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电动汽车高压电气安全

2021-12-31 07:54:56·  来源：驱动视界  
　
电动汽车高压电气系统结构动力电池组输出的高压直流电通过电机控制器逆变驱动电机转动，同时通过直流电压转换器或逆变器向空调压缩机、PTC、或外输出口等提供电
电动汽车高压电气系统结构
动力电池组输出的高压直流电通过电机控制器逆变
驱动电机转动，同时通过直流电压转换器或逆变器
向空调压缩机、PTC、或外输出口等提供电能，这构成了整车的高压电气系统。
主要分：
① 动力模块：电机总成、 电池包总成；
② 控制模块：电机控制器、DC-DC 、BMS 等；
③ 高压辅助模块：漏电保护器、PTC、压缩机 、直流快充、交流慢充电口、应急开关等。
五征物流车整车参数


结合产品需求，选定单排厢式车型为基础车型进行开发，载质量为1500kg


电池成组电压


体积：740L
成组方案：5P157S；
标称电压：3.65*157=574V；
标称电量：69kwh；
电池模组固定采用框架式结构，分两层布置；
分箱布置
国内主要商用车电压水平




五征电动汽车高压电路示意图
高压安全管理系统拓扑图


高压供电系统方案
微型电动物流车项目车型的高压系统包含动力电池 PACK、OBC、EAS、PTC、MCU（MCU与 DCDC 集成在一个高压盒中）、高压盒系统，高压系统原理设计原则如下：
1) 具备预充电电路，降低系统的电流冲击 含有两路预充电电路：一路在电池系统内为整个高压负责预充电；一路在车载充电机输出端为车载充电机输出端提供预充电；
2) 具备绝缘检测模块 含一个绝缘检测模块，在电池系统内，负责整个高压系统直流侧的绝缘状态检测；
3) 具备高压系统下电后的主动高压放电功能；
4) 具备快慢充电口高压隔离功能，实现充电时充电口不带电；
5) 具备充电互锁和机械检修互锁功能，互锁信号可由硬件、软件或综合判断实现，建议 由硬件实现；
（1）充电互锁：通过交流充电口和快充充电口的硬件握手信号 CC实现；
（2）在 FP 阶段，电池系统无高低压互锁，EP 阶段待定；
（3）手动检修互锁由电池系统的检修开关实现；
6) 高压系统内的每一路高压回路需设置必要的过载／短路保护装置，如熔断器；
7) 高压系统连接件具备防插错措施；
8) 各系统控制继电器的模块根据继电器的类型设置保护电路，避免出现继电器断开瞬 间过压或过流损坏部件。
电动汽车安全课题


电动汽车高压电伤害分析
电动汽车高压电安全隐患的主要部件是动力电池系统， 包括单体电池、 电池模块、电池箱及管理系统、 充电系统、 高压动力线等。
触电的种类：
接触触电指与充电接触发生的触电；
电磁感应触电是指与交流高压附近的金属相接触发生的触电；
静电感应触电指在交流高电压附近人体产生触电， 因放电时的冲击发生的触电；
电弧触电指人体因大电流在大气中的放电被吹起而发生的触电。
人体电阻 =1000Ω （润湿状态的大致阻值）
表2 通过电流值和人体感觉

电脱离的极限电压 E=I×R=0.07×1000=70V
高压电系统安全性设计
电压平台选择
目前ISO和国标没有对高压平台进行强制性规定，结合目前国内电机电控平台现状，有一个推荐值。
144V 288V 320V 346V 400V 576V
目前汽车用单芯电线电压等级60V 600V两种。
采用高压设计，是为了减小电机、逆变器的成本与体积、并且利于控制总线的工作电流在一定范围内从而保护电源系统。
根据标准要求电机及控制器必须能在电源电压为120%额定电压下安全承受最大电流。另外电机在电源电压降为75%额定电压时，应能在最大电流下运行。
根据前述规格及采用的蓄电池类型，来确定电源系统的标称电压。
根据国标GB-T 18488_1-2001 《电动汽车用电机及其控制器技术条件》电源的电压等级为：
直流300V左右电压等级相当于交流的220V，直流600V左右电压等级相当于交流380V；从安全角度考虑，如果可以使用低电压尽量不使用高电压；乘用车基本存在车载充电的需求，建议采用300V-350V电压等级的产品（IGBT使用600V/650V）；商用车由于电池能量的需求，多使用600V电压等级产品（IGBT使用1200V）。
综合：
整车安全防护级别，电线线束防护等级、电线线束线径成本、IGBT高效
工作区、整车功率需求、现有配套体系成熟产品。
以上因素决定整车高压电路电压等级。
整车电压平台越少越安全，减少故障率，防护成本低。
五征物流微卡电压平台为：
高压574V
低压12V
有些混合动力车型考虑轻量化会有双向逆变。




高压电系统安全性设计
目的在于防止漏电、 过流、 有毒及易燃的化学
物质泄漏等。
3.3.3 电源的电压等级
电源的电压等级为36V、48V、120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V、540V、600V。
目的在于防止漏电、 过流、 有毒及易燃的化学
物质泄漏等。
成熟的电动汽车应该实时检测一下数据：
① 高压电气参数：高压系统电压、 电流， 高压总线剩余电量；
② 高压电路参数：动力电池绝缘电阻、 高压总线等效电容；
③ 非电测量参数：环境温度、 湿度：
④ 数字量测控参数：主要是开关量的输入和输出；
⑤ 辅助电压、 继电器链接状况等
一般采样频率要控制在10-100MS，对重要的安全指标采样频率应控制在10MS。
三、高压安全事项
各国的标准对电动车辆的高压电安全及控制制定了较为严格的标准和要求并规定了高压系统必须具备高压自动切断系统。
其中涉及与电动车有关的电气特性有：
绝缘特性、
漏电流、
充电器的过流、
爬电距离及电气间隙等。
高压安全设计分主动安全设计与被动安全设计。
主动安全：
采用物理的方法，对整车及动力系统相关部件绝缘。
1、电池包二次绝缘；
从设计上电池组与箱体绝缘、箱体再次与车体绝缘
2、高压电气部件外壳接地；
高压电器外壳接地，确保人体可触及的部位与人体是同一电位。
3、绝缘电阻检测；
对高压总线与高压部件进行绝缘电阻检测，当低于安全限制时采取相关措施。100欧姆/v
4、高压电容上下电策略控制
5、温度监测和过热保护
主要针对电池、 电机及控制器、 电池箱上高压连接件的温度进行监测， 当其温度高于限值时， 必须采取行之有效的过热保护功能。
6、 高压余电泄放保护；
因高压电路中存在大量的容性负载， 高压电切断后， 供电回路中仍余很高的电压和电能。
为避免可能带来的危害， 在高压电源切断后应采用余电泄放的方法位。
7、电压检测和保护；
主要是总电压和电池模块电压检测。
充电+放电
8、 驱动电机
驱动系统电动机应有自己的短路或过流保护装置， 采用卸载装置以避免过热。
9、低压电源监测；
动力电池组通过 DC-DC 变换器将高压直流电转换为24V 低压直流电，为整车低压电器和电机控制器提供电源， 一旦发生故障会造成车辆停驶。
因此， 随时监测其工作状态十分必要，并通过声光报警， 提醒驾驶员采取措施。
10、高压交直流防护的区别；
11、 爬电距离设计 国标18384
1 ） 两个蓄电池连接端子间的爬电距离为 d≥0.25U+5
（d — 被测试验用动力蓄电池的爬电距离，mm ；U — 蓄电池两个连接端子间的标称电压， V ）。
2 ） 带电部件与电盘之间的爬电距离为 d≥0.125U+5。
12、电磁抗干扰设计；
13、技术资料的完整性；
指导装配和使用


被动安全
1、自动危险电压断开：
在车辆发生碰撞事故、探测到强电线缆或是部件绝缘下降到低于安全限制时，自动将危险电压隔离。
自动危险电压断开装置应具备自恢复功能，在初始条件清除后恢复牵引电压。
2、手动危险电压断开：
在车辆维修保养时可以通过断路手柄或是高压连接器实现断开电源。
3、系统互锁
动力电源断开，高压线路上电压降至安全电压。
4、熔断
用合适的保险丝实现过电流中断电路；


高压控制策略
高压安全控制策略
高压管理系统的功能是保证整车动力电能的传输，并随时检测整个高压系统的绝缘故障、断路故障、接地故障和高压故障。
高压管理系统一般由车载低压电源（12V）来供电（根据管理系统功能不同耗电量几瓦到十瓦）。
在泊车期间管理系统必须停止工作，否则容易造成车载低压电源亏电。
1 电机控制器的过载能力
在额定输出电流下连续工作，允许加非周期性过载，过载的倍数和持续时间在产品中规定。
2 电机控制器的保护功能
电机控制器应具有过电流、过电压和欠电压的保护功能。
3 馈电要求
在电机因惯性旋转或被拖动旋转时，电机运行于发电机状态。
电机通过控制器应能给125％额定电压的电压源充电。
馈电电流的大小和馈电效率在产品指标中规定。
高压电气部件生产中安全性
1 电池组安装
1 ）详实的电池安装操作、 使用维护手册等资料。
2 ） 安装或检验人员不可配戴金属饰品、 使用的工具须进行绝缘防护， 避免同时触碰电芯正负极， 引起短路。
3 ） 每块电池、 每个电池箱体都有编号， 注意电池的正负， 依据图纸将电池装入相应的电池箱内。
在搬运、 装配过程中对电池应当轻拿轻放， 严禁摔、 碰等冲击现象发生。
4 ） 电池箱的正负引线务必标识清楚， 妥善进行布线作业， 做到高低压隔离， 做好高压安全防护；电池连接操作过程中小心谨慎， 避免出现整组或部分电池被反接， 或整组或部分电池被短路现象。
5 ） 按照设计的电池连接方案， 用导电条将各个电池 （组） 连接；安装极柱螺栓使用平垫圈和弹簧垫圈， 极柱螺栓务必拧紧。
6 ） 将电池箱装入车上的电池舱内， 电池箱安装牢固。
当电池组两端电压超过人体安全电压 36 V 时，禁止用身体直接接触电池组正负端， 以免触电， 发生意外。
高压线连接
1、 应考虑线束的绝缘防护， 线束走向
高压线不能同低压线捆绑在一起。
高压线接头应避开油管路接头， 防止高压线短路；高压线不得与安装螺栓等干涉， 并且应避开热源、 尖锐物或旋转件；
2、 在电池箱总成之间连接线时，由具备电工资质的人员操作。
（应带绝缘手套、 穿绝缘鞋）
3、 整车下线上电前使用绝缘检测仪进行整车高压绝缘检测。

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