纯电动汽车高压电气系统安全设计

微山信息港 2019-12-01

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一、纯电动汽车电气系统安全分析

纯电动轿车电气系统主要包括低压电气系统、高压电气系统及 CAN 通讯信息网络系统。

1、低压电气系统采用 12 V 供电系统,除了为灯光照明系统、娱乐系统及雨刷器等常规低压用电器供电外,还为整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC 转换器及电动空调等高压附件设备控制回路供电;

2、高压电气系统主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC 电压转换器、电动空调、电暖风、车载充电系统、非车载充电系统及高压电安全管理系统等;

3、CAN 总线网络系统用来实现整车控制器和电机控制器、以及电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机和非车载充电设备等控制单元之间的相互通信。

图a 高压配电盒

纯电动汽车电压和电流等级都比较高,动力电压一般都在 300~400 V(直流),电流瞬间能够达到几百安。人体能承受的安全电压值的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。

有关研究表明,人体电阻一般在 1 000~3 000 Ω。人体皮肤电阻与皮肤状态有关,在干燥、洁净及无破损的情况下,可高达几十千欧,而潮湿的皮肤,特别是受到操作的情况下,其电阻可能降到 1 000 Ω 以下。由于我国安全电压多采用 36 V,大体相当于人体允许电流 30 mA、人体电阻 1 200 Ω的情况。所以要求人体可接触的电动汽车任意 2 处带电部位的电压都要小于 36 V。根据国际电工标准的要求,人体没有任何感觉的电流安全阈值是 2 mA,这就要求人体直接接触电气系统任何一处的时候,流经人体的电流应该小于2 mA 才认为整车绝缘合格。

因此,在纯电动汽车的开发过程中,应特别考虑电气系统绝缘问题,严格按照电动汽车相关国标标准要求设计,确保绝缘电阻能够满足人身安全需求,保证绝缘电阻值大于 100 Ω/V。

二、电动汽车高压电气系统安全设计概述

相对于传统汽车而言,纯电动汽车采用了大容量、高电压的动力电池及高压电机和电驱动控制系统,并采用了大量的高压附件设备,如:电动空调、PTC 电加热器及 DC/DC 转换器等。由此而隐藏的高压安全隐患问题和造成的高压电伤害问题完全有别于传统燃油汽车。

根据纯电动汽车的特殊结构及电路的复杂性,并考虑纯电动汽车高压电安全问题,必须对高压电系统进行安全、合理的规划设计和必要的监控,这是电动汽车安全运行的必要保证。

1、高压系统构成

图1示出纯电动汽车高压系统框图。作为纯电动汽车高压系统安全管理的单元,合理的功能布局和安全可靠的控制策略是实现该系统功能的重要保证。

图1 纯电动汽车高压系统框图

2、高压电气安全系统的总目标

高压电气系统控制与安全管理和故障诊断的总目标是确保纯电动汽车在静止、运行及充电等全过程的高压用电安全。

三、高压电气系统安全设计

根据纯电动汽车安全标准要求,并从车载储能装置、功能安全、故障保护、人员触电防护及高压电安全管理控制策略等方面综合考虑,应对电动汽车高压电系统进行以下四方面设计。

1、 高压电电磁兼容性设计

由于纯电动汽车上存在高压交流系统,具有较强的电磁干扰性,因此高压线束设计时电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线;电源线两端考虑采用隔离接地,以免接地回路形成共同阻抗耦合将噪声耦合至信号线;输入与输出信号线应避免排在一起造成干扰;输入与输出信号线尽量避免在同一个接头上,如不能避免时应将输入与输出信号线错开放置。

2、 高压部件和高压线束的防护与标识设计

高压部件的防护主要包括防水、机械防护及高压警告标识等。尤其是布置在机舱内的部件,如电机及其控制系统、电动空调系统、DC/DC 电压转换器、车载充电机等及它们中间的连接接口,都需要达到一定的防水和防护等级。并且高压部件应具有高压危险警告标识,以警示用户与维修人员在保养与维修时注意这些高压部件。

由于纯电动汽车线束包括低压线束与高压线束,为提示和警示用户和维修人员,高压线束应采用橙色线缆并用橙色波纹管对其进行防护。同时高压连接器也应标识为橙色,起到警示作用,并且所选高压连接器应达到 IP67 防护等级。

3、预充电回路保护设计

因为高压设备控制器输入端存在大量的容性负载,直接接通高压主回路可能会产生高压电冲击,故为避免接通时的高压电冲击,高压系统需采取预充电回路的方式对高压设备进行预充电。图 2 示出纯电动汽车高压系统预充电回路原理图。

图2 纯电动汽车高压系统预充电回路原理图

4、高压设备过载/短路保护设计

当汽车高压附件设备发生过载或线路短路时,相关高压回路应能自动切断供电,以确保高压附件设备不被损坏,保证汽车和驾乘人员的安全。因此在高压系统设计中应设置过载或短路的保护部件,如在相关回路中设置保险和接触器,当发生过载或短路而引起保险或接触器短路时,高压管理系统会通过对接触器触点和相关控制接触器闭合的有效指令进行综合判定,若检测出相关电路故障,高压管理系统会发出声光报警以提示驾驶员。

5、故障检测与故障处理方法

1)、绝缘电阻故障处理

电动汽车电气化程度相对传统汽车要高,其中像电池包、电驱动系统、高压用电辅助设备、充电机及高压线束等在汽车发生碰撞、翻转及汽车运行的恶劣环境(汽车振动、外部环境湿度及温度)影响下,都有可能导致高压电路与汽车底盘间的绝缘性能降低,由此可能造成汽车火灾的发生,直接影响汽车驾乘人员的生命安全。因此,在电动汽车高压系统设计时,首先应确保绝缘电阻值大于 100 Ω/V;其次当汽车发生绝缘电阻值低于规定值时,高压管理系统应及时切断所有的高压回路并发出声光报警,并持续一定时间待原先故障消失后,汽车才能允许进行下一次上电。高压电路进行绝缘检测具体实施标准参照国标《电动汽车安全要求第 1 部分:车载储能装置》。

2)、电压检测与故障处理

纯电动汽车的动力来源是动力电池,动力电池的电压与其放电能力和放电效率有很大的关系。当动力电池电压处于低电压时仍大电流放电,将会损坏高压用电设备并会严重影响电池使用寿命。当检测到电压过高或过低时,应及时切断相关回路。因此为了保障纯电动汽车在动力蓄电池低压时用电器及动力蓄电池和驾乘人员的安全,需要设计电压检测电路对高压电路系统工作电压进行实时准确的检测和安全合理的故障处理

3)、电流检测与故障处理

汽车由于受到运行道路环境及驾驶员操控的影响,汽车运行状态会随时发生变化,动力电池的放电电流会随驾驶员的操控而发生明显变化。当电流超过预设定的允许范围,就会引起温度过分升高,此时不仅影响电池的寿命,而且极端情况下还会引起异常的反应,造成汽车功率器件的损坏,危及汽车高压系统安全。因此,这就要求高压管理系统需对动力电池实时进行电流监控,当检测到电流异常时,高压管理系统将会及时切断所有高压回路并发出声光报警,提示驾乘人员和其他汽车。为了提高测量的准确度和精确度,文章选取霍尔式电流传感器对动力电池充放电电流进行检测,如图 3 示出霍尔式电流传感器原理图。

图3 霍尔式电流传感器原理图

4)、高压接触器触点状态检测与故障处理

为实现纯电动汽车的控制功能和高压电路的可自行切断保护功能,在电动汽车的高压系统中必须配置可控制的并且有自我保护切断高压回路功能的高压接触器。根据整车设计的需求,任何电动汽车在动力主回路中都会配置高压接触器,如果高压接触器触点发生闭合或断开失效时,没有相应的正确处理方式应对,将有可能引起不正常的控制而造成汽车不能正常启动或不能启动。严重的情况下,将会给汽车和人身安全造成危险。鉴于上述问题的严重性,应对高压接触器触点状态进行安全有效的实时监控,并对故障进行处理。当高压接触器触点发生闭合或断开失效故障时,高压管理系统会发出声光报警,以提示操作人员并根据故障的级别控制汽车是否可进行其他操作。

5)、高压互锁回路检测及故障处理

高压回路互锁功能设计是针对高压电路连接的可靠程度提出的。危险电压闭锁回路也称为高压互锁回路(HVIL),它是一个典型的互锁系统,通过使用电气的信号,来检查整个模块、导线及连接器的电气完整性 。当高压安全管理系统检测到某处连接断开或某处连接没有达到预期的可靠性时,安全管理系统将直接或通过整车控制器切断相关动力电源的输出并发出声光报警,直到该故障完全排除。如图 4 示出高压互锁回路检测原理图。

图4 高压互锁电路检测原理图

6)、 充电互锁检测及故障处理

出于安全考虑,充电时,整个驱动系统都需要处于断电状态,即驱动系统高压接触器需处于断开状态,当高压安全管理系统接收到有效的充电信息指令后,高压管理系统首先检测驱动系统相关接触器是否处于断开状态。若处于断开状态则闭合充电回路相关接触器。否则,充电接触器将不会闭合,高压管理系统将发出声光报警以提示相关人员,直至故障排除。

6、高压系统余电放电保护设计

由于高压系统的电机控制器和电动空调等高压部件存在大量的电容。当高压主回路断开时,因高压部件电容的存在,高压系统中还存有很高的电压和电能。为避免对人员和汽车造成危害,在切断高压系统后应将电容的高压电通过并联在高压系统中的电阻释放掉。

图b 车载充电机

四、静止停放时安全管理概述

汽车静止停放时,每隔一定时间(20 s 或 30 s)高压安全管理系统需对高压电网系统进行 1 次绝缘测量,即判别高压电网系统有无绝缘故障,整个高压回路系统包括动力电池内部、动力线、电驱动系统(电机控制器和电机三相线)及连接高压设备附件的导线。当检测到有绝缘故障且故障一直存在时,仪表便会显示绝缘故障指示,以提示驾驶员。

五、碰撞安全概述

通常,电动汽车采用了高达 400 V 左右的大容量动力电池作为驱动汽车的动力源,因而电力未切断的动力电池会对汽车和人员造成不容忽视的威胁和伤害 。若汽车在行驶过程中发生碰撞、翻滚或在充电状态中被其他汽车撞击等意外事故,将会使动力电池组、高压用电设备及高压线束等与车身之间发生摩擦或接触,造成潜在的绝缘失效和短路等危险。为避免由于上述状况而引起的汽车安全问题,可通过一些相关的传感器(如碰撞传感器、角度传感器)来检测汽车的状态,当高压管理系统接收到相关传感器发出的信息后,立即关闭高压电,并利用高压系统余电放电电路将汽车高压部件电容端的电压在 1 s 内放掉,避免火灾或漏电事故引起的人员触电事故的发生 。

六、结论

通过参与大量的电动汽车开发项目设计,文章对多个研发项目中纯电动汽车高压电系统出现的故障及存在的安全隐患进行分析,并提出一整套针对高压电系统安全防护、故障处理及碰撞安全的设计方案,对纯电动汽车高压系统安全设计具有一定的参考意义。

福特大众结成联盟 自主品牌该干点啥?

波帆说车

海豚通人性,是一种非常聪明且善于合作的动物,捕鱼的时候,它们会不急不慢的招呼足够多的同伴过来团团围住鱼群,然后分批次的向鱼群中央发起冲击,这样有攻有守的合作可以使得每只海豚都能获得足够多的食物,这就是联盟的力量。人类很多行为往往都取经于动物,也会形成某种形式的的联盟,比如福特汽车与大众汽车的战略联盟。



 

两大巨头结成战略联盟 从商用车、皮卡做起

 

福特与大众官宣双方将组建一个业务广泛的战略联盟,并签署了首项合作协议。其实在去年中旬的时候,双方就已经宣布签订了谅解备忘录,到进入2019年正式宣布结成战略合作联盟,从动作上来讲算得上比较快,此后双方将共同开发一系列商用车,以及在皮卡领域的合作。而在笔者看来,这合作仅仅只是一个开始,或者说是试水合作。



看得出来,选择商用车和皮卡都是大众和福特相对的优势之处,在一方优势非常明显的情况下合作起来更能够见到成效,福特的大皮卡全世界著名,在美国本土还有独特的皮卡文化,同时福特的商用车在全球也有较大的市场,旗下的全顺、Ranger等相当有名;而大众在MPV方面有深厚积累,横扫整个欧洲市场的同时,其全球业务也是相当不错,在这两个领域合作最见成效,同时也能最大程度的避免轿车和SUV业务上的正面冲突。



去年,福特、大众的轻型商用车在全球的总销量达到近120万辆,在全球范围内这是行业内最大的轻型商务车合作项目了。当然,双方的合作不会涉及到交叉持股,联盟内有明确的分工,福特负责研发、生产中型皮卡以及面向欧洲市场的大尺寸商用车;而大众负责开发、生产MPV车型,充分发挥各自的优势,使得资源得到合理有效的运用。



要知道,这样做的前提是这两个细分市场有较大的增长空间,同时也能保持两个品牌调性的独立,看来大众、福特都是“聪明人”。

 

是在对抗雷诺—日产—三菱联盟 还是实际需要?

 

福特与大众的战略联盟并非汽车界的第一个战略联盟,也不是第一个皮卡联盟。早在1999年的时候,雷诺和日产就已经结成了有名的“雷诺—日产联盟”(三菱后来才被收购)。所不同是,雷诺当时按照每股400日元的价格,以54亿美元购得日产汽车36.8%的股权,成为大股东,形成血肉相连联盟。但福特大众战略联盟还远没有到这个地步,将来可能也不会执行交叉持股这一步。



其实就竞争关系而言,两大联盟在全球范围内的竞争是显而易见的。从销量上看,大众集团最近宣布2018年共售出了1080万辆汽车,相对2017年1074万的全球交付量,微增0.6左右%;而雷诺-日产-三菱联盟2017年在全球范围内共销售新车约为10,61万辆,这一数据是低于大众的,2018年的数据暂时还没发布,但是从去年汽车市场销量增速的表现来看,雷诺-日产-三菱联盟的销量数据不会有太大出入,这样看来,雷诺-日产-三菱联盟的销量仅仅还还不及大众集团,加上福特就更加不是个儿了。



如果是搞销量上的对抗,对于大众-福特联盟来说显然没有多大意义,因为他们在轿车、SUV领域已经足够优秀,现在要做的就是拿别人的长处来填补自家的短板。也就是说,这个新的战略联盟有利于合作双方在拥有独特功能和技术的车型架构方面分摊成本,从而显著提升业务规模和运营效率。即便有联盟对抗的成分,那只是很少一部分。

 

自主品牌可以学到啥?

 

对于成长中的自主品牌而言,笔者认为当单个品牌不足以对抗国际大品牌的时候,自主品牌的联合就显得很有必要。国内汽车市场是世界上最大的汽车市场,所包含的汽车品牌相当广泛,但总体实力都称不上强大,即便有车企能够达到200万以上的市场销量,但是在全球排名前十的汽车品牌中,却鲜能发现中国品牌的身影;如果按照车企集团划分,上汽集团能够入围,但如果没有大众、通用等合资品牌,显然自主品牌难以支撑。也是因为内国内汽车市场潜力大,所以才能诞生那么多汽车品牌,可多而不强与世界最大汽车市场的地位极度不符。



其实在管理层已经看到这一问题,并出台了一系列的措施来刺激自主品牌的竞争力增长,比如放开合资车企的股比限制、民营车企也可与国外品牌建立合资车企、甚至特斯拉已经在中国独资建立工厂等,将中国品牌从“圈养”状态过渡到“放养”状态,将保护的围栏拆除,使得小绵羊与狼共舞。这样做的结果是实力弱的品牌终将被淘汰,而努力向上的品牌则越发强大,形成相对稳定格局。

但自主品牌的合作避免不了,随着汽车向智能化、电动化、共享化发展,特别在技术方面,往往不是单独一家企业能够完成的,需要各方通力合作才能达成。比如大众与福特还签署了一项合作备忘录,将在自动驾驶、智能移动出行服务和电动车型领域内的合作。为了更好的与这些全球车企竞争,自主品牌的战略联合不可避免。

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