電動汽車動力電池系統電氣架構及設計

南京軍上電子科技有限公司 楊上東 趙 杰

電動汽車動力電池系統的電氣架構是保證人員和設備安全的關鍵，因此在開發前期，必須從全局考慮進行電氣架構的總體設計。本文介紹電池系統的電氣架構的定義，詳細闡述電氣架構設計步驟，包括需求分析、設計原則、方案規劃、方案分析、方案選擇等。

1 背景

隨著全球各國禁售燃油車時間表的相繼公布，以及各大車企在新能源汽車領域的全面發力，電動汽車目前處于飛速發展階段。電池系統是新能源汽車的核心零部件之一，負責提供并且回收能量，具有高電壓和大電流等特點，通常高壓系統在300V以上，工作電流超過300A以上，對電動汽車的安全性尤為重要。對于電池系統，合理的電氣架構在實現功能的同時，可降低不必要的安全隱患，本文就電池系統的電氣架構及設計展開論述。

2 電池系統電氣架構的定義

電池系統電氣架構是由一系列電池系統相關聯的電氣及電子部件組成的集合。這種關聯性可以體現為結構級、動力級及信號級等多種類型，考慮功能、法規和特殊設計要求的同時，對成本、性能、功能、裝配和維護等方面進行分析進而得到的最優電氣系統模型。

3 電池系統電氣架構設計

電氣構架設計包括設計輸入、方案設計等內容，范圍廣闊，且相互之間有多種聯系。以下對各步驟進行詳細闡述。

3.1 設計輸入

需求及目標的定義是電氣架構設計的輸入和目標，關系到設計的成敗，通常應至少包含以下幾個方面。

3.1.1 通用需求

（1）電壓檢測

實時對電池系統內每串電池單體電壓及系統高壓（包括電池總壓、母線電壓等）進行測量，高壓采集精度和實時性要求，應能滿足系統診斷、繼電器控制、功率計算等不同功能需求。

（2）預充電管理

閉合高壓回路時能夠進行預充電管理，能進行預充電回路失效檢測，以滿足整車高壓系統上電要求，預充電壓具備獨立采集的能力。

（3）溫度檢測

合理布置溫度傳感器，實時對電池系統內每個電池模組溫度進行測量。溫度傳感器的布置數量和位置，應結合電芯模組一致性、電池系統熱流場分析、電池及整車高低溫試驗等最終確定，過多的溫度采集會帶來布置難度和成本浪費。

（4）電流檢測

實時對電池系統總電流進行測量，電流采集元件需具有互換性，可采用獨立模塊方式設計。

（5）熱管理

熱管理是電池系統發展的熱點技術，尤其是液冷技術的發展，對電氣系統的設計提出更多的要求。電池系統應能支持冷卻泵、不同通路的電磁閥、空氣PTC、過水PTC等驅動控制能力。

3.1.2 高壓安全

電動汽車安全通常包括功能安全（劉佳熙,郭輝,李君.汽車電子電氣系統的功能安全標準ISO26262[J].上海汽車,2011(10):58-61）、碰撞安全、高壓安全、EMC安全等多種安全概念，跟動力電池系統電氣架構關系最緊密的是高壓安全。高壓安全的核心要求是避免人員發生觸電危險，在進行設計分析時需要全面考慮各種應用場景，通常應包括：

（1）車輛正常操作，如：行駛、停車、轉向等；

（2）充電，包括：快充和慢充，更具體的可以分解為更細致的情況，本文不再詳述；

（3）車輛保養、車輛維修；

（4）車輛拆解、車輛廢棄管理；

（5）碰撞；

（6）事故營救。

跟高壓安全相關的電氣系統設計，主要包括：

（1）高壓繼電器

高壓繼電器是電池系統的閥門，出現斷路和粘連都會帶來安全風險，因此電池系統電氣架構中高壓繼電器的選取也是很重要的一環。選擇高壓繼電器要參考需求的額定電流、額定電壓、峰值電流持續時間、充放電峰值電流以及車輛的運行模擬工況等等，使用壽命參考峰值電流。設計中需要引起重視的細節，是在短路時，高壓繼電器的失效時間要比熔斷器失效時間長。

（2）高壓互鎖

為保證人員的人身安全，電池系統電氣架構應設計高壓互鎖，即用低壓回路信號檢測高壓回路的完整性，以提升安全性能。電路設計應考慮兩點：一是低壓檢測回路需要完整檢測電池系統每個高壓連接器及手動維修開關的連接狀態；二是要實現低壓檢測回路比高壓先接通，預留電池系統采取措施時間。針對不同項目，高壓互鎖實現形式不同。

（3）絕緣檢測

絕緣失效會導致高壓直接傷害人體，因而絕緣檢測是電池系統電氣架構的重要設計環節，由于電池系統屬于帶電體，一般檢測電池正極對地、負極對地的絕緣電阻來判定絕緣性能。絕緣檢測方式有兩種：一種是電阻測量法，一種是信號注入法。

（4）碰撞保護

汽車發生嚴重碰撞可能會造成電池系統擠壓形變，電池系統很容易造成短路起火等安全事故，因而碰撞保護是電池系統電氣架構必須考慮的設計環節。碰撞保護的關鍵是第一時間切斷高壓，碰撞響應時間尤其關鍵。碰撞信號傳輸分為CAN信號和硬線信號，如何在最短的時間識別出碰撞信號并采取動作成為設計人員需要考慮的一大難題。除了切斷高壓，電氣架構中還應考慮在電池組內部增加熔斷器及分壓接觸器等電器件來極大降低短路和觸電事故的概率。

（5）手動維修開關

手動維修開關在進行維修的時候要能夠手動切斷高壓，自動斷路器在系統出現故障時能接受電池管理系統的控制切斷高壓系統。

3.1.3 其他需求

隨著技術的發展，電池系統會迎接更小的體積、更高的功率、更大的負載等需求，對于更高的功率要求更高的電壓，這帶來了更嚴格的安全性考慮；對于更大的負載要求更高的電流，電池系統也會溫升更高，可能因更高的頻率要求更好的EMC保護；無線通信方式有已一定發展，電氣功能模塊化亦在不停演變；所有的這些都需要電氣架構的支持，是電氣架構發展的未來需求。

3.2 方案設計

3.2.1 總體原則

電池系統電氣架構設計原則（朱建新,鄭榮良,卓斌,等.電動汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究[J].汽車工程,2007(4):308-212）：（1）各高壓部件盡量使用獨立繼電器控制，確保部件不工作時不帶電；（2）電池系統內部和外部高壓部件使用的保險絲盒要隔離，防止外部保險絲檢修或更換會影響電池系統內部的防護等級；（3）特性相近部件盡量共用繼電器，以減少繼電器數量；（4）盡量減少電池系統電氣接口的數量。

3.2.2 方案規劃

同一種功能的實現可以有不同的途徑，電氣架構分析之前應對不同途徑進行總結，然后設計成不同方案來分析。下文將圍繞一個具體案例進行分析，對于一種含有慢充、快充、主回路的兩種典型電氣架構方案：方案一是將慢充回路單獨作為一路控制，方案二是將慢充回路并入主回路，當進行慢充時由主回路進行充電。想比較而言，方案一布置更為靈活，但方案二部件重用度高成本更優。下文將詳細論述過程。

圖1 方案一

圖2 方案二

3.2.3 方案分析及設計

設計好所有方案后，需要對每個方案來具體的分析。電氣架構的內容分析較為廣泛，大致由電源分配、網絡通訊、原理設計以及線束設計等四個部分。這四個部分內容既相互支撐，又互有交叉。

圖3 電氣架構分析內容示意圖

3.2.3.1 電池系統配電盒BDU

整個BDU包含高壓繼電器、繼電器驅動電路、電流傳感器、預充電阻以及保險絲等，主要作用是保證電池系統與外界的關斷，是電池系統電氣架構中一個具體實現。

3.2.3.2 原理設計

電氣原理圖是電氣架構設計的中心環節，是其他技術資料制作的依據。

（1）確定電氣設計任務書。

（2）確定電氣低壓控制方案及高壓采集方案。

電池系統包括低壓系統和高壓系統。低壓部分包括：低壓電源，信號采集與輸出，CAN網絡，為確保EMC性能，CAN網絡屏蔽地應搭鐵；系統高壓采集部分，包括單體電壓采集 、溫度采集以及系統高壓采集。

（3）電器件選型，包括高低壓接插件、主繼電器、預充繼電器、充電口、電流傳感器、預充電阻、風扇、手動開關、保險絲等。在選擇時在滿足各具體功能要求時，不能忽略考慮工作溫度、海拔高度、持續耐壓和短時耐壓等基本需求。

（4）將各部分連成整體，繪制電氣原理圖，要體現各部分技術要求及參數。

（5）插接件及導線選型。

考慮導線線徑、導線電流以及插接件固定方式等因素選取插接件，定義插接件各接口信號，插接件視圖方向要和線束圖紙上的視圖方向保持一致。選取導線時，要考慮導線電流、壓接機械強度、電壓降、導線使用環境溫度等因素，定義導線的種類、線徑、顏色，注意CAN線要用屏蔽線。

3.2.3.3 網絡通訊及EMC

對于分布式電池管理系統，主機與各從機之間，目前廣泛采用的是CAN網絡，設計時要確認各子模塊相互通訊接口信息、評估網絡通信要求、設計通信線束。目前為降低成本，也有采用菊花鏈通信的形成，但穩定性相對CAN網絡低一些，在開發時需要全面平衡。

3.2.3.4 線束設計

線束是電氣架構分析的實物輸出，是電氣原理在電池系統中的具體實現。線束設計要依據電氣原理圖、電池系統模型來確定線束的種類、長度、顏色、走向等，同時考慮到線束在電池系統內所處位置做出相應防護。

4.總結

本文介紹介紹了電動汽車動力電池系統電氣架構如何建立完整的需求，針對這些需求，如何進一步開展方案分析、規劃和具體設計工作，最終選擇最優的技術方案。電氣系統設計是動力電池設計的關鍵內容之一，良好的設計不僅能帶來電池性能的提升，更重要的是為乘客提供了安全的保障。