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文章針對純電動汽車在使用過程中高壓系統出現各種故障的問題，以安全為前提，基于車輛各個高壓部件的規格，淺析高壓配電系統中各個核心零部件的選型方法，最終形成整個高壓配電系統方法，為整車高壓配電系統開發提供參考，確保整車高壓系統安全、可靠地運行。

 

引    言   

當前電動汽車一般分為5大類：純電動汽車、插電式混合動力汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車以及增程式電動汽車。其中，純電動汽車是指完全由動力電池提供電力驅動的電動汽車，一般工作電壓高達400V 甚至更高，遠遠高于安全電壓；高壓系統工作電流有可能達到數十安甚至高達上百安，當高壓回路發生絕緣、短路及漏電等故障時，會直接對駕乘人員的人身生命財產安全造成危害。因此，在設計高壓配電系統時，關鍵零部件的選型不僅要滿足整車的使用要求，更必須確保駕乘人員和汽車運行安全。因此，純電動汽車高壓電氣系統安全性已成為評價純電動汽車安全性的一項重要指標。 

 

1   高壓配電系統安全要求概述 

 

純電動汽車高壓配電系統設計開發過程中，必須以安全為前提，對整個系統的安全做出整體要求，主要包括五個方面：

 

（1）繼電保護

 

高壓主系統上使用了三個系統主繼電器，當流回動力電 池的電流過大時，快充回路繼電器會自動斷開，保護動力電池系統。在驅動電路的正極繼電器上并聯了一個預充回路，包括一個繼電器和一個預充電阻，目的是防止繼電器接通瞬間沖擊電流損壞逆變器。

 

（2）維修開關電路保護裝置當系統維護或維修時，應首先斷開維修開關，防止電擊和其他的安全事故發生，同時維修開關裝置上也設計一個過載保護裝置。

 

（3）熔斷器保護動力電池輸出回路與各高壓電器分支回路正極均使用熔斷器進行保護，在各回路出現短路或過載時，熔斷器自動熔斷，斷開動力電池與高壓電器之間的電路連接，起到保護整車及各個高壓部件的作用。

 

（4）防水防塵高壓線束、接插件以及部件殼體均要求保證 IP67 以上的防水防塵要求。防止水或者異物接觸到高壓導電部分，發生漏電危險。

 

（5）絕緣設計對高壓電器、高壓線束及插接件要求絕緣電阻大于 500Ω/V，滿足法規 GB/T 18384 要求。

 

2   高壓配電系統設計規范 

 

在高壓配電系統開發過程中，重點關注核心零部件，如高壓線束、接插件、熔斷器、繼電器的計算選型，以及相互之間的匹配選型。

 

2.1 高壓線束選型

 

根據總布置及高壓電氣設計需求，高壓線束布置基于就近原則，即盡量減少高壓電纜用料來進行高壓線束走向布置，某純電動汽車整車高壓電氣系統的布線方案如圖 1 所示。 

 

 

圖 1   某純電動汽車高壓系統布線概念圖

 

2.1.1  高壓線束選型基本要求

 

 

圖 2   帶屏蔽功能線纜橫截面結構示意圖

 

整車高壓線束采用帶屏蔽功能線纜，要求屏蔽層密度不小于 85%，屏蔽層為鍍錫銅編織網，電纜絕緣電阻大于 500 Ω/V，耐電壓 2500V DC，工作溫度范圍為-40℃～125℃。為滿足標準要求，線纜外部護套采用橙色，正、負極線纜外部 護套采用增加紅、黑標識，圖 2 為帶屏蔽功能線束橫截面結 構示意圖。

 

2.1.2  規格選型

 

銅導線載流能力通常約(5～8)A/mm2，但隨著溫度的升高，銅導線載流能力下降。

 

表 1 不同線芯截面積對應的載流能力（GB/T 5013.2-2008）

 

 

表 2 不同溫度下，不同截面電纜對應的載流能力實測值

 

2.1.3  電纜布置注意事項

 

純電動汽車動力電池布置在車輛后方下底板中，電池前端引出的高壓線束從車輛底板下面經過，離地面較近，需在線纜外部增加波紋管防護，以防止在行車過程中高壓線束遭受到路面飛濺的石擊等。

 

部分位置因為空間的需求，線束無法應用波紋管進行防護，可以考慮在高壓線束外增加塑料線槽的方案來對線束進行防護。此方案具有以下優點：

 

（1）塑料線槽自身具有耐磨耐腐蝕的特性，能避免使用橡膠護套保護高壓線束所帶來的老化問題；

 

（2）塑料線槽能引導高壓線束按特定的走向進行布置，使線束走向更合理、美觀；

 

（3）塑料線槽能與線束做成一體，便于產品的成組供應，減少車間生產現場的裝配工序，提高裝車效率。

 

2.2 接插件選型

 

接插件選型原則如下：

 

a.依據導線線徑和通過電流大小選用插接件；

 

b.布置在動力艙及其它有可能進水位置的接插件應該為密封插接件，防護等級應不低于 IP67；

 

c.對于水平布置的接插件，為避免接插件因伸出底座過長而承受較大的彎折力，優先選用彎式接插件；

 

d.在同一條線束中若用同一種接插件，其顏色或鍵位一定要有區別，即要做到顏色防錯或鍵位防錯；

 

e.優先選用汽車用高壓接插件，無適合汽車用高壓接插件時，可選用合適的航空接插件；

 

f.為保障整車安全，高壓接插件必須帶高壓互鎖結構。

 

2.3 熔斷器選型

 

在實際進行保險絲選型時，通常用穩態工作電流確定保險絲的額定電流，用脈沖電流（相對 I2t）來確定保險絲的壽命。

 

電阻型的負載與電感型的負載盡量避免使用同一類型的保險絲。其中電阻型負載一般選用快熔型保險絲，電感型負載一般選用慢熔型保險絲。具體確定保險絲規格時，應根據電器件的最大連續工作電流計算確定保險絲容量，可按經驗公式：

 

保險絲額定容量＝電路最大工作電流÷80%（或 70%）

 

表 3   熔斷器分類表

 

 

車輛上共用三種電流模型：穩態工作電流、脈沖電流和浪涌電流，在實際應用中，大多數電流都是脈沖電流和穩態電流的疊加態。

 

 

圖 3   三種電流模型圖

 

熔斷器的額定電流取決于標稱工作電流，一般建議持續工作負載為熔斷器額定電流的 75%，穩態電流計算方法如下：

 

 

If：理想的熔斷器額定值；In：額定工作電流；RR：環境溫度修正系數；

 

例如，高壓電器額定工作電流為 15A，環境溫度為 105℃，經過查表得環境溫度修正系數為 88%，計算得理想的熔 斷器額定值為 22.7A，則選擇最接近的且大于計算結果的 25A 規格熔斷器。

 

脈沖電流不包含穩態工作電流，熔斷器必須承受足夠的 脈沖次數和一定時間持續的穩態電流，電流 I2t 和熔斷器熔斷 I2t 的比值得到相對 I2t，即

 

 

其中，脈沖電流的 I2t 計算方法如下：

 

 

 

圖 4   脈沖電流的 I2t 計算

 

熔斷 I2t 是熔斷器在熔化過程中電流轉換的熱能，熔斷器熔斷 I2t 計算方法如下：

 

圖 5   保險絲熔斷的 I2t 計算

 

每一種熔斷器都有自身的脈沖周期曲線，通常選定相對I2t<30%,再來確定熔斷器的壽命是否滿足設計要求。

 

 

 

圖 6   相對 I2t 對保險絲壽命的影響

 

圖 7 是負載為脈沖電流的高壓電器工作時的電流曲線圖，計算脈沖電流 I2t=0.1s*10A*10A=10A2s。

 

 

圖 7   脈沖電流示意圖

 

以某品牌熔斷器熔斷特性為例，熔斷器熔斷 I2t=26A2s。

 

圖 8   某品牌保險絲性能參數表

 

 

計算得，相對 I2t=10A2S/26A2S=38%

 

查該型號熔斷器的脈沖周期曲線可知，在承受如下圖所示的電流時其壽命大概為 10000 次，如下圖所示。

 

 

圖 9   保險絲脈沖周期曲線

 

2.4 繼電器選型

 

繼電器分為電流式和電壓式 2 種,常用的為電壓式繼電器。一般根據用電器的功率和開關的承載能力來決定是否選 用繼電器。繼電器按驅動線圈的額定電壓可分 6V、12V、24V 三種，常用的繼電器額定電壓為12V。

 

繼電器的選型原則如下：

 

a）對于阻性負載，由于沒有較大的沖擊電流，觸點損傷比較少，以額定控制容量為標準來選擇繼電器。

 

b）對于電容或電感性負載，由于有較大的沖擊電流值，且達到沖擊峰值的時間較短，開閉時產生的電弧可能對觸點產生較大的損傷，易發生觸點粘連，在實際使用中應在分析負載電流值特性的基礎上選擇具有一定余量的繼電器，即應選用具有比負載電流大一級別的觸點最大允許電流的繼電器。

 

c）對于信號繼電器，在操作電壓降低到 80％額定電壓時應能動作，即開始復位動作。

 

選用繼電器要參考的技術要求：①可靠性好；②性能穩 定；③質量輕、體積小、壽命長，對周圍元器件影響??；④ 結構簡單、工藝性好、成本低。

 

2.5 熔斷器與高壓電纜、繼電器匹配方法

 

2.5.1 熔斷器與高壓電纜線徑匹配方法

 

 

圖 10   不同規格保險絲和導線的電流－熔斷時間特性曲線

 

熔斷器與高壓電纜線徑的匹配原則是在電流—時間特性 曲線中，熔斷器曲線要低于高壓電纜曲線圖12（a），熔斷器 曲線與高壓電纜曲線不宜相交圖 12（b)。即流過相同值的電流時，熔斷器要先于導線斷開，從而達到保護電路的目的。

 

 

（a）                            （b）

 

圖 11   保險絲與導線線徑匹配示意圖

 

圖 11 顯示了熔斷器與不同電纜線徑的匹配關系，圖11（a）為額定電流 40A 的熔斷器與線徑為 2mm2 的電纜的電流－時間曲線；圖 12（b）為額定電流 50A 的熔斷器與線徑為 2mm2 的電纜的電流－時間曲線。由圖可知當回路中流過 100A 的電流時，40A 的熔斷器將先于的2mm2電纜 3s 左右熔斷，從而達到保護回路的目的；而 50A 的熔斷器則可能與 2mm2電纜同時熔斷，無法達到保護回路的目的。

 

2.5.2  熔斷器與繼電器匹配方法

 

繼電器最大控制容量中的觸點最大允許電壓應大于熔斷 器的額定電壓；繼電器最大控制容量中的觸點最大允許電流 應大于熔斷器的最小熔斷電流。

 

2.5.3 繼電器與高壓電纜匹配方法

 

同一溫度條件下，高壓電纜所允許流過的最大電流應大 于繼電器觸點最大允許電流，即在圖 12 的環境溫度—導線最大電流曲線中，與每一規格導線匹配使用的繼電器觸點最大允許電流點應位于該導線電流曲線下方。

 

 

圖 12   環境溫度—導線最大電流曲線

 

 

3   某純電動汽車高壓配電系統匹配應用 

以某主機廠一款純電動汽車為例，各高壓部件規格如表4 所示。

 

表 4   某純電動汽車高壓部件規格表

 

基于上述核心零部件選型原則，確認各回路熔斷器、繼電器及電纜線徑規格如表 5 所示。

 

表 5   高壓配電系統核心零部件選型表

 

 

最終形成整車高壓配電系統原理圖如圖 13 所示。

 

 

 

圖 13   某純電動汽車高壓配電系統原理圖

 

 

4   總    結   

 

本文針對新能源汽車高壓配電系統開發設計原則及方法進行說明，主要對配電系統中核心零部件，如高壓電纜、接插件、熔斷器和繼電器進行選型說明，確保該配電系統在工 作過程中安全、可靠。并以某款純電動車為例，對高壓配電系統核心零部件進行匹配選型。后續如有需要，可根據此車 電氣架構的變化對本方案進行調整以達到功能、性能的優化與提升。