2.3 高壓電氣設計
2.3.1 高壓電氣設計要求
1．高壓電氣設計通用要求
高壓電氣系統應根據系統電壓、電流等級和應用環境等因素（如車載工況、溫度、濕度、海拔、電磁干擾等）進行選型和設計開發。電池包內部電氣布置的設計應符合相關技術標準要求。
2．絕緣和耐壓
在全生命周期內，要求高壓電氣系統的輸出端（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）規定的高壓電氣回路絕緣阻抗要求。同時，動力電池系統的絕緣防護設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內部，會引起系統內部的高壓帶電部分與売體通過阻值較低的水相連接，導致高壓絕緣失效。另外，高壓電氣系統也要具有絕緣失效檢測功能，具體通過電池管理系統（BMS）進行檢測。
高壓電氣系統的輸出端（正極和負極）與電池箱體之間的耐電壓強度應滿足《電動汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護》（GB/T 18384.3—2015）規定的相關要求。
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，高壓電氣系統的帶電部件，應具有屏護防護，包括采用保護蓋、防護欄、金屬網板等來防止發生直接接觸。這些防護裝置應牢固可靠，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，同時規定在打開電池箱體上蓋后，應具有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。動力電池系統應通過絕緣的方法來防止與高壓電氣系統中外露的可導電部件的間接接觸，所有電氣部件的設計、安裝應避免相互摩擦，防止發生絕緣失效。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，應避免在行車過程中與可導電部件發生摩擦。
電池箱體必須與車輛的地（車身）實現等電位聯結，連接阻抗應不超過0.1Ω。電池包上的所有可接觸的導電金屬部件（比如模組金屬端板側板、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結的。對于等電位聯結所用的導體（比如接地線等），要求其顏色是黑色，便于維修和拆卸時辨認。等電位聯結的螺栓或線束還需滿足一定截面積的要求，一般要求等電位聯結的導線或螺栓其截面積總和需大于等于電池系統中高壓導線截面積。
動力電池系統應滿足《低壓系統內設備的絕緣配合第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要求，尤其是電池模組需要重點關注。
5．預充電回路保護
由于整車端高壓電氣系統中存在大量的容性負載，直接接通高壓主回路可能會產生高壓電沖擊，為了避免接通瞬間的大電流沖擊，高壓電氣系統需具有預充電功能。通常，要求預充電時間不超過1000ms，并且在短時間內的頻繁上下電不能出現預充電阻過熱損壞的現象。預充電過程中，應能對整車端高壓回路的絕緣、短路狀態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采用余能泄放的方法，保證動力電池系統端電壓不超過DC60V。通常要求整車高壓電氣系統具有主動能量泄放電路。
7．過電流/短路保護
高壓電氣系統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，不能允許規定的行駛工況條件下出現過熱導致高壓部件絕緣層融化、燒蝕或者冒煙的情況。同時，應合理地控制過電流時間，防止整個動力系統因為長時間過載而發生過熱起火事件。當高壓電氣系統中發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備不被損壞，避免發生電池的熱失控，保證駕乘人員的安全。高壓電氣系統設計可以設置過載或短路的保護部件，例如設置熔斷器等。
8．高壓電電磁兼容性
高壓線束布置和接插件選型應考慮電磁兼容需求。高壓線束設計時，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ISO26262《道路車輛功能安全標準》對高壓電氣系統功能進行危害分析與風險評估，對應的汽車功能安全完整性等級和安全目標如表2.1所示。
表2.1 高壓電氣系統ASIL與安全目標
2.3.2 高壓電氣系統設計方案
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（或手動服務開關）、高壓接插件等相互連接，將動力電池系統的電能輸送到車輛高壓系統。因此，高壓系統中的各電氣部件首先應基于電氣負載特性來進行選型設計，負載特性主要包括穩態電流、電壓要求，以及瞬態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境，必須有良好的耐磨性；為避免車內走線的安全隱患，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態電流，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。
表2.2 銅芯導體截面與載流量
3．高壓熔斷器選型
熔斷器主要是在高壓回路發生過載或者短路現象時，能對高壓線束以及高壓電氣部件起到保護作用，避免出現過熱甚至熔斷起火。高壓熔斷器需要根據熔斷器工作環境溫度、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的最高工作電壓，電流分斷能力要大于保護回路中預期的短路電流。額定電流（熔斷器規格）的選擇參考如下：
式中，In為熔斷器額定電流；Ir為高壓回路中的負載電流；K1為負載形式校正系數；K2為溫度校正系數。其中，負載形式校正系數K1主要根據負載特性，考慮功率變化、電流紋波、啟動與關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，K1選擇0.6～0.75；通常根據溫度變化率可直接計算溫度校正系數K2或者根據熔斷器使用的環境溫度及熔斷器溫升曲線，選擇0.6～0.8。
手動服務開關（MSD）是保證高壓電氣安全的關鍵部件之一，是實現高壓系統電氣隔離的執行部件，在關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置于MSD中，當需要進行維修時，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，如果發生短路則可以起到熔斷保護的作用。
4．預充電阻和預充時間的確定
為了避免高壓上電時產生瞬間大電流沖擊高壓電氣部件，設計預充電回路來對容性負載進行預充電，實現安全接通高壓回路的目的，把高壓系統簡化為由電阻和電容組成的模型。當動力電源回路進入預充電過程，先閉合總負繼電器K2，再閉合預充繼電器K3，與預充電阻Rb共同構成預充電回路。當容性負載端電壓Ut與電池包端電壓Ub相接近（ΔU 小于10%Ub）時，然后，接通總正繼電器K1，再切斷預充繼電器K3，預充電完成。
預充電阻的選型主要結合預充時間、容性負載大小等因素來確定。
預充電過程中，容性負載端電壓Ut：
式中，Ut為預充電過程中對應的容性負載端電壓；Ub動力電池系統電壓：U0為容性負載的初始電壓；R為預充電阻；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。在選型時，要根據高壓電氣參數做適當選擇，主要指標有電壓等級、電流承受能力、帶載切斷能力與次數、滅弧能力、輔助觸點功能、安裝方式與結構特點等。