)系統(tǒng)不暢等現(xiàn)象均可能出現(xiàn)，所以合理的故障診斷機(jī)制尤為重要。通過BMS監(jiān)控及電氣系統(tǒng)硬件匹配，合理識別有效故障，并給出安全預(yù)警或保護(hù)策略，對于每個故障均具有三級冗余判斷：輕微故障、嚴(yán)重故障、致命故障。

7、安全監(jiān)控方法
安全監(jiān)控通過相關(guān)軟件代碼實現(xiàn)對外部硬件電路和功能零部件的功能失效判斷，其目的在于為動力電池增加一層軟件冗余保護(hù)，從而使車輛更加安全可靠地行駛。具體內(nèi)容如下圖所示，通過對電壓、電流、溫度、時間、通訊等信息的監(jiān)控，結(jié)合不同信息間的關(guān)系，由BMS處理并識別出潛在的失效模式。




六、BMS硬件設(shè)計
根據(jù)BMS的組成，系統(tǒng)硬件的設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集、通信、安全控制、熱管理等模塊，接下來看看硬件設(shè)計。



1、數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計
電壓、電流測量準(zhǔn)確度將直接影響到SOC估計的精度。下圖為電壓采樣電路圖。



母線正負(fù)極電壓由L1、L2組成的初級濾波電路濾波后，經(jīng)過R1、R2、R3、RP采樣電路進(jìn)行采樣，之后通過基于LM258的放大電阻轉(zhuǎn)化成0~5V電壓，送往單片機(jī)的A/D端口。由于母線電壓很高，系統(tǒng)中加入了由D1、D2組成的保護(hù)電路，以保證單片機(jī)安全工作。

對電池單體電壓進(jìn)行采樣時，必須對地進(jìn)行隔離。本設(shè)計中，使用AQW214EH光控MOS管開關(guān)實現(xiàn)對電池單體進(jìn)行循環(huán)采樣，在任意時刻，都只采集一個單體電壓。不但提高了系統(tǒng)的可靠性，而且降低了成本。電流的采樣通過霍爾電流傳感器實現(xiàn)。輸出的信號經(jīng)分壓、比較、放大后進(jìn)入MCU進(jìn)行處理。

2、通信模塊設(shè)計
與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，因而在汽車電子中得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)的微處理器PIC18F4585帶有CAN控制器，同時以PAC82C250芯片為CAN總線收發(fā)器，BMS通過CAN與整車控制器（VCU)等其他控制模塊進(jìn)行通信。為保證通信質(zhì)量，在CAN收發(fā)器與微控制器之間加入了6N137芯片進(jìn)行光耦隔離，同時CAN專用電源對信號地和模擬地進(jìn)行了隔離。此外，為了方便對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，預(yù)留了UART端口與計算機(jī)進(jìn)行通信。

3、安全控制模塊設(shè)計
電動汽車動力電池總電壓一般在300V以上，因此必須設(shè)計安全控制模塊，安全控制模塊如下圖所示。



在電池接入車輛前，系統(tǒng)使預(yù)加電傳感器閉合，將一個大電阻R通過預(yù)加電繼電器接入電池母線，并檢測其他參數(shù)，確保車輛運(yùn)行正常后再斷開預(yù)加電繼電器，閉合母線繼電器，將電池直接接入車輛。

漏電流霍爾傳感器用來檢測系統(tǒng)漏電故障。將正負(fù)母線同時穿過霍爾傳感器，若系統(tǒng)發(fā)生漏電故障，則通過正負(fù)母線的電流代數(shù)和不為0，霍爾傳感器輸出電流信號。本系統(tǒng)中，設(shè)定當(dāng)電流信號大于25mA時，漏電檢測電路向CPU發(fā)送中斷請求。CPU響應(yīng)中斷，切斷母線繼電器，并將故障信息發(fā)送給整車控制器（VCU)。

4、熱管理模塊設(shè)計
電池包的位置及外部條件都可能導(dǎo)致不均勻的溫度分布。溫度分布不均會引起電池單體之間的電壓不均衡，從而影響電池及整車的性能。電池溫度平衡的主要方法是通風(fēng)處理和使用散熱板，采用有限元方法對并行通風(fēng)和串行通風(fēng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明并行通風(fēng)的效果要明顯高于串行通風(fēng)，熱管理模塊如下圖所示。



在電池包的不同位置共安置了6個數(shù)字溫度傳感器DS18B20。每隔1s，系統(tǒng)就通過總線對DS18B20進(jìn)行采樣，當(dāng)檢測到任一點的溫度或者溫度變化率高于設(shè)定值時，啟動變速風(fēng)機(jī)。僅當(dāng)所有點的溫度及其變化率都低于設(shè)定值時，停止變速風(fēng)機(jī)。

5、硬件抗干擾設(shè)計
汽車其他設(shè)備和充電時的強(qiáng)電磁干擾，會使BMS出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)誤采集情況。因此采取以下防干擾措施：
A、在電池包和汽車之間以及BMS電源接口電路中接入高頻濾波旁路電容，消除共模干擾；
B、子板和模板之間加入高速數(shù)字隔離器ISO721，防止子板的過電壓對母板的沖擊。

七、BMS軟件設(shè)計
1、BMS軟件流程
本設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，以實現(xiàn)對動力電池的有效管理。從功能上將系統(tǒng)軟件設(shè)計分為初始化、數(shù)據(jù)采集、溫度控制、SOC估計、CAN通信和中斷服務(wù)幾部分。軟件流程如下圖所示。



系統(tǒng)中斷響應(yīng)服務(wù)程序包括過流、漏電等外部中斷服務(wù)，當(dāng)預(yù)加電測試失敗或者電池電壓過高時，系統(tǒng)也會進(jìn)入中斷響應(yīng)，以保障車輛及乘員的安全?？紤]到電動汽車車內(nèi)電磁環(huán)境較惡劣，本設(shè)計完全避免了使用多分支語句，以減少電磁干擾對系統(tǒng)的影響。通過RS232與上位機(jī)相連，以方便對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并觀測電壓、電流、溫度及SOC估計值等。

2、軟件抗干擾設(shè)計
BMS電磁環(huán)境惡劣，極易受到各種電磁信號，如IGBT和功率二極管頻繁導(dǎo)通截止的干擾，直接影響數(shù)據(jù)采集的精度，降低系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。對于該類干擾信號在硬件抗干擾外加以軟件濾波，不但能提高濾波效果，還能降低系統(tǒng)成本。考慮到IGBT和功率二極管導(dǎo)通截止等干擾的頻率都在100Hz以上，本系統(tǒng)采用雙線性Z變換實現(xiàn)了一個二階巴特沃斯低通濾波器，以消除高頻干擾。

八、系統(tǒng)測試試驗
系統(tǒng)設(shè)計完成后，采用10節(jié)額定電壓為3.2V、標(biāo)稱容量為50A·h的鋰電池封裝包進(jìn)行周期性放電試驗。由于電壓、電流、溫度的真值難以確定，為了驗證本設(shè)計BMS的有效性和準(zhǔn)確性，在周期性放電試驗的同時進(jìn)行了基于d SPACE的硬件在環(huán)仿真測試試驗。本試驗中，將BMS測量的結(jié)果通過UART輸送到PC機(jī)與真值進(jìn)行比較。下表給出了7組隨機(jī)采樣的電壓、電流、溫度的測試值、真值以及測量誤差。



由上表可知，該BMS電壓測量精度小于0.5%，電流測量精度小于0.5%，溫度誤差小于0.5%。測試表明，該BMS測量精度較高，功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠有效地提高鋰電池性能。

九、仿真及測試分析
1、BMS控制方法軟件仿真測試
在軟件中寫入相關(guān)測試代碼，驗證BMS能否按提出的控制方法實現(xiàn)控制和保護(hù)功能，并驗證BMS對數(shù)據(jù)的處理和故障的診斷是否正常。下表是BMS控制方案的相關(guān)測試。



根據(jù)上述軟件仿真及測試結(jié)果，BMS控制方法均可實現(xiàn)，為后期匹配動力電池試驗驗證提供可靠支撐。

2、熱管理性能仿真分析
以熱管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，熱管理控制策略為依托，下圖所示，利用相關(guān)軟件進(jìn)行熱管理仿真分析，研究電池組溫度分布趨勢，并針對某款動力電池不同倍率放電容量和溫升情況進(jìn)行分析，見下表。





通過模擬動力電池溫度場分布，得出動力電池穩(wěn)態(tài)溫度分布，并根據(jù)熱管理相關(guān)控制方法，使動力電池在高倍率放電工況下仍能夠保證其放電容量，為動力電池在極限工況下的可靠運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

3、動力電池循環(huán)壽命測試分析
對動力電池配備BMS控制方法的前后進(jìn)行對比，根據(jù)QC/T743—2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》中相關(guān)測試方法開展動力電池組循環(huán)壽命試驗，通過動力電池單體一致性衡量此BMS控制方法的可行性。下圖是驗證控制方法時的曲線圖。由圖中數(shù)據(jù)分析，增加BMS控制方法后，在充電末期，單體電壓一致性取得了明顯的改善，同時電壓平臺也有所提升，即充放電容量有了一定的提升。





4、動力電池動態(tài)SOC測試分析
通過在控制方法中增加和減少動態(tài)SOC修正策略，得到在相同放電模式情況下的SOC估算精度，如下圖所示。



由上圖可知，在正常駕駛工況下的電流波動會導(dǎo)致SOC估算偏差較大；在沒有動態(tài)SOC修正的控制方案中，放電截止時對應(yīng)的SOC為10%左右，而包含有動態(tài)SOC修正的控制方案中，在放電截止時SOC為0，這說明動態(tài)SOC修正策略對放電末期SOC估算起著至關(guān)重要的作用。在放電末期，準(zhǔn)確的SOC估算可以避免駕駛員在車輛駕駛過程中被誤導(dǎo)而拋錨的情況。

十、結(jié)語
BMS控制方法作為動力電池中心控制思想，直接影響動力電池的使用壽命及電動汽車的安全運(yùn)行與整車性能。對續(xù)航具有重大的影響，決定著新能源汽車的未來，做好電池管理系統(tǒng)，將極大的促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展。



純電動汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計
純電動汽車電氣設(shè)計
一、純電動汽車電氣系統(tǒng)安全分析

純電動轎車電氣系統(tǒng)主要包括低壓電氣系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)及 CAN 通訊信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1、低壓電氣系統(tǒng)采用 12 V 供電系統(tǒng)，除了為燈光照明系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)及雨刷器等常規(guī)低壓用電器供電外，還為整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器及電動空調(diào)等高壓附件設(shè)備控制回路供電；

2、高壓電氣系統(tǒng)主要包括動力電池組、電驅(qū)動系統(tǒng)、DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器、電動空調(diào)、電暖風(fēng)、車載充電系統(tǒng)、非車載充電系統(tǒng)及高壓電安全管理系統(tǒng)等；

3、CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用來實現(xiàn)整車控制器和電機(jī)控制器、以及電池管理系統(tǒng)、高壓電安全管理系統(tǒng)、電動空調(diào)、車載充電機(jī)和非車載充電設(shè)備等控制單元之間的相互通信。

純電動汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計



圖a 高壓配電盒

純電動汽車電壓和電流等級都比較高，動力電壓一般都在 300～400 V（直流），電流瞬間能夠達(dá)到幾百安。人體能承受的安全電壓值的大小取決于人體允許通過的電流和人體的電阻。有關(guān)研究表明，人體電阻一般在 1 000～3 000 Ω。人體皮膚電阻與皮膚狀態(tài)有關(guān)，在干燥、潔凈及無破損的情況下，可高達(dá)幾十千歐，而潮濕的皮膚，特別是受到操作的情況下，其電阻可能降到 1 000 Ω 以下。由于我國安全電壓多采用 36 V，大體相當(dāng)于人體允許電流 30 mA、人體電阻 1 200 Ω的情況。所以要求人體可接觸的電動汽車任意 2 處帶電部位的電壓都要小于 36 V。根據(jù)國際電工標(biāo)準(zhǔn)的要求，人體沒有任何感覺的電流安全閾值是 2 mA，這就要求人體直接接觸電氣系統(tǒng)任何一處的時候，流經(jīng)人體的電流應(yīng)該小于2 mA 才認(rèn)為整車絕緣合格。

因此，在純電動汽車的開發(fā)過程中，應(yīng)特別考慮電氣系統(tǒng)絕緣問題，嚴(yán)格按照電動汽車相關(guān)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計，確保絕緣電阻能夠滿足人身安全需求，保證絕緣電阻值大于 100 Ω/V。

二、電動汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計概述

相對于傳統(tǒng)汽車而言，純電動汽車采用了大容量、高電壓的動力電池及高壓電機(jī)和電驅(qū)動控制系統(tǒng)，并采用了大量的高壓附件設(shè)備，如：電動空調(diào)、PTC 電加熱器及 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等。由此而隱藏的高壓安全隱患問題和造成的高壓電傷害問題完全有別于傳統(tǒng)燃油汽車。

根據(jù)純電動汽車的特殊結(jié)構(gòu)及電路的復(fù)雜性，并考慮純電動汽車高壓電安全問題，必須對高壓電系統(tǒng)進(jìn)行安全、合理的規(guī)劃設(shè)計和必要的監(jiān)控，這是電動汽車安全運(yùn)行的必要保證。

1、高壓系統(tǒng)構(gòu)成

圖1示出純電動汽車高壓系統(tǒng)框圖。作為純電動汽車高壓系統(tǒng)安全管理的單元，合理的功能布局和安全可靠的控制策略是實現(xiàn)該系統(tǒng)功能的重要保證。



圖1 純電動汽車高壓系統(tǒng)框圖

2、高壓電氣安全系統(tǒng)的總目標(biāo)

高壓電氣系統(tǒng)控制與安全管理和故障診斷的總目標(biāo)是確保純電動汽車在靜止、運(yùn)行及充電等全過程的高壓用電安全。

三、高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計

根據(jù)純電動汽車安全標(biāo)準(zhǔn)要求，并從車載儲能裝置、功能安全、故障保護(hù)、人員觸電防護(hù)及高壓電安全管理控制策略等方面綜合考慮，應(yīng)對電動汽車高壓電系統(tǒng)進(jìn)行以下四方面設(shè)計。

1、 高壓電電磁兼容性設(shè)計

由于純電動汽車上存在高壓交流系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的電磁干擾性，因此高壓線束設(shè)計時電源線與信號線盡量采用隔離或分開配線；電源線兩端考慮采用隔離接地，以免接地回路形成共同阻抗耦合將噪聲耦合至信號線；輸入與輸出信號線應(yīng)避免排在一起造成干擾；輸入與輸出信號線盡量避免在同一個接頭上，如不能避免時應(yīng)將輸入與輸出信號線錯開放置。

2、 高壓部件和高壓線束的防護(hù)與標(biāo)識設(shè)計

高壓部件的防護(hù)主要包括防水、機(jī)械防護(hù)及高壓警告標(biāo)識等。尤其是布置在機(jī)艙內(nèi)的部件，如電機(jī)及其控制系統(tǒng)、電動空調(diào)系統(tǒng)、DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)等及它們中間的連接接口，都需要達(dá)到一定的防水和防護(hù)等級。并且高壓部件應(yīng)具有高壓危險警告標(biāo)識，以警示用戶與維修人員在保養(yǎng)與維修時注意這些高壓部件。

由于純電動汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示和警示用戶和維修人員，高壓線束應(yīng)采用橙色線纜并用橙色波紋管對其進(jìn)行防護(hù)。同時高壓連接器也應(yīng)標(biāo)識為橙色，起到警示作用，并且所選高壓連接器應(yīng)達(dá)到 IP67 防護(hù)等級。

3、預(yù)充電回路保護(hù)設(shè)計

因為高壓設(shè)備控制器輸入端存在大量的容性負(fù)載，直接接通高壓主回路可能會產(chǎn)生高壓電沖擊，故為避免接通時的高壓電沖擊，高壓系統(tǒng)需采取預(yù)充電回路的方式對高壓設(shè)備進(jìn)行預(yù)充電。圖 2 示出純電動汽車高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路原理圖。



圖2 純電動汽車高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路原理圖

4、高壓設(shè)備過載/短路保護(hù)設(shè)計

當(dāng)汽車高壓附件設(shè)備發(fā)生過載或線路短路時，相關(guān)高壓回路應(yīng)能自動切斷供電，以確保高壓附件設(shè)備不被損壞，保證汽車和駕乘人員的安全。因此在高壓系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)設(shè)置過載或短路的保護(hù)部件，如在相關(guān)回路中設(shè)置保險和接觸器，當(dāng)發(fā)生過載或短路而引起保險或接觸器短路時，高壓管理系統(tǒng)會通過對接觸器觸點和相關(guān)控制接觸器閉合的有效指令進(jìn)行綜合判定，若檢測出相關(guān)電路故障，高壓管理系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警以提示駕駛員。

5、故障檢測與故障處理方法

1）絕緣電阻故障處理

電動汽車電氣化程度相對傳統(tǒng)汽車要高，其中像電池包、電驅(qū)動系統(tǒng)、高壓用電輔助設(shè)備、充電機(jī)及高壓線束等在汽車發(fā)生碰撞、翻轉(zhuǎn)及汽車運(yùn)行的惡劣環(huán)境（汽車振動、外部環(huán)境濕度及溫度）影響下，都有可能導(dǎo)致高壓電路與汽車底盤間的絕緣性能降低，由此可能造成汽車火災(zāi)的發(fā)生，直接影響汽車駕乘人員的生命安全。因此，在電動汽車高壓系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確保絕緣電阻值大于 100 Ω/V；其次當(dāng)汽車發(fā)生絕緣電阻值低于規(guī)定值時，高壓管理系統(tǒng)應(yīng)及時切斷所有的高壓回路并發(fā)出聲光報警，并持續(xù)一定時間待原先故障消失后，汽車才能允許進(jìn)行下一次上電。高壓電路進(jìn)行絕緣檢測具體實施標(biāo)準(zhǔn)參照國標(biāo)《電動汽車安全要求第 1 部分：車載儲能裝置》。

2）電壓檢測與故障處理

純電動汽車的動力來源是動力電池，動力電池的電壓與其放電能力和放電效率有很大的關(guān)系。當(dāng)動力電池電壓處于低電壓時仍大電流放電，將會損壞高壓用電設(shè)備并會嚴(yán)重影響電池使用壽命。當(dāng)檢測到電壓過高或過低時，應(yīng)及時切斷相關(guān)回路。因此為了保障純電動汽車在動力蓄電池低壓時用電器及動力蓄電池和駕乘人員的安全，需要設(shè)計電壓檢測電路對高壓電路系統(tǒng)工作電壓進(jìn)行實時準(zhǔn)確的檢測和安全合理的故障處理

3）電流檢測與故障處理

汽車由于受到運(yùn)行道路環(huán)境及駕駛員操控的影響，汽車運(yùn)行狀態(tài)會隨時發(fā)生變化，動力電池的放電電流會隨駕駛員的操控而發(fā)生明顯變化。當(dāng)電流超過預(yù)設(shè)定的允許范圍，就會引起溫度過分升高，此時不僅影響電池的壽命，而且極端情況下還會引起異常的反應(yīng)，造成汽車功率器件的損壞，危及汽車高壓系統(tǒng)安全。因此，這就要求高壓管理系統(tǒng)需對動力電池實時進(jìn)行電流監(jiān)控，當(dāng)檢測到電流異常時，高壓管理系統(tǒng)將會及時切斷所有高壓回路并發(fā)出聲光報警，提示駕乘人員和其他汽車。為了提高測量的準(zhǔn)確度和精確度，文章選取霍爾式電流傳感器對動力電池充放電電流進(jìn)行檢測，如圖 3 示出霍爾式電流傳感器原理圖。



圖3 霍爾式電流傳感器原理圖

4）高壓接觸器觸點狀態(tài)檢測與故障處理

為實現(xiàn)純電動汽車的控制功能和高壓電路的可自行切斷保護(hù)功能，在電動汽車的高壓系統(tǒng)中必須配置可控制的并且有自我保護(hù)切斷高壓回路功能的高壓接觸器。根據(jù)整車設(shè)計的需求，任何電動汽車在動力主回路中都會配置高壓接觸器，如果高壓接觸器觸點發(fā)生閉合或斷開失效時，沒有相應(yīng)的正確處理方式應(yīng)對，將有可能引起不正常的控制而造成汽車不能正常啟動或不能啟動。嚴(yán)重的情況下，將會給汽車和人身安全造成危險。鑒于上述問題的嚴(yán)重性，應(yīng)對高壓接觸器觸點狀態(tài)進(jìn)行安全有效的實時監(jiān)控，并對故障進(jìn)行處理。當(dāng)高壓接觸器觸點發(fā)生閉合或斷開失效故障時，高壓管理系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，以提示操作人員并根據(jù)故障的級別控制汽車是否可進(jìn)行其他操作。

5）高壓互鎖回路檢測及故障處理

高壓回路互鎖功能設(shè)計是針對高壓電路連接的可靠程度提出的。危險電壓閉鎖回路也稱為高壓互鎖回路（HVIL）,它是一個典型的互鎖系統(tǒng)，通過使用電氣的信號，來檢查整個模塊、導(dǎo)線及連接器的電氣完整性 。當(dāng)高壓安全管理系統(tǒng)檢測到某處連接斷開或某處連接沒有達(dá)到預(yù)期的可靠性時，安全管理系統(tǒng)將直接或通過整車控制器切斷相關(guān)動力電源的輸出并發(fā)出聲光報警,直到該故障完全排除。如圖 4 示出高壓互鎖回路檢測原理圖。



圖4 高壓互鎖電路檢測原理圖

6）充電互鎖檢測及故障處理

出于安全考慮，充電時，整個驅(qū)動系統(tǒng)都需要處于斷電狀態(tài)，即驅(qū)動系統(tǒng)高壓接觸器需處于斷開狀態(tài)，當(dāng)高壓安全管理系統(tǒng)接收到有效的充電信息指令后，高壓管理系統(tǒng)首先檢測驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)接觸器是否處于斷開狀態(tài)。若處于斷開狀態(tài)則閉合充電回路相關(guān)接觸器。否則，充電接觸器將不會閉合，高壓管理系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警以提示相關(guān)人員，直至故障排除。

6、高壓系統(tǒng)余電放電保護(hù)設(shè)計

由于高壓系統(tǒng)的電機(jī)控制器和電動空調(diào)等高壓部件存在大量的電容。當(dāng)高壓主回路斷開時，因高壓部件電容的存在，高壓系統(tǒng)中還存有很高的電壓和電能。為避免對人員和汽車造成危害，在切斷高壓系統(tǒng)后應(yīng)將電容的高壓電通過并聯(lián)在高壓系統(tǒng)中的電阻釋放掉。



圖b 車載充電機(jī)

四、靜止停放時安全管理概述

汽車靜止停放時，每隔一定時間（20 s 或 30 s）高壓安全管理系統(tǒng)需對高壓電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行 1 次絕緣測量，即判別高壓電網(wǎng)系統(tǒng)有無絕緣故障，整個高壓回路系統(tǒng)包括動力電池內(nèi)部、動力線、電驅(qū)動系統(tǒng)（電機(jī)控制器和電機(jī)三相線）及連接高壓設(shè)備附件的導(dǎo)線。當(dāng)檢測到有絕緣故障且故障一直存在時，儀表便會顯示絕緣故障指示，以提示駕駛員。

五、碰撞安全概述

通常，電動汽車采用了高達(dá) 400 V 左右的大容量動力電池作為驅(qū)動汽車的動力源，因而電力未切斷的動力電池會對汽車和人員造成不容忽視的威脅和傷害 。若汽車在行駛過程中發(fā)生碰撞、翻滾或在充電狀態(tài)中被其他汽車撞擊等意外事故，將會使動力電池組、高壓用電設(shè)備及高壓線束等與車身之間發(fā)生摩擦或接觸，造成潛在的絕緣失效和短路等危險。為避免由于上述狀況而引起的汽車安全問題，可通過一些相關(guān)的傳感器（如碰撞傳感器、角度傳感器）來檢測汽車的狀態(tài)，當(dāng)高壓管理系統(tǒng)接收到相關(guān)傳感器發(fā)出的信息后，立即關(guān)閉高壓電，并利用高壓系統(tǒng)余電放電電路將汽車高壓部件電容端的電壓在 1 s 內(nèi)放掉，避免火災(zāi)或漏電事故引起的人員觸電事故的發(fā)生。

六、結(jié)論

通過參與大量的電動汽車開發(fā)項目設(shè)計，文章對多個研發(fā)項目中純電動汽車高壓電系統(tǒng)出現(xiàn)的故障及存在的安全隱患進(jìn)行分析，并提出一整套針對高壓電系統(tǒng)安全防護(hù)、故障處理及碰撞安全的設(shè)計方案，對純電動汽車高壓系統(tǒng)安全設(shè)計具有一定的參考意義。