电动汽车高压配电单元设计研究.pdf

汽车与设计28汽车测试报告电动汽车高压配电单元设计研究陈香玉 王 颖 李敬霓（合肥科技职业学院 安徽 合肥 230000）摘要：目前，电动汽车高压配电单元种类较多，功能不一。从结构上来说，大多数高压配电单元均为高压部分和低压部分集中在一个区域，此种方式会使由充放电组成的高压回路、控制模块和通信线束组成的低压回路在空间上无法有效分离，包括安装位置分离、电气分离和通信分离等。同时，此种混合结构很容易引起内部走线并行、交叉现象，从而产生电气安全隐患及通信干扰问题。为避免此类问题，该文设计一种电动汽车高压配电单元，分为高压配电部分及低压配电部分。此种设计能够使高压配电部分和低压配电部分完全分开，增加电气间隙，提升安全性，减少电磁干扰，提升故障排查效率。关键词：电动汽车；高压配电单元；电气间隙；电磁干扰注：本文系 2021 年合肥科技职业学院自选项目“新能源汽车特色专业”（Xjtszy202101）阶段性研究成果。作者简介：陈香玉，合肥科技职业学院讲师，研究方向为机械设计；王颖，合肥科技职业学院助教，研究方向为机械设计；李敬霓，合肥科技职业学院副教授，研究方向为计算机影视后期处理。随着新能源汽车行业的持续发展及国家政策的大力支持，电动汽车已经成为我国重点发展的战略性新兴产业。目前，全国已掀起新能源汽车发展热潮，而动力电池是电动汽车的核心部分，相关技术发展快速。高压配电单元是电动汽车与动力电池之间进行高压动力传输的关键零部件，在能量传输过程中起着至关重要的作用1，具体功能主要分为 6 大类。第一，高压连接，即通过母排及线束将高压元器件进行连接，形成高压回路。第二，预充，即对电机控制器等容性负载进行预充电，减少高压继电器闭合时产生的火花拉弧，提升安全性。第三，上电控制。对高压继电器上下电进行合理控制，以保证整个电池系统充放电回路有序断开或闭合。第四，过载保护。当电池系统实际电流超出了本身额定或允许电流时，保险丝会被熔断，以保护继电器及高压回路。第五，短路保护。当电池系统发生短路时，瞬间冲击电流会立即熔断保险丝，以保护继电器及高压回路。第六，实时监控，即通过 BMS（电池管理系统）对整个电池系统进行监测，包括所有单体电压、温感温度、系统绝缘电阻值、运行电流值等。对电动汽车高压配电单元进行划分，可以分为4 种常用类别：单系统单充模式单输入单充口、双系统单充模式双输入单充口、双系统双充模式双输入双充口、三系统双充模式三输入双充口。对于以上 4 种高压配电单元，结构上高低压部分分布较为集中，即高压零部件与低压零部件均处于一个集中区域。此种结构方式存在电气走线交叉问题，并会导致 BMS 主机板受到干扰及故障排查困难等。因此，有必要设计一款新型电动汽车高压配电单元，以解决上述存在的问题。1 电动汽车高压配电单元工作原理以双系统双充为例，现有的电动汽车高压配电单元高低压部分均处于一个区域，没有进行隔离。高压部分主要包括绝缘检测、放电负继电器、放电加热继电器，充电正负继电器、充电加热继电器，加热负继电器及加热保险丝。电池正极与负极共有两组 4 个端口，分别为电池正极 1、电池负极 1、电池正极 2、电池负极 2；充电正极与负极共两组，包含 4 个端口，分别为充电正极 1、充电负极 1、充电正极 2、充电负极 2；放电正极与负极共一组，包含两个端口。高压 MSD 共两组，包含两个端口，分别为高压 MSD1 与高压 MSD2，二者都是用于保护双系统的支路。低压部分包括 BMS 主机、通信线束2。当电动汽车需要进行充电时，BMS 主机通过通信线束控制充电正继电器的两个端口，实现充电高压回路的闭合与断开；当电动汽车需要进行放电时，BMS主机通过通信线束控制放电负继电器，实现放电高汽车与设计292023.6压回路的闭合与断开；当电动汽车电池需要进行加热时，BMS 主机通过通信线束控制加热继电器，实现高压回路的闭合与断开3。当需要对电动汽车进行检修时，要拔出高压 MSD，断开高压回路，以确保工作人员在检修时的安全性。2 改进后的高压配电单元系统架构双系统单充高压配电单元的高压部分与低压部分集中在一个区域，长时间运行可能会导致通信线束被高压器件磨损。BMS 主机通信功能受到高压器件干扰，并且在排查故障时，需要拆解整体配电单元，工作非常烦琐，无法对具体故障部位进行有针对性的处理，效率较低。本文对高压配电单元系统架构进行改进，将高压部分与低压部分进行分离设计：高压部分只包括高压部件，如高压继电器、保险丝、高压插件、高压 MSD 等；低压部分只包括低压器件，如 BMS 主机、通信线束、低压通信接口。电动汽车高压配电单元的高低压分离结构包括高压配电盒及低压控制盒：高压配电盒内部设有高压控制单元，外部设有与高压控制单元连接的高压接口、加热接口、充电接口及内部通信接口；低压控制盒内部设有低压控制单元，外部设有与低压控制单元连接的充电通信接口、整车通信接口、内部通信接口、电池通信接口、内部调试接口。同时，高压配电盒通过内部通信接口与低压控制盒相连接。高压控制单元包括高压 MSD、快速熔断器、总压检测模块。其中，高压 MSD 与电池及充电端连接，总压检测模块通过加热接口及内部通信接口连接，并通过总压检测口与低压控制盒连接4。高压继电器主要包括充电 1 正继电器、充电 2 正继电器、充电1 负继电器、充电 2 负继电器、放电负继电器、加热出继电器、加热进继电器。加热接口包括加热进口及加热出口：充电 1 正继电器的一端与高压 MSD1连接，另一端与充电 1 正接口连接；充电 2 正继电器的一端与高压 MSD2 连接，另一端与充电 2 正接口连接；加热出继电器的一端与充电 1 正继电器的一端连接，另一端与加热出口连接；加热进继电器的一端与充电 1 负继电器的一端连接，另一端与加热进口连接；充电 1 负继电器的一端与加热进继电器的一端连接，另一端与充电 1 负接口连接；充电2 负继电器的一端与加热进继电器的一端连接，另一端与充电 2 负接口连接；放电负继电器的一端与加热进继电器的一端连接，另一端与放电负接口连接。总压检测模块引出两根高压检测线，一根与电池 1 正接口连接，另一根与电池 1 负接口连接。绝缘检测模块也引出两根高压检测线，一根与电池 2正接口连接，另一根与电池 2 负接口连接。由上述内容可知，本文设计的电动汽车高压配电单元将高压配电部分和低压控制部分独立开来，高压部分专用高压配电盒，低压部分专用低压控制盒。此种设计的优势在于可以将高压和低压部分进行分离：第一，可以避免通信线束存在被高压器件磨损的风险；第二，BMS 主机模块单独放置在低压区域，可以减少高压器件的干扰；第三，当配电单元出现故障时，能够快速锁定是高压部分还是低压部分出现问题，从而有针对性地拆卸故障件，进一步缩短处理时间，提升故障处理效率；第四，可以将高低压部分完全分开，提高安全和爬电距离，减少电磁干扰5。3 改进后的高压配电单元工作原理电动汽车动力电池系统在进行充电或者行车放电前，需进行自我检测6。自我检测主要包括继电器粘连状态及电池系统绝缘、温度、单体电压是否正常。继电器粘连检测过程：继电器初始时刻没有接到低压控制盒内部主机控制模块闭合指令时，处于断开状态。总压检测模块通过检测电池系统总压来判定继电器是否粘连：若检测到总压，则继电器出现粘连，属于异常情况，通过高压配电盒总压检测口 1 传输信息至低压控制盒总压检测口 2，再进入主机控制模块，此时主机控制模块发出禁止充电或者行车放电指令；若检测不到总压，则继电器断开，属于正常情况，通过高压配电盒总压检测口 1 传输信息至低压控制盒总压检测口 2，再进入主机控制模块，此时主机控制模块发出请求充电或者行车放电指令。若整车处于充电阶段，低压控制盒内部主机控制模块会发出充电负继电器闭合指令，通过内部 2 号通信口至高压配电盒 1 号通信口，再至继电器，此时继电器闭合，进入充电状态；若整车处于行车放电阶段，低压控制盒内部主机控制模块发出放电正继电器闭合指令，通过内部 2 号通信口至高压配电盒 1 号通信口，再至继电器，此时继电器闭合，进入行车放电状态。对于加热模块，加热方式分为两种，即电池自加热与充电加热。电池自加热是指电池系统在低温需要加热时，由电池本身提供加热电流至自带内部加热膜，让加热膜产热对电池包进行加热7。而充电加热是指电池包连接到充电桩进行充电，充电桩输出加热电流至内部加热膜，由加热膜产热对电池包进行加热。若充电或者行车放电汽车与设计30汽车测试报告温度较低需开启加热，则低压控制盒内部主机控制模块会发出加热回路继电器闭合指令，通过内部 2号通信口至高压配电盒内部 1 号通信口，再至继电器，此时继电器闭合，开启加热。4 改进后的高低压配电部分结构改进后的电动汽车高压配电单元的高低压结构包括高压配电部分结构（图 1）及低压控制部分结构（图 2）。高压接口包括电池正极、电池负极、输出正极、输出负极、充电正极及充电负极 6 种类型接口。其中，电池正极接口和负极接口用于和电池系统连接，输出正极接口和负极接口用于和电动汽车外部负载连接，充电正极接口和负极接口用于与外部充电系统连接，均为传输高压用。加热接口包括加热输入接口与加热输出接口两种。加热输入接口为电池系统或者充电系统高压流入接口，再经加热输出接口流出，进而形成加热回路；内部通信接口用于高压配电与低压控制部分内部通信；总压检测模块用于检测系统及继电器两端电压，进而对继电器粘连状态进行监控，同时可用于系统绝缘检测；外部通信接口用于与电动汽车中央控制单元进行通信，确保电池系统与车辆信息互通，保证车辆在运行过程中能够随时监测电池信息；内部通信接口用于低压控制部分与高压配电部分内部通信；电池通信接口用于高压配电单元与电池系统进行通信，确保电池系统信息能随时传递到主机控制单元，进而在充放电过程中随时监测电池信息。在电池进行充放电的过程中，主机控制模块用于监测电池系统信息，内部调试接口用于维修人员进行内部调试8。此种结构可以将高低压部分完全分开，减少电磁干扰，并且可以提升故障排查效率。5 结束语电动汽车高压配电单元作为一种核心部件，相当于整个高低压系统能量传输与信号控制的“大脑”，有举足轻重的地位，所以其必须具备较为全面的功能，才能确保电动汽车的正常运行。高压配电单元内部涉及多种高低压零部件，种类较多、结构复杂，加上空间尺寸的限制，使得本身体积不能过大，否则无法安装在车上。随着市场上电动汽车数量的不断增加，人们对电动汽车的功能要求由原来的可以满足基本使用需求逐渐转变为高安全性能、易于维护等方向。因此，要提高对电动汽车高压配电单元设计的要求，全面考虑行驶安全性、故障排查等方面，并注重高压配电单元设计的合理性、人性化等因素，充分确保电动汽车的安全、可靠、高效运行。参考文献：1 陈明文,李遵杰,黄成林.电动汽车高压配电系统安全设计研究 J .汽车电器,2 0 2 2(1 2):4-7.2 黄东宇.电动汽车高压平台关键技术应用分析 J .景德镇学院学报,2 0 2 2(6):6 2-6 5.3 尹峰,张彪,刘兆文,等.电动汽车高压配电箱的随机振动仿真分析及试验验证 J .客车技术与研究,2 0 2 2(3):1 2-1 4.4 耿琦.某纯电动车高压关键零部件布置方案研究 J .机械制造与自动化,2 0 2 1(2):1 9 7-1 9 9.5 汪孟杰,李姝好,路珂.新能源汽车高压配电系统的容错控制方法 J .节能,2 0 2 0(8):1 1 4-1 1 6.6 宋芳,张宇鹏,梁士福,等.电动汽车高压安全技术综述 J .汽车文摘,2 0 2 2(1 2):1 4-2 1.7 张皓.新能源电动汽车高电压安全供电系统技术 J .中国科技信息,2 0 2 2(5):5 8-5 9.8 谭仕发.新能源汽车高压互锁原理及故障诊断方法研究 J .汽车电器,2 0 2 3(1):2 1-2 2,2 7.图 1 高压配电部分结构图 2 低压控制部分结构