純電動汽車動力電池高壓安全設計

為延長續駛里程，給車內提供舒適的溫度環境，純電動汽車設計時會選用大容量、高電壓的動力電池，這就使得純電動汽車的高壓安全隱患和其造成的高壓電傷害高于傳統燃油汽車。因此，在動力電池電路設計上，不僅要考慮安全、合理的硬件設計，還須增加動力電池重要數據的監測，以保證人員與車輛的安全。本文將對動力電池包電路進行安全設計。
1 動力電池電路功能設計
我國電動汽車( 包括純電動汽車和混動汽車) 高壓系統將直流電壓等級劃分為144 V、288 V、317 V、346 V、400 V、576 V。在純電動汽車設計中，為滿足車上高壓用電器件的正常工作，電池電壓平臺一般選擇300 V 以上的高壓，即B 級電壓，這就在設計動力電池電路時需要同時滿足防止上電瞬間電沖擊、絕緣電阻監測、高壓回路互鎖監測、短路及過流保護等功能要求。
2 動力電池電路安全設計
通常情況下，與動力電池相關的高壓器件，例如充放電回路的接觸器及熔斷器等集成在動力電池包內。由于部分車企在設計時借用傳統燃油汽車底盤，致使動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，導致動力電池包內無法放下各類接觸器及熔斷器。又因動力電池的能量密度與國家的補貼政策相關，所以動力電池包內除了必要的單體或模組電池、保護電池本身的器件外，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力電池包外部的高壓分線盒中。圖1 為純電動汽車蓄電池包典型結構圖。

圖1 動力電池包典型結構
2. 1 防止上電瞬間電沖擊設計
高于60 V 的高壓系統，上電應有一個100 ～ 700ms 的“緩”過程，即預充電過程。否則，瞬時高壓上電產生幾千安培的大電流對用電回路中的容性負載會造成損傷，甚至造成主正、主負繼電器粘連而使高壓回路始終處于帶電狀態，存在駕乘人員、動力電池維修人員觸電危險。
預充電回路就是一個簡單的RC 電路，當BMS 接收到VCU 發送的高壓上電信號后，控制主負、預充繼電器閉合進入預充過程。在預定的時間內，BMS 檢測到預充電電壓達到電池總壓的90%～ 98%后，且此時電流下降到1 A 左右。隨后，BMS 通過控制主正、預充繼電器的通、斷，實現預充電回路與高壓用電回路的切換。如果在預定的時間內未完成預充電，則不允許上電，從而保證用電器件及駕乘人員的安全。圖2 為動力電池包內部電路原理圖。

圖2 動力電池包內部電路原理圖
2. 2 絕緣電阻監測
評價電動汽車絕緣安全性優劣的重要指標就是絕緣電阻。國標中明確說明電動汽車的絕緣狀況以絕緣電阻值來衡量。電動汽車高壓動力系統是一個獨立的系統，高壓動力系統與車殼之間的當量絕緣電阻是一個動態變化的物理參量，其大小不僅與高壓用電回路中用電狀態有關，而且隨著車輛行駛路況和周圍環境不同而變化。動力電池內部高壓電路設計時應保證絕緣電阻值與電池標稱電壓的比值不小于100 Ω/V，并對該參數量進行實時監測。
由振動、沖擊及動力電池腐蝕性液體、氣體等造成高壓動力線絕緣層損傷，或因老化、磨損、受潮而導致動力電池與車體間的微短路，不僅降低動力電池絕緣數值，而且還會產生額外的熱量積聚效應，嚴重時甚至引起火災。因此，動力電池上高壓電之前，BMS 應對電池包的絕緣情況進行判斷，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 上報絕緣故障，嚴禁上高壓電。倘若行車過程中出現絕緣值低于設定值，則BMS 須向VCU 上報故障，進行相應斷電并停車處理，確保人員與車輛安全。
2. 3 高壓回路互鎖監測
高壓互鎖是通過使用低電壓信號來檢查電動汽車上所有高壓器件與高壓動力線相連及防護蓋的電氣連接完整性。當BMS 識別回路異常斷開時，及時斷開高壓電，確保人員安全和車輛設備的安全運行。
為實時監測動力電池對外高壓動力線連接器的可靠連接，一般會在高壓動力線連接插頭上并聯一路高壓互鎖，同時將動力電池上的所有高壓接插件互鎖回路串聯起來。在物理連接時，高壓用電回路先構成電路; 而在拔斷時，則是高壓互鎖回路先斷開。
BMS 在執行VCU 發送的上電命令時，必檢測高壓互鎖回路無故障，才能通過控制繼電器的動作，接通高壓供電回路，否則上報故障且不執行上電命令。在車輛正常行駛過程中，也要不間斷監測高壓互鎖回路情況，一旦發現存有故障，立即進入相應的故障處理模式。
2. 4 短路及過流保護設計
電動汽車行駛過程中，由于用電器件所需功率需求不同，導致各分支電路上的電流大小不同，動力電池作為動力源，其流過的電流是所有分支電流之和。為保證電池使用安全，在設計過程中應對電池包內的電流進行監測，一旦發現電流過大或電池包內部短路，立即上報故障信息進行不同故障等級的處理，從而防止因過流或短路電流而產生熱效應導致線束燒壞、起火燒車的現象發生。
對于電流監測，可選分流器和霍爾傳感器。分流器雖然精度比較高，但電流流經分流器會產生一定的壓降，存在一定的電能損耗，且分流器需一定的電氣隔離，否則影響測量精度。分流器的電阻也會隨溫度的變化而變化，導致采集誤差。霍爾傳感器具有精度高、線性好、無須電氣隔離裝置、響應時間快、無電壓損耗等優勢而廣泛應用于動力電池包內的電流監測。
霍爾傳感器的安裝位置應在主負繼電器之前( 如圖2) ，動力電池無論處于充電還是放電狀態，均能監測到電流。采用這種布置方式也是基于監測電池利用自身電能進行加熱過程中電流的考慮，否則無法監管電池加熱過程的安全。
當電路發生短路時，為了保證車輛和人員安全，應迅速斷開電路。通過霍爾傳感器的監測上報給BMS，BMS 再通過控制主正、主負繼電器斷開用電回路，這一系列過程不僅比熔斷器熔斷繁瑣耗時，還不能達到快速切斷電路要求。因此，在動力電池電路中增加短路熔斷器尤為重要。如果動力電池包為單包，則選擇合適的熔斷器安裝在主回路中，便于結構布置。
若動力電池包為多包，則應選擇帶有相匹配熔斷器的維修開關，安裝在動力電池模組之間，既方便電池維修拆裝時斷電保護，又便于熔斷器熔斷后的更換。