2.3 高壓電氣設(shè)計

2.3.1 高壓電氣設(shè)計要求

1．高壓電氣設(shè)計通用要求

高壓電氣系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)電壓、電流等級和應(yīng)用環(huán)境等因素（如車載工況、溫度、濕度、海拔、電磁干擾等）進行選型和設(shè)計開發(fā)。電池包內(nèi)部電氣布置的設(shè)計應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2．絕緣和耐壓

在全生命周期內(nèi)，要求高壓電氣系統(tǒng)的輸出端（正極和負極）與電池箱體之間的絕緣阻抗大于2.5MΩ，或者滿足《電動汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護》（GB/T 18384.3—2015）規(guī)定的高壓電氣回路絕緣阻抗要求。同時，動力電池系統(tǒng)的絕緣防護設(shè)計還需要考慮密封性能，主要是因為水或者水蒸氣進入電池系統(tǒng)內(nèi)部，會引起系統(tǒng)內(nèi)部的高壓帶電部分與売體通過阻值較低的水相連接，導(dǎo)致高壓絕緣失效。另外，高壓電氣系統(tǒng)也要具有絕緣失效檢測功能，具體通過電池管理系統(tǒng)（BMS）進行檢測。

高壓電氣系統(tǒng)的輸出端（正極和負極）與電池箱體之間的耐電壓強度應(yīng)滿足《電動汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護》（GB/T 18384.3—2015）規(guī)定的相關(guān)要求。

3．直接接觸防護

直接接觸防護主要包括電氣絕緣和屏護防護要求。除了滿足上述絕緣防護要求之外，高壓電氣系統(tǒng)的帶電部件，應(yīng)具有屏護防護，包括采用保護蓋、防護欄、金屬網(wǎng)板等來防止發(fā)生直接接觸。這些防護裝置應(yīng)牢固可靠，并耐機械沖擊。在不使用工具或無意識的情況下，它們不能被打開、分離或移開。其中，帶電部件在任何情況下都應(yīng)由至少能提供《外売防護等級（IP代碼）》（GB4208—2017）中IPXXD防護等級的売體來防護，同時規(guī)定在打開電池箱體上蓋后，應(yīng)具有IPXXB防護等級。

4．間接接觸防護

間接接觸防護主要包括等電位、電氣間隙和爬電距離要求。動力電池系統(tǒng)應(yīng)通過絕緣的方法來防止與高壓電氣系統(tǒng)中外露的可導(dǎo)電部件的間接接觸，所有電氣部件的設(shè)計、安裝應(yīng)避免相互摩擦，防止發(fā)生絕緣失效。尤其是高壓線纜的布置需要考慮安全間隙，并進行必要的固定和絕緣防護，應(yīng)避免在行車過程中與可導(dǎo)電部件發(fā)生摩擦。

電池箱體必須與車輛的地（車身）實現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，連接阻抗應(yīng)不超過0.1Ω。電池包上的所有可接觸的導(dǎo)電金屬部件（比如模組金屬端板側(cè)板、電池箱體金屬上蓋、金屬支架、水冷板等），都必須與電池箱體是等電位聯(lián)結(jié)的。對于等電位聯(lián)結(jié)所用的導(dǎo)體（比如接地線等），要求其顏色是黑色，便于維修和拆卸時辨認。等電位聯(lián)結(jié)的螺栓或線束還需滿足一定截面積的要求，一般要求等電位聯(lián)結(jié)的導(dǎo)線或螺栓其截面積總和需大于等于電池系統(tǒng)中高壓導(dǎo)線截面積。

動力電池系統(tǒng)應(yīng)滿足《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第1部分：原理、要求和試驗》（GB/T 16935.1—2008）中電氣間隙和爬電距離相關(guān)要求，尤其是電池模組需要重點關(guān)注。

5．預(yù)充電回路保護

由于整車端高壓電氣系統(tǒng)中存在大量的容性負載，直接接通高壓主回路可能會產(chǎn)生高壓電沖擊，為了避免接通瞬間的大電流沖擊，高壓電氣系統(tǒng)需具有預(yù)充電功能。通常，要求預(yù)充電時間不超過1000ms，并且在短時間內(nèi)的頻繁上下電不能出現(xiàn)預(yù)充電阻過熱損壞的現(xiàn)象。預(yù)充電過程中，應(yīng)能對整車端高壓回路的絕緣、短路狀態(tài)進行判斷和失效保護。

6．余能泄放保護

由于整車端高壓電氣系統(tǒng)中存在大量的容性負載，斷開高壓主回路之后仍存在較高的電壓和殘余電能。為避免可能帶來的危害，在高壓回路切斷后應(yīng)采用余能泄放的方法，保證動力電池系統(tǒng)端電壓不超過DC60V。通常要求整車高壓電氣系統(tǒng)具有主動能量泄放電路。

7．過電流/短路保護

高壓電氣系統(tǒng)中的所有零部件都必須滿足典型使用工況的動力負載要求，并且能滿足一定的過電流能力，不能允許規(guī)定的行駛工況條件下出現(xiàn)過熱導(dǎo)致高壓部件絕緣層融化、燒蝕或者冒煙的情況。同時，應(yīng)合理地控制過電流時間，防止整個動力系統(tǒng)因為長時間過載而發(fā)生過熱起火事件。當(dāng)高壓電氣系統(tǒng)中發(fā)生瞬時大電流或者短路時，要求能自動切斷高壓回路，以確保高壓電附件設(shè)備不被損壞，避免發(fā)生電池的熱失控，保證駕乘人員的安全。高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計可以設(shè)置過載或短路的保護部件，例如設(shè)置熔斷器等。

8．高壓電電磁兼容性

高壓線束布置和接插件選型應(yīng)考慮電磁兼容需求。高壓線束設(shè)計時，主回路動力線纜與信號線盡量采用隔離或分開布線。電池包外部連接用高壓線束、高壓插接件選型要求接地和屏蔽隔離。

9．高壓電氣功能安全

依據(jù)ISO26262《道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)》對高壓電氣系統(tǒng)功能進行危害分析與風(fēng)險評估，對應(yīng)的汽車功能安全完整性等級和安全目標(biāo)如表2.1所示。

2.3.2 高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計方案

1．高壓電氣負載匹配

高壓配電主要通過接觸器、高壓線纜或銅巴、匯流排、熔斷器（或手動服務(wù)開關(guān)）、高壓接插件等相互連接，將動力電池系統(tǒng)的電能輸送到車輛高壓系統(tǒng)。因此，高壓系統(tǒng)中的各電氣部件首先應(yīng)基于電氣負載特性來進行選型設(shè)計，負載特性主要包括穩(wěn)態(tài)電流、電壓要求，以及瞬態(tài)條件下的電流及波形（脈沖時間、頻率）等。在整車大負荷工況運行時，動力電池系統(tǒng)的電壓降較大，因此需要考慮對工作電流的影響。

2．高壓線束線徑面積選擇

高壓線束的主要功能是在有電壓和所需的安裝環(huán)境下安全傳遞電流。高壓電纜承載的電流較大，線束的直徑隨之變粗，這對布線走向以及電磁干擾和屏蔽就變得非常重要。高壓線束要在車內(nèi)的較小空間布置，必須有良好的柔軟性；高壓線束處于車上的高振動環(huán)境，必須有良好的耐磨性；為避免車內(nèi)走線的安全隱患，高壓線束一般從外部穿過，必須有良好的機械防護和固定設(shè)施。必須基于高壓線束所連接的電氣部件的負載特性計算穩(wěn)態(tài)電流，進而確定電纜的截面積。在125℃下，常見銅芯電纜線徑截面積與載流量的匹配參見表2.2。

3．高壓熔斷器選型

熔斷器主要是在高壓回路發(fā)生過載或者短路現(xiàn)象時，能對高壓線束以及高壓電氣部件起到保護作用，避免出現(xiàn)過熱甚至熔斷起火。高壓熔斷器需要根據(jù)熔斷器工作環(huán)境溫度、尺寸限制、負載電流和短路電流特性、電壓特性、連接方式等選擇合適的類型。原則上，要求熔斷器額定電壓需大于動力電池系統(tǒng)的最高工作電壓，電流分?jǐn)嗄芰σ笥诒Ｗo回路中預(yù)期的短路電流。額定電流（熔斷器規(guī)格）的選擇參考如下：

式中，I_n為熔斷器額定電流；I_r為高壓回路中的負載電流；K₁為負載形式校正系數(shù)；K₂為溫度校正系數(shù)。其中，負載形式校正系數(shù)K₁主要根據(jù)負載特性，考慮功率變化、電流紋波、啟動與關(guān)閉瞬間沖擊電流等因素。通常條件下，基于運行過程中的電流波動狀態(tài)，K₁選擇0.6～0.75；通常根據(jù)溫度變化率可直接計算溫度校正系數(shù)K₂或者根據(jù)熔斷器使用的環(huán)境溫度及熔斷器溫升曲線，選擇0.6～0.8。

手動服務(wù)開關(guān)（MSD）是保證高壓電氣安全的關(guān)鍵部件之一，是實現(xiàn)高壓系統(tǒng)電氣隔離的執(zhí)行部件，在關(guān)鍵時刻用于切斷高壓動力回路，以保障維修和駕乘人員安全。通常會將高壓熔斷器集成內(nèi)置于MSD中，當(dāng)需要進行維修時，拔出MSD就可以有效地物理切斷動力電池系統(tǒng)的高壓輸出，從而保障維修人員的安全；在運行過程中，如果發(fā)生短路則可以起到熔斷保護的作用。

4．預(yù)充電阻和預(yù)充時間的確定

為了避免高壓上電時產(chǎn)生瞬間大電流沖擊高壓電氣部件，設(shè)計預(yù)充電回路來對容性負載進行預(yù)充電，實現(xiàn)安全接通高壓回路的目的，把高壓系統(tǒng)簡化為由電阻和電容組成的模型。當(dāng)動力電源回路進入預(yù)充電過程，先閉合總負繼電器K₂，再閉合預(yù)充繼電器K₃，與預(yù)充電阻R_b共同構(gòu)成預(yù)充電回路。當(dāng)容性負載端電壓U_t與電池包端電壓U_b相接近（ΔU 小于10%U_b）時，然后，接通總正繼電器K₁，再切斷預(yù)充繼電器K₃，預(yù)充電完成。

預(yù)充電阻的選型主要結(jié)合預(yù)充時間、容性負載大小等因素來確定。

預(yù)充電過程中，容性負載端電壓U_t：

式中，U_t為預(yù)充電過程中對應(yīng)的容性負載端電壓；U_b動力電池系統(tǒng)電壓：U₀為容性負載的初始電壓；R為預(yù)充電阻；C為容性負載的電容值。

5．高壓接觸器選型

高壓接觸器起著高壓回路接通與切斷的作用，是高壓回路的重要開關(guān)。在選型時，要根據(jù)高壓電氣參數(shù)做適當(dāng)選擇，主要指標(biāo)有電壓等級、電流承受能力、帶載切斷能力與次數(shù)、滅弧能力、輔助觸點功能、安裝方式與結(jié)構(gòu)特點等。