Plug-in混合動力汽車高壓系統(tǒng)安全設(shè)計

鄧海文　劉金配　羅儒　戴永強　黃祖朋　邵杰

摘 要：本文介紹了Plug-in混合動力汽車高壓系統(tǒng)的組成，從電氣安全、布置安全、控制管理三個方面對高壓系統(tǒng)安全設(shè)計進(jìn)行分析，為混合動力高壓系統(tǒng)安全設(shè)計提供了方法和思路。

關(guān)鍵詞：電動汽車 高壓 安全

Safety Design of the Plug-in High-voltage System of Hybrid Vehicle

Deng Haiwen Liu Jinpei Luo Ru Dai Yongqiang Huang Zupeng Shao Jie

Abstract：This article introduces the composition of plug-in hybrid electric vehicle high voltage system， analyzes the high voltage system safety design from three aspects of electrical safety， layout safety， control management， and provides methods and ideas for the safety design of hybrid high voltage system.

Key words：electric vehicle， high-voltage， safety

1 前言

隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電動車已經(jīng)走向市場。相比純電動汽車，混合動力汽車的低使用成本和高續(xù)駛里程更容易被消費者接受[1]。但電動汽車的安全問題一直是制約和阻礙電動車發(fā)展的重要因素，消費者對混合動力汽車也一樣懷著遲疑和謹(jǐn)慎的態(tài)度[2，3]。因此，高壓系統(tǒng)安全是混合動力汽車設(shè)計時必須研究和解決的問題。本文從系統(tǒng)設(shè)計的角度出發(fā)，對Plug-in混合動力汽車的高壓系統(tǒng)設(shè)計提出安全要求，保障電動汽車安全運行和使用。

2 Plug-in高壓系統(tǒng)組成

如圖1所示，Plug-in的高壓系統(tǒng)從功能上劃分成6個高壓子系統(tǒng)，分別為動力蓄電池系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、附件系統(tǒng)和高壓配電系統(tǒng)。

3 Plug-in高壓系統(tǒng)安全分析

高壓系統(tǒng)的安全包括各子系統(tǒng)的電氣安全、布置安全和安全管理三個方面，子系統(tǒng)安全直接影響了電動汽車的安全性和可靠性。與純電動汽車相比，Plug-in混合動力汽車不僅僅是多了一套發(fā)電系統(tǒng)，它在電氣安全、布置安全和安全管理方面提出了更高的要求。

3.1 電氣安全

高壓電氣原理用于表達(dá)高壓系統(tǒng)中零部件之間的電氣關(guān)系，是高壓系統(tǒng)安全工作的基礎(chǔ)。高壓電氣原理安全合理，確保高壓子系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)和獨立工作，當(dāng)非關(guān)鍵子系統(tǒng)發(fā)生故障時，應(yīng)不危害或影響其他的子系統(tǒng)正常工作。

高壓子系統(tǒng)一般不具備自主的備短路和過流保護(hù)能力，發(fā)生過流或短路時，需要高壓電氣系統(tǒng)各零部件能及時切斷高壓電氣回路，保證高壓零部件的安全。

高壓配電盒是負(fù)責(zé)高壓子系統(tǒng)電氣連接的關(guān)鍵部件。高壓配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)高壓系統(tǒng)中其他子系統(tǒng)的電氣連接，以及動力蓄電池系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和附件系統(tǒng)的安全。當(dāng)系統(tǒng)回路發(fā)生短路和過流故障時，通過熔斷器切斷該系統(tǒng)的電氣連接，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全。高壓配電系統(tǒng)中的單芯電纜、熔斷器和繼電器等，其耐電壓等級應(yīng)大于高壓電氣系統(tǒng)的電壓平臺。并且，高壓系統(tǒng)中的電器元件的交流電壓平臺和直流電壓平臺要相對應(yīng)。

高壓互鎖檢測是檢測高壓系統(tǒng)回路的電氣連接是否正常，開蓋檢測用于檢測高壓系統(tǒng)零部件是否被打開[4]。當(dāng)高壓系統(tǒng)工作時，必須保證高壓系統(tǒng)的電氣回路的連接是可靠的，高壓零部件是完整密閉的。否則將造成系統(tǒng)的高壓電外露和系統(tǒng)零部件的工作不正常，嚴(yán)重時可能會產(chǎn)生電擊和零部件損壞。

動力蓄電池是整個高壓系統(tǒng)的核心，它的安全由電池管理系統(tǒng)（BMS）和整車控制器（VCU）負(fù)責(zé)監(jiān)控和協(xié)調(diào)，應(yīng)注意以下幾點：（1）動力蓄電池的總正、總負(fù)應(yīng)設(shè)置繼電器，用于動力電池的上下電管理。（2）動力蓄電池主回路中設(shè)置快速熔斷器，實現(xiàn)過流保護(hù)。還應(yīng)設(shè)計電流檢測，以實時檢測高壓系統(tǒng)的電流大小，當(dāng)發(fā)生短路或過流時，及時的斷開回路。（3）動力蓄電池應(yīng)設(shè)計過充過放檢測，以防止過充或過放對蓄電池造成傷害，危害高壓系統(tǒng)安全。（4）動力蓄電池應(yīng)具備溫度檢測能力，確保動力蓄電池的電芯處于正常工作的溫度。（5）高壓電氣系統(tǒng)應(yīng)具備實時絕緣檢測能力，防止高壓系統(tǒng)的絕緣失效造成的危險。

3.2 布置安全

高壓系統(tǒng)的布置安全是指高壓系統(tǒng)在布置時，其機械性能、環(huán)境性能需滿足系統(tǒng)的安全工作要求。高壓電氣系統(tǒng)的布置安全首要原則為安全可靠，此外，還需滿足整車的機械性能和環(huán)境性能。機械性能包括以下幾個方面：彈性、塑性、剛度、時效敏感性、強度、硬度、沖擊韌性、疲勞強度和斷裂韌性等;環(huán)境性能包括以下幾個方面：高溫、低溫、溫度、濕度、鹽霧、振動、噪聲等。在不同的布置環(huán)境下，高壓系統(tǒng)的性能應(yīng)不受影響。

3.3 控制管理

控制安全是指高壓系統(tǒng)在高壓控制和高壓管理的邏輯上要滿足高壓系統(tǒng)的電氣安全和整車的行駛安全要求。

電機控制和空調(diào)壓縮機等高壓零部件一般為容性負(fù)載，初始上電時應(yīng)對高壓容性負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電[5]，防止瞬態(tài)電流對零部件和電路進(jìn)行沖擊。只有當(dāng)預(yù)充電完成后，才可以閉合主回路的繼電器，當(dāng)主回路的繼電器閉合后，再斷開預(yù)充繼電器，此時，容性負(fù)載回路的上電才算完成。高壓系統(tǒng)零部件上電時，應(yīng)考慮高壓繼電器的動作時間和觸點彈跳時間，確保高壓繼電器正常接合后，再進(jìn)行下一步的操作。預(yù)充時，除考慮預(yù)充過程時間外，還應(yīng)判斷預(yù)充電路的電壓是否達(dá)到端電壓的90%以上，以確認(rèn)預(yù)充電是否完成。當(dāng)兩個條件都滿足時，才能閉合零部件的繼電器。高壓系統(tǒng)的上電邏輯順序如圖2所示。

高壓系統(tǒng)零部件下電時，需考慮高壓繼電器的復(fù)位時間。程序執(zhí)行關(guān)聯(lián)的繼電器下電時，應(yīng)預(yù)留足夠的延時時間，確保高壓繼電器正常斷開后，再進(jìn)行下一步的操作。高壓系統(tǒng)的下電邏輯順序如圖3所示。

高壓電氣系統(tǒng)在工作時，對高壓系統(tǒng)的安全和用電管理進(jìn)行實時監(jiān)控。包括動力蓄電池系統(tǒng)信息、驅(qū)動系統(tǒng)信息、充電系統(tǒng)信息和附件系統(tǒng)信息等。同時根據(jù)各子系統(tǒng)的運行信息和整車狀態(tài)來進(jìn)行用電管理和故障診斷，確保高壓系統(tǒng)的運行安全。

高壓系統(tǒng)在運行時，只有在安全狀態(tài)和用電需求滿足響應(yīng)條件時，才能執(zhí)行相關(guān)的上下電動作，當(dāng)不滿足上下電響應(yīng)條件時，應(yīng)拒絕執(zhí)行相關(guān)動作，并發(fā)出警告信號[5]。如系統(tǒng)運行時，突然將鑰匙開關(guān)打至OFF檔，此時高壓系統(tǒng)不應(yīng)立即下電，應(yīng)按正常的下電邏輯，斷開用電零部件的高壓繼電器后，再依次斷開電池包的總正、總負(fù)繼電器。

當(dāng)電動車高壓電氣系統(tǒng)零部件損壞或進(jìn)行維修時，高壓電氣系統(tǒng)進(jìn)入故障模式。在故障模式下，高壓電氣系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。在此情況下，高壓電氣系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)故障等級的高低，優(yōu)先響應(yīng)處理安全等級高的請求，再依次響應(yīng)處理安全等級低的請求。根據(jù)故障等級的不同，高壓系統(tǒng)可以部分限制或停止高壓電氣系統(tǒng)的輸出和響應(yīng)。

4 結(jié)束語

混合動力系統(tǒng)安全設(shè)計關(guān)系著混合動力汽車的安全和發(fā)展，只有在實踐中不斷的探索，重視和研究混合動力汽車高壓系統(tǒng)安全技術(shù)，才能讓電動汽車的未來更為光明。

基金項目：廣西科技計劃資助項目（桂科AC16380043）;柳州市科技計劃資助項目（2019AD10202）

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