PHEV高壓系統電氣架構的設計

婁鋒，陳恩輝，劉丹

（1.華晨汽車工程研究院新能源工程室，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽燃氣技術開發有限公司，遼寧 沈陽 110000）

前言

提到新能源汽車，大家最為擔心的就是安全問題：充電安全，使用安全等等。近幾年，隨著PHEV車型銷量的不斷增加，PHEV高壓系統的安全問題越來越引起人們的重視。高壓系統架構的設計成為PHEV汽車設計開發人員研究的重中之重。

PHEV車輛設計必須符合GB/T 19751-2005《混合動力電動汽車安全要求》、GB/T18384《電動汽車安全要求》。標準GB/T18384《電動汽車安全要求》中明確定義高壓，就是直流電壓大于60V、小于1500V，交流電壓大于30、小于1000，這是B級電壓，就是通常說的電動汽車的高壓，此電壓會對人產生肌肉收縮、血壓上升、呼吸困難甚至導致死亡；PHEV車型采用的整車高壓系統都是直流300V以上，同時在不同工況下，整車高壓系統的電流可能達到數十、甚至數百安培，瞬時短路電流更是成倍增加。一旦發生高壓電路安全故障時，高電壓和大電流將會直接危及乘客的人身安全，同時還會影響車輛其它低壓零部件的正常工作。

1 PHEV高壓系統的組成

為了保證整車高壓系統的高壓電安全，必須針對高壓電防護進行特別的系統規劃與設計。PHEV汽車的高壓系統的組成，包括動力電池系統、前驅動電機及電機控制器（集成DCDC變換器）、電動空調壓縮機、水暖PTC加熱器、車載充電機、后橋驅動電機及電機控制器、高壓配電盒、交流充電、直流充電等等，如圖1所示。

圖1 PHEV四驅高壓系統組成示意圖

首先，整車高壓系統電氣架構的設計需要從高壓各零部件部件的幾何結構在整車布置位置的可行性、混合動力車輛的整車控制策略和行業的發展趨勢等多角度考慮。若采用合理的高壓電氣架構，集成相關高壓零部件，達到減少高壓繼電器、高壓連接器的數量、高壓動力電纜的使用量等目的，增加整車高壓系統的可靠性，降低發生高壓安全問題，又可以降低整車成本，增加市場競爭力。目前，新能源零部件的發展趨勢，大部分供應商都采用系統集成的方案。例如，驅動電機、減速器和電機控制器集成的三合一產品；車載充電機、DCDC變換器集成的二合一；電機控制器、DCDC變換器和高壓配電盒集成的三合一產品；車載充電機、DCDC變換器、高壓配電盒集成三合一產品等等。

2 PHEV高壓系統電氣架構的設計

2.1 設計要求

高壓安全技術就是要充分保證人的安全技術。根據GB/T 19751-2005《混合動力電動汽車安全要求》、GB/T18384《電動汽車安全要求》以及通過人體電流安全標準 IEC 60479-1:2005，PHEV汽車高壓安全要求如下：

（1）高壓系統接觸防護要求：要設計遮攔或者外殼，高壓連接器具備高壓互鎖功能，避免人員直接接觸。

（2）高壓系統漏電流要求：不能超過人體安全閾值（30mA·s），接觸電壓不能超過人體安全電壓（36V）。

（3）高壓系統絕緣要求：電阻阻值除以動力電池標稱電壓至少大于100Ω/V。

（4）高壓系統功能安全要求：上電時需具有預充電過程，以避免接通時的瞬態高壓電沖擊；任何工況下，高壓繼電器的斷開時間應小于20ms；高壓系統電源斷開1 s后，任何可觸及的導電部分和地之間的交流峰值電壓應低于42.4 V，直流電壓應低于60 V，并且存儲的能量應少于0.2J。

2.2 設計思路及高壓安全的關鍵技術

根據以往BEV、PHEV項目經驗，并結合整車開發過程，提出一種整車高壓系統電氣架構的設計流程，如圖2所示。

圖2 整車高壓系統電氣架構的設計流程

從設計角度來看，高壓安全的關鍵技術，主要包括三方面工作：第一是接觸防護，如何防止人員接觸到高壓部件，接觸防護包括絕緣設計、電壓、高壓安全標識，包括接觸防護等級，包括遮擋等設計。這是設計首先必須考慮的重要問題；第二，若接觸到也不會發生觸電危害；包括高壓互鎖設計、低電能、低電壓和電位均衡等。第三是安全預警，在發生高壓安全危險之前，包括漏電之前，要有及時的預防和預警系統，保證危險發生之前就能夠杜絕。安全預警方面通過對高壓系統的關鍵觸點監測，包括絕緣監測，過壓保護，過流保護等。

2.3 PHEV車型四種高壓系統方案分析

根據提出 PHEV車型三種高壓系統方案分析如圖 3所示。

圖3 PHEV高壓系統電氣架構示意圖

A方案各高壓零部件都采用單獨設計，優點是靈活性好，在實際的應用中，可根據汽車的實際情況進行選擇，缺點是受限整車布置空間，增加了各高壓零部件的布置難度，高壓動力電纜設計復雜；B方案采用前驅電機控制器集成DC/DC及高壓分電盒的功能（連接電動空調壓縮機和PTC加熱器），優點是減少高壓零部件數量、高壓連接器及高壓動力電纜的數量，缺點是前艙布置空間要求較高，與整車低壓電氣連接復雜（前艙布置低壓蓄電池可能存在問題）；C方案采用前驅電機控制器集成高壓分電盒的功能（連接電動空調壓縮機和PTC加熱器），車載充電機、DC/DC及高壓分電盒的三合一設計。優點是前艙布置空間合理，節省整車的布置空間，減少 DC/DC到低壓蓄電池的線束的長度，后驅系統可以變為選配方案，增加配置的多樣性。

2.4 工程開發

在工程開發過程中，需綜合考慮各種工程實際，需要注意的是，本文提出的三種方案都是簡單的示意，工程開發過程中決定高壓系統電氣架構的因素很多，例如高壓零部件選型的可行性、整車布置問題、整車熱管理問題、整車控制策略等等。其中，高壓系統電氣架構所采用的零部件的高壓連接器、出線方式、零部件之間的接線方式、動力電池充電過程中的上下電時序以及動力電池充放電過程中的加熱、冷卻和上、下電邏輯等關鍵問題，都與高壓系統電氣架構的最終設計方案緊密相連，都需要設計開發人員謹慎選擇及優化。

本文采用C方案高壓系統電氣架構的設計方案，進行了基于某平臺車型的整車布置模型分析，如圖4所示，結果表明，整車布置可行，可以開展后續工作。

圖4 基于C方案高壓系統電氣架構的整車布置模型

3 結論

本文通過分析PHEV高壓系統電氣架構，結合新能源汽車零部件的發展方向，集成相關高壓零部件，達到減少高壓零部件、高壓連接器的數量、高壓動力電纜的使用量等目的，增加整車高壓系統的可靠性，降低發生高壓安全問題，又可以降低整車成本，增加市場競爭力。研究結果表明，該方案可以滿足PHEV車高壓系統的使用要求，具有簡單且易實現的特點，采用高壓零部件相互集成的方案，符合高壓零部件的技術發展路線，充分考慮到整車布置的局限性，降低整車的研發成本，具有很好的平臺化前景。

參考文獻

[1] 中國汽車技術研究中心.GB/T 19751-2005 混合動力電動汽車安全要求[S].北京:中國標準出版社.2005:1-5.

[2] 中國汽車技術研究中心.GB/T 18384.2-2015電動汽車安全要求第2部分:功能安全和故障防護[S].北京:中國標準出版社,2015.[3] 中國汽車技術研究中心.GB/T 18384.3-2015電動汽車安全要求第3部分:人員觸電防護[S].北京:中國標準出版社,2015.

[4] International Electro technical Commission.IEC 60479-1:2005 Effe-cts of current on human beings and livestock Part 1:General aspects[S].Switzerland Geneva:Standards Policy and Strategy Committee,2005.

[5] 張俊,謝偉東;純電動汽車高壓回路安全監測系統設計[J].機電工程.2013,30(3):364-366.