某品牌純電動車高壓系統安全措施淺析

李琦 鞠海鷗

摘要：近年來，隨著國家新能源汽車戰略發展規劃的逐步落實，純電動車在汽車市場的占有率逐年提升，技術更新日益加快，配套設施趨于完善。但純電動車在使用安全方面故障頻發，由于高壓電池系統過充電、內外部短、斷路、絕緣不良、電池碰撞破損等原因造成的火災或爆炸事故頻發，導致純電動車安全問題成為影響消費者購買意愿的重要因素。某品牌純電動車針對目前高壓電池系統的存在主要故障，在產品設計研發時制定相應的安全措施，以降低高壓系統的安全隱患。

關鍵詞：純電動車;故障分析;高壓系統組成;安全措施

0? 引言

目前，我國98.42%的整車生產企業都已開展新能源汽車或純電動車的生產研發業務，自2015年起新能源汽車產銷量增長迅猛，眾多國際知名企業都在中國設廠量產純電動車。伴隨著純電動車產銷量的急劇上升，關于純電動汽車起火、爆炸等嚴重事故的負面新聞也屢現媒體。如何保障純電動車高壓電池系統的使用安全成為汽車企業的重點研究方向。

1? 純電動車常見安全故障分析

目前市場主流的純電動車多以高壓鋰電池為主體，因其電池比能量高、循環壽命長而得到企業的青睞[1]。鋰電池雖在性能、成本、工藝等方面有其優勢，但受限于電池材料、制造工藝、配套電氣系統、溫度影響等因素，尤其在復雜路況或突發事故（如碰撞或翻滾）情況下，容易產生電池熱失控、高壓電泄露、乃至起火爆炸等極端故障。由于純電動車功能和結構特點，車輛主要故障集中在高壓電系統，導致發生故障的主要原因有以下四類[2]：①高壓電系統監控機制不全，一旦電池格發生內部短路，大量熱能聚集從而引發火災;②缺乏充電平衡機制，導致電池格之間充電不均，部分電池格長期虧電影響電池壽命;③高壓電系統由于日常使用或事故導致線路出現接頭松動或線路破損，出現絕緣失效;④在碰撞等極端情況下電池抗撞擊能力不足，導致其內部發生損壞。

2? 某品牌純電動車高壓電系統主要組成

某品牌在2019年發布全新純電動車，配備高壓蓄電池容量為240Ah，總電能為95kWh，額定電壓396V。整車高壓系統由蓄電池開關控制盒、蓄電池模塊及模塊控制單元、鋁制緩沖框架，冷卻系統、密封件，下保護殼等部件組成。工作溫度在-28℃至60℃，采用液體冷卻技術。

作為高壓系統的核心部件，高壓蓄電池由36個電池模塊組成，每個模塊由12個電池格構成，均配有溫度傳感器。3個電池模塊為一組，由一個蓄電池模塊控制單元控制，暨整塊高壓電池共有12個電池模塊控制單元。蓄電池模塊控制單元負責監測組內3個蓄電池模塊的電壓和溫度，并通過子CAN線和與高壓系統開關盒及蓄電池總調節控制單元進行通訊，由蓄電池調節控制單元控制、調節組內各電池模塊的電量使用分配情況。蓄電池殼體通過一根等電位線與車身相連。

安裝在蓄電池上方的高壓系統開關盒，是蓄電池對外輸出能源的總開關。包含電壓測量和絕緣監測控制器、高壓蓄電池電流傳感器、保護電阻、HV正、負極，切斷點火器等部件。安裝在A柱側面的蓄電池調節控制單元是高壓電系統的總指揮，通過CAN總線與高壓開關盒相連，根據車況需求控制電池充放電，并將其信息收集反饋到CAN網絡中，對電池使用情況進行實時監測。高壓系統配有自鎖安全插頭及3條環形安全線，防止誤插拔和高壓電泄漏。

高壓系統有獨立變壓器、雙充電器和多種接插座，并配有加熱冷卻部件，可實現駐車空調、電池預加熱、液態冷卻等功能。

3? 某品牌純電動車高壓系統安全措施

從該車高壓系統的結構組成發現，該車的高壓系統在抵抗沖擊、絕緣檢測、溫度控制、充電保護等方面更為優異，主要表現為：

3.1 碰撞防沖擊措施

該車底盤采用高強度熱壓成型鋼材，將高壓蓄電池直接集成在車底承載結構上，電池整體強度提升，防止車輛在側面碰撞時電池扭曲斷裂。蓄電池外殼采用擠壓型材和鋁鑄造節點的框體結構，增加了對柔性電芯和電池模塊的保護效果。車輛底部有鋁制防護板，有效減少復雜路況（例如石子或水漬）可能對高壓蓄電池產生的沖擊和腐蝕。

一旦車輛發生碰撞事故，高壓蓄電池開關盒中裝有與安全氣囊控制單元單獨連接的導線，在接到碰撞信號后，盒中的高壓切斷點火器（軟體）會對碰撞信號進行分析，判斷撞擊級別，必要時直接斷開高壓接觸器，使高壓電路系統緊急斷電或降壓，避免因電池損壞而導致的高壓電泄漏情況。另外，當高電壓系統啟用時，車載電腦通過開關盒對整車進行持續的自診斷檢測，當發生如保養插頭斷開，接觸器端子的供電保險絲斷開等情況時，高壓接觸器也會脫開以保證系統斷電安全。

3.2 電池格平衡措施

在充電過程中，常發生某個電池格已100%充電且充電過程已經結束，但整個高壓蓄電池僅充電90%以上的情況，如何在充電時盡量讓蓄電池達到最大充電量，以提高電池利用率延長電池壽命，這就需要電池格平衡措施。所謂平衡，就是通過電池格配套的電阻讓先充滿電的電池格放電，以便能繼續為其他電池格充電，最終所有電池格都達到同樣的充電水平[3]。為實現這一個功能，需要對每個電池格都進行精確管控。

該車在充電時，蓄電池調節控制單元會根據此時的充電狀態及充電的電壓和電流，結合12個電池模塊控制單元反饋信息，對各電池格的電壓進行比較估算，如果某個電池格組的電壓較高，其對應的模塊控制單元就會收到平衡信息。在充電時，各模塊之間的電壓差距超過1%時，就開始進行平衡管理。在點火開處于關閉狀態，或者蓄電池充電狀態高于30%時，都可以執行平衡過程。

3.3 蓄電池絕緣監控報警功能

純電動車高壓蓄電池直流電壓一般在350V以上，一旦發生絕緣體漏電，輕則降低車輛功率，重則引發火災或導致人員觸電。所以必須要有絕緣監測機制。該車采用低頻信號注入法，電壓蓄電池開關盒負責整車漏電檢測，利用電壓測量和絕緣監測控制器，每30s用高壓電網上的系統電壓進行一次絕緣測量，根據各元件反饋信息，識別高壓回路上的是否有絕緣故障。如果有絕緣故障，開關盒和蓄電池模塊控制單元向蓄電池調節控制單元發布信息，調控單元經過計算評估后，再通過數據總線診斷接口向組合儀表控制單元傳遞數據，如絕緣電阻值較小說明漏電不嚴重，組合儀表控制單元點亮黃色警示燈，車輛可以繼續行駛且可以再次驅動;如果絕緣電阻值極小說明漏電嚴重，則點亮紅色警示燈，車輛一旦停止將無法激活驅動系統。駕駛員即可根據組合儀表上的亮燈信息判斷車輛絕緣狀態。

高壓絕緣監控還需要車載安全線配合，該車安全線由三部分組成，均為環路結構。主安全線將蓄電池調節控制單元、電動空調壓縮機、高電壓加熱器、保養插頭和高電壓蓄電池開關盒串聯成環形，以便蓄電池調節控制單元將一個10mA的電流信號送入安全線，用以檢測線路閉合情況。變壓器和高壓蓄電池充電器也各有安全環線，一旦發生故障，監測數據同樣通過CAN總線傳輸到數據總線診斷接口，并通過儀表控制單元將提示信息反饋在儀表上。

3.4 高壓系統溫度控制功能

高壓線路發生短路故障時，易在局部產生異常高溫，從而引發火災。該車的電池模塊控制單元利用每個電池格的溫度傳感器監測其溫度情況;溫度信息在高壓電池控制調節單元中進行數據計算，在溫度較低時，控制單元會向溫度管理控制單元發送電池加熱的指令，由高電壓加熱器給蓄電池加熱，以便恢復活性產生驅動;在溫度較高時，由溫度管理控制單元通過LIN網向控制單元提供的參數，使其激活電動空調壓縮機給蓄電池液體散熱降溫。除此之外，在高電壓蓄電池充電器中帶有充電插座溫度傳感器，可以監測充電接頭的溫度，一旦充電溫度過高將對充電系統進行斷電保護，防止充電起火。

4? 高壓系統未來升級方向展望

高壓系統技術雖然日趨成熟，但還有更大的成長空間，其中在高壓系統遠程網絡診斷，電池格獨立運作管理，過充、放電控制，電池容量擴充、智能網聯等方面還有待設計者進一步研發完善。

參考文獻：

[1]梁波.鋰離子電池安全性能研究[M].長沙：中南大學出版社，2014.

[2]陳澤宇，熊瑞，孫逢春.新電動汽車電池安全事故分析與研究現狀[J].機械工程學報，2019，55（2）：93-104.

[3]高飛朱，艷麗，齊創，等.鋰離子電池安全事故激源淺析[J]. 電源技術，2019，43（3）：453-457.