纯电动汽车高压系统的安全保护设计.pdf

装备制造技术 2023 年第 7 期0引 言随着全球二氧化碳排放量的增加，碳氢化合物与氮氧化物污染环境的日益加剧，给全球的气候与环境带来了极大的影响，加上石油危机等因素，以燃油为主的内燃机作为驱动的传统汽车随着时间的推移，会逐渐被新能源为动力的汽车所代替。纯电动汽车成为了现有的主流新能源汽车。纯电动汽车使用是的直流高压电，在维修维护过程中，如果不按正确高压安全操作，会给人造成电击伤害，对物造成损坏。掌握纯电动汽车高压系统的安全保护措施，有利于保护从事纯电动汽车的维修维护人员的人身财产安全，同时也可以给使用纯电动汽车的驾乘人员创造一个安全稳定售后服务。主要从纯电动汽车高压系统中控制原则、动力蓄电池、漏电保护、高压互锁装置以及维修人员的基本操作等方面展开了研究。1低压电控制高压电在纯电动汽车上，动力蓄电池包使用的是高压直流电，其电压最高可达 300 600 V，动力蓄电池包在充放电时，其电流最高可达到 200 A 以上。因此，纯电动汽车在使用过程的高压安全保护控制与设计，是汽车生产商必须要考虑的问题。如此之大的电压与电流，如果在纯电动汽车的高压电路中，使用直接控制的方法，极其不安全，因此所有的纯电动汽车的高压线路的接通与断开，都是使用小流电流控制大电流，并且是低压电控制高压电。纯电动汽车上高压电的控制逻辑如图 1 所示。由图 1 可知，纯电动汽车上高压电首先要保证车辆处于点火开关 ON 档的位置，保证 BMS 等相关模块通电并能正常工作后，BMS 才能进行自检，自检完成后才控制预充继电器、正极接触器吸合，在纯电动汽车上，分压接触器、负极接触器、正极接触器、预充纯电动汽车高压系统的安全保护设计梁耀杰（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 520023）摘要：纯电动汽车由动力蓄电池提供动力，采用的直流高压电最高可达 300 V 以上。因此，高压电的安全保护设计一直以来受到驾乘人员以及从事新能源汽车相关行业人员的高度关注。该文以纯电动汽车低压电控制高压电的原理为出发点，阐述低压电控制高压电的控制逻辑，实车举例了低压电控制高压电的具体控制方法；从纯电动汽车动力蓄电池自我诊断的具体参数强调了动力蓄电池自检的重要性，突出了电池管理系统的强大功能；同时从漏电保护的作用与控制原理、高压互锁的作用与控制原理以及维修开关的作用等方向，利用纯电动汽车上下高压电的控制逻辑需要的必备信号的监控方式以及纯电动汽车在维修中需要注意的安全操作，详细叙述纯电动汽车高压系统的安全保护设计，对从事电动汽车的高压安全操作与故障诊断排除的人员起到科学的借鉴作用。关键词：低压；高压；动力蓄电池；漏电保护；高压互锁中图分类号：U469文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0241-04收稿日期：2023-03-25作者简介：梁耀杰（1987-），男，广西平南人，工程师/实验师，研究方向：汽车检测与维修技术、新能源汽车技术.图 1高压上电控制流程ON 档点火开关 ON 档，发送启动命令 EV通过网关给 BMS 与驱动电机控制器BMS 通电，同时收到报文负极继电器吸合上电失败不正常BMS 自检是否异常吸合预充断电器BMS 检测预充是否成功吸合正极继电器断开预充继电器Ready/ok 灯点亮241Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023接触器与普通继电器的控制原理一样，由线圈与触点开关组成，线圈的一端连接电源，另一端由 BMS 控制其搭铁；触点开关端则连接高压母线，如图 2 所示。当BMS 检测到满足上高压电的条件后，控制各接触器接通，高压电线路接通，动力蓄电池包输出高压电，READY/OK 灯点亮，纯电动汽车高压上电成功。因此，当纯电动汽车在切断低压 12 V 蓄电池包后，车辆的点火开关的 ON 档电无法接通，BMS 等各模块也未通电，无法进行自检，BMS 会发出高压电下电的指令，各接触也无法工作。如比亚迪续航里程为 400 km的全新秦 EV 中的高压系统，其 BMS 在自检的过程中，检测到负极接触器的低压 12 V 控制线路异常时，会报出故障代码：P1A3D00，定义为：负极接触器回检故障；其可疑故障范围在动力电池内部或负极接触器低压控制线路中；当 BMS 检测到存在负极接触器烧结的可疑现象时，会报出故障代码：P1A4200，定义为：负极接触器烧结故障，其故障的可疑范围在动力电池内部或负极接触器低压控制线路中。其他的接触器的状态也同样会被 BMS 监控，出现可疑故障时，也会报出同样的故障代码与显示故障的定义。所以，当低压线路被切断或出现故障时，控制模块控制车辆下电，车辆不会有动力蓄电池包的直流高压电输出1。2动力蓄电池包的自我诊断由于动力蓄电池包中 300 600 V 的高压电都是由无数个 3.2 3.6 V 的单体电压串并联按照一定的规则顺序组成的，单体电池组成的数量与车辆配备的动力蓄电池包的总电压相关，如磷酸铁锂电池在比亚迪 E5 的应用中，由 13 个电池模组连接组成，每个电池模组由多干个单体电池混联组成，每个单体电池的额定电压约为 3.2 V，该车动力蓄电池包的总电压可达 633.6 V；而特斯拉 Model S 的动力蓄电池包采用的是三元锂电池，单体电池电压为 3.6 V，整个动力蓄电池包可由 7104 节18650 型号的单体电池组成。因为动力蓄电池包内部的单体数量大，因此，当纯电动汽车进行上高压电操作时，BMS 在自检的过程中还要对单体电池的电压检测，检查单体电池的电压是否过高，是否超过了车辆能承受的数值，避免在使用过程中因为过压而引起其他高压部件损坏，这是高压安全保护中的过压保护；除此之外，BMS 还要检查动力蓄电池包中的内部单体电池是否严重欠压，如果单体严重欠压，整个动力蓄电池包的电压输出会产生“木桶效应”，会以最低电压的单体电池作为输出参考，而且电池容量严重下降时，会造成不可逆的损坏。所以，当最低单体电池的电压下降到极值时，BMS 则会发出高压电下电的指令，这是高压安全保护中的欠压保护；BMS 在上电前以及高压充放电的过程中，还需要监控动力蓄电池包内部单体电池的温度，当监控到单体电池的温度值过低时，电池的容量下降的比较严重，电池的输出功率会受到极大的影响，这是需要启动动力电池的热保护模式，给电池组升温至最佳的工作温度；当 BMS 检测到单体电池的温度过低时，需要及时给电池组散热，因为单体电池温度过高，极其容易电池起火，引发火灾等事故2。因此，很多电池制造商特别在乎制造出来的电池的温度变化，通常使用冲压实验、针刺实验来判断电池的稳定性，通过电池的散热效果来判断电池是否安全稳定。因此，单体电池温度过高，BMS 同时会控制高压电停止输出，这是纯电动汽车高压安全保护中的过温保护。为了监控纯电动汽车在上电与下电的操作准确无误及各执行部件响应性是否良好，BMS 同时还可以监控动力蓄电池包内部的接触器是否存在烧结与粘连等现象，防止发生高压电安全事故。3漏电传感器的安全保护纯电动汽车上，除了动力蓄电池包外，涉及高压电的部件主要有驱动电机控制器（PEU）、驱动电机、车载充电器（OBC）、直流转换器（DC/DC）、空调暖风加热器（PTC）与空调压缩机，其都是通过高压线束与动力蓄电池包连接，各高压部件的高压连接线路图如图 3 所示。动力蓄电池包管理器主要负责控制各高压部件的高压电源的接通与断开。因为车辆涉及的高压部件与高压线路比较多，特别是高压线路分布区域广、覆盖面积大，如果处理不当，引起高压电泄露而产生漏电的现象，将会给车辆维修维护人员或驾乘人员造成不同程度的伤害或心理创伤。为了最大程度降低这种现象发生，做到早发现早处理，很多纯电动汽车图 2高压线路控制原理点火开关预充接触器电池组预充接触器动务蓄电池包电流传感器1k赘伊2正极接触器BMSCAN-HCAN-LReady高压配电箱总成242装备制造技术 2023 年第 7 期在高压系统的线路上安装了漏电传感器。漏电传感器由一般由 BMS 来监控。在纯电动汽车上，漏电传感器安装在纯电动汽车动力蓄电池包直流电源母线与车身搭铁之间，如图 4 所示，用于监测与动力蓄电池包负极母线与车身搭铁之间的绝缘电阻，通过电阻的变化判断动力蓄电池包的漏电程度。当动力蓄电池包出现漏电时，漏电传感器会发送监控出来的信号给电池管理器（BMS），电池管理器收到漏电信号后，进行一系列的相关保护措施并报警，禁止动力蓄电池包的高压电泄露3，出现触电或其他危险，造成人或者是物品的伤害和损失。参考国家标准，纯电动汽车的动力蓄电池包的每一伏特绝缘电阻应大于500 赘。漏电的程度可分为一般漏电与严重漏电，当直流母线负极与车身搭铁之间的绝缘电阻值小于或等于 100120 k赘 时，纯电动汽车处于一般漏电的状态，BMS 会报故障码，如秦 EV，故障码是 P1A0100（一般漏电故障），此时的纯电动汽车将会被限制功率输出；当直流母线负极与车身搭铁之间的绝缘电阻值小于或等于 20 k赘 时，属于严重漏电状态，故障码是P1A0100（严重漏电故障），BMS 将会断开所有接触器，禁止高压电输出。如吉利 EV300，车身搭铁与动力蓄电池之间的绝缘电阻约为 2.6 m赘，远大于 120 k赘。当车辆处于 ON 档状态时，如果报高压漏电故障，可以首先怀疑为动力蓄电池包内部漏电；当车辆处于OK/READY 档位置时，报漏电故障，初步判断为动力蓄电池包以外的高压线路或高压模块漏电。4高压互锁的安全保护纯电动汽车在充放电的过程中，电流电压都较大，导致产生的功率也较大，与之相关的各高压部件和各高压连接线束如果出现线束的连接器连接不牢靠或存在虚连接的现象，将会给人身安全或物品造成伤害或损坏。为了避免此故障发生，提高纯电动汽车的安全稳定性，在纯电动汽车的各高压线束连接处安装了高压互锁装置，高压互锁装置利用低压电线路的完整性来检测高压线束的连接处是否连接牢靠4。纯电动汽车的主要高压连接器（如动力蓄电池管理器内部、高压配电箱总成、维修开关内部、驱动电机控制器和 DC 总成等）均带有高压互锁装置回路，当其中某个连接器断开时，动力蓄电池管理器便会无法检测到高压互锁装置的回路状态，从人员安全方面考虑，将发出安全警示储存故障代码并断开高压电的输出，车辆处于高压电下电的状态，主动泄放开始工作。高压互锁装置是电动汽车特有的高压安全保护装置，可以大大降低了高压电安全事故的发生，其控制的方法有多种，其中一种是使用电信号，如吉利帝豪 EV300，在整车控制器端发射出去的高压互锁信号为 0 10 V之间的方波，使用普通万用表测量时，可以测得其平均值，电压约为 5 V，整车控制器的反馈回来的信号与发送的信号相符时，系统默认高压互锁装置回路完好。当某个高压连接器未安装到位时，高压互锁装置处于断开状态，整车控制器的接收回来的信号与发射出去的信号不一致，默认高压连接器未安装到位，存在高压安全的危险，系统将立即报警，车辆会被强行下电，或者不允许上高压电。另一种高压互锁得控制方法是由监测高压互锁的控制模块发出低功率的 5 V（或 12 V）电压，在互锁线路的另一端接地，如果该发射电压被拉低到规定范围，则判断高压互锁装置回路正常，允许上高压电；如果发射电压没有被拉低到规定的范围，则判断高压互锁装置回路异常，系统将立即报警，车辆会被强行下电，或者不允许上高压电。除了高压互锁装置可以监测高压部件与高压线路的连接的完好性、牢靠性之外，纯电动汽车上还有另一种控制策略来检验高压线路的是否安全可靠，该图 4漏电传感器安装位置正极负极动力蓄电池高压配电箱高压控制模块高压系统电池管理器（BMS）漏电传感器图 3高压系统线路12分压接触器分压接触器34维修开关主负接触器预充接触器预充电阻100赘电流传感器主正接触器高压分线盒/高压配电箱PTC压缩机OBCPEUDC/DC辅助电池（正极）驱动电机动力蓄电池243Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023方法就是给车辆上高压电前，需要先进行预充，预充完成后方能进行控制高压上电。进行预充是有条件的，只有在 BMS 监测到动力蓄电池包内部的单体电池电压、温度，以及各高压互锁故障、无严重漏电报警、无碰撞异常、无接触器烧结等信号时，BMS 才会控制高压电进行预充。进行预充时，BMS 控制动力蓄电池内部的负极接触器吸合与分压接触器吸合，然后控制预充接触器吸合后，动力蓄电池的电压灌送往驱动电机控制中，当驱动电机控制中的电压达到动力蓄电池总电压的一定比例设定值时，驱动电机控制发送预充已完成的指令给 BMS，BMS 此时会控制正极接触器闭合，同时让预充接触器断开，预充完成，高压上电正常。纯电动汽车如果不进行预充就直接控制主接触器吸合，可能会引起高压电路与高压用电器等部件造成大电流的冲击，极容易产生火花导致过热，过热会烧蚀主接触器的开关触点，甚至击穿电容和熔断器。预充电路有大概 100 赘 左右的预充电阻，起到降低电流的作用。因此，在预充电路接通时，可以先让高压用电器等部件输入高电压小电流，测试高压用电器等部件对高压电源的承载能力和绝缘状态；如果高压系统存在故障，高电压大电流将停止输入高压用电器，起保护高压电路和高压用电器的作用，如图 5 所示。因此，预充电路也称为高压保护电路。5维修开关的安全保护纯电动汽车上安装有维修开关，在对纯电动汽车进行维修维护时，必须将维修开关拔出，并由专人进行妥善保管，防止车辆在有人在维修的过程中安装上去，危害到维修人员的人身安全。纯电动汽车在维修前，必须要先下高压电，具体步骤如下5：（1）点火开关位于 OFF 档。因点火开关控制电源，被切断后，正常情况下，各高压接触器应处于开关触点断开的状态。（2）断开低压 12 V 辅助电池的负极端子。所有的控制模块电源被切断，保证了各控制模块的电源被切断，无控制信号输出。（3）拔出维修开关。如图 3 所示，拔出维修开关，就断开了动力蓄电池包模组之间高压母线的连接，保证高压接触器在出现粘连故障时也无高压电流输出（无维修开关的车辆，须断开高压互锁开关、断开高压电源的母线）。（4）等待 5 min。让高压用电器中的电容充分放电至安全电压，防止裸手触碰到时，遭到高压电流的电击。（5）验高压电。对需要拆卸的高压总成连接器中的端子进行残余电量的测量，正常情况下，一般小于5 V，防止高压总成带电造成电击。维修开关同时具有连接或断开高压互锁、连接或断开高压电源、拔插消弧以及过载熔断的作用。纯电动汽车在维护维修时，务必按照标准的操作拔出维修开关，该步骤等同于铁的纪律，主要用于在操作期间保护人和物的安全，防止造成不必要的损失。6结 语综上所述，根据纯电动汽车高压电的安全保护设计，纯电动汽车上高压电需要满足以下几个条件：（1）低压 12 V 辅助蓄电池给各控制模块的供电应正常；（2）动力蓄电池内部各接触器应无烧结、粘连，各单体电池的温度、电压等参数应在正常的范围；（3）高压系统应无漏电现象，各高压连接器应连接牢靠。在对纯电动汽车进行维修时，高压系统的安全操作极其重要，在操作前，要充分掌握纯电动汽车高压系统的安全保护设计，按要求做好安全防护。以上所述，经过实车验证，非常值得从事电动汽车高压安全操作与故障诊断排除的人员借鉴与推广。参考文献：1 卢凯.纯电动汽车高压上电流程与故障分析J.汽车实用技术，2023，48（3）：164-169.2 于秩祥.电动汽车动力电池使用安全性研究J.北京汽车，2023（1）：18-21，41.3 高惠民.混合动力汽车高压漏电的检测与分析J.汽车维修与保养，2019（10）：66-70.4 杨舒乐.纯电动汽车高压互锁回路故障诊断分析J.时代汽车，2021（12）：102-103.5 吕旭.周远芳.新能源汽车绝缘监控原理和维修注意事项J.科技创新与生产力，2020（10）：61-63.图 5预充原理主接触器电流预充接触器电流高压用电器244