4.1 高压电气设计原理

动力电池系统中的电气系统主要包括高压电气系统、低压电气系统和控制器局域总线（Controller Area Network，CAN）通信网络系统等，某动力电池系统的电气系统架构图如图4.1所示。

高压电气系统主要包括接触器、预充电阻、电流/电压传感器、高压线缆或铜巴、汇流排、熔丝或手动服务开关（MSD）、高压插接件等相互连接组成。动力电池系统输出的高压直流电通过电机控制器驱动电机转动，同时通过直流电压转换器或逆变器向空调压缩机、油泵电动机、气泵电动机提供电能，共同构成了整车的高压电气系统。

高压电气系统的设计目标是满足整车高压动力系统的电能传输要求，确保高压系统安全可靠地运行。高压电气系统的设计主要包括：高压电气部件的选型和设计、高压部件和高压线束防护与标识、预充电回路保护、高压过载/短路保护等。

通常，与动力电池包相关的高压元器件，如各回路的接触器及熔丝等，集成在动力电池包内。为了增加动力电池的能量，应尽量减少动力电池包内除电池单体或模组外其他零件的数量，使电池单体或模组有充分的布置空间。同时，需要保证动力电池系统维修的便利性，减少拆卸动力电池包的次数。高压系统电气架构的设计原则是：

1）各高压部件尽量都能有独立的供电控制，确保不工作的部件不带电。

2）各高压部件的熔丝盒与动力电池系统内部结构隔离，避免熔丝检修或更换时影响电池系统内部防护等级。

3）工作特性相近的部件尽量共用一个接触器，减少接触器的数量。

4）功率等级相近的部件尽量共用熔丝，减少熔丝的数量。

5）尽量减少动力电池系统电气接口的数量。

高压电气设计通用要求

高压电气系统应根据系统电压、电流等级和应用环境等因素（如车载工况、温度、湿度、海拔、电磁等）进行选型和设计开发。电池包内部电气布置的设计应符合相关技术标准要求。

1.高压电气部件标识

要求在电池包外部以及内部高压电气部件的第一可视面或者清晰醒目位置设置高压危险标识，能警示用户与维修人员在保养与维修过程中注意这些高压部件。通常，要求高压危险标识颜色底色为黄色，边框应使用黑色，具体可参考《电动汽车 安全要求 第1部分：车载可充电储能系统（REESS）》（GB/T 18384.1—2015）中第4节的标识和标记要求。对于电池箱体外部粘贴的高压危险警告标识，其内容应包含高压触电、注意安全、使用前请阅读使用说明书、禁止用手直接触碰等，如图4.2所示。

为了能提示和警示用户和维修人员，要求高压线束应采用橙色线缆并用橙色波纹管对其进行防护，同时高压连接器也应标识为橙色，起到警示作用。

2.绝缘和耐压

在全生命周期内，要求高压电气系统的输出端（正极和负极）与电池箱体间的绝缘阻抗大于25 MΩ，或者满足《电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护》（GB/T 183843—2015）规定的高压电气回路绝缘阻抗要求。同时，动力电池系统的绝缘防护设计还需要考虑密封性能，主要是因为水或者水蒸气进入电池系统内部会引起系统内部的高压带电部分与壳体通过阻值较低的水相连接，导致高压绝缘失效。另外，高压电气系统也要具有绝缘失效检测功能，具体通过电池管理系统（BMS）进行检测。

高压电气系统的输出端（正极和负极）与电池箱体之间的耐电压强度应满足《电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护》（GB/T 18384.3—2015）规定的相关要求。

3.直接接触防护

直接接触防护主要包括电气绝缘和屏护防护要求。除了满足上述绝缘防护要求之外，高压电气系统的带电部件，应具有屏护防护，包括采用保护盖、防护栏、金属网板等来防止发生直接接触。这些防护装置应牢固可靠，并耐机械冲击。在不使用工具或无意识的情况下，它们不能被打开、分离或移开。其中，带电部件在任何情况下都应由至少能提供《外壳防护等级（IP代码）》（GB/T 4208—2017）中PXXD防护等级的壳体来防护，同时规定在打开电池箱体上盖后，应具有IPXXB防护等级。

4.间接接触防护

间接接触防护主要包括等电位、电气间隙和爬电距离要求。动力电池系统应通过绝缘的方法来防止与高压电气系统中外露可导电部件的间接接触，所有电气部件的设计、安装应避免相互摩擦，防止发生绝缘失效。尤其是高压线缆的布置需要考虑安全间隙，并进行必要的固定和绝缘防护，应避免在行车过程中与可导电部件发生摩擦。电池箱体必须与车辆的地（车身作为电平台）实现等电位联结，连接阻抗应不超过0.1Ω。电池包上的所有可接触的导电金属部件（比如模组金属端板/侧板、电池箱体金属上盖、金属支架、水冷板等），都必须与电池箱体是等电位联结的。对于等电位联结所用的导体（比如接地线等），要求其颜色是黑色，便于维修和拆卸时辨认。等电位联结的螺栓或线束还需满足一定截面积大小的要求，一般要求等电位联结的导线或螺栓其截面积总和需大于等于电池系统中高压导线截面积。动力电池系统应满足《低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原理、要求和试验》（GB/T 16935.1—2008）中电气间隙和爬电距离相关要求，尤其是电池组需要重点关注。

5.预充电回路保护

由于整车端高压电气系统中存在大量的容性负载，直接接通高压主回路可能会产生高压电冲击，为了避免接通瞬间的大电流冲击，高压电气系统需具有预充电功能。通常，要求预充电时间不超过100ms，并且在短时间内的频繁上下电不能出现预充电阻过热损坏的现象。预充电过程中，应能对整车端高压回路的绝缘、短路状态进行判断和失效保护。

6.余能泄放保护

由于整车端高压电气系统中存在大量的容性负载，断开高压主回路之后仍存在较高的电压和残余电能。为避免可能带来的危害，在高压回路切断后应采用余能泄放的方法，保证动力电池系统端电压不超过DC60V。通常要求整车高压电气系统具有主动能量泄放电路。

7.过载/短路保护

高压电气系统中的所有零部件都必须满足典型使用工况的动力负载要求，并且能满足一定的过电流能力，不能允许规定的行驶工况条件下出现过热导致高压部件绝缘层融化、烧蚀或者冒烟的情况。同时，应合理地控制过电流时间，防止整个动力系统因为长时间过载而发生过热起火事件。当高压电气系统中发生瞬时大电流或者短路时，要求能自动切断高压回路，以确保高压附件设备不被损坏，避免发生电池的热失控，保证驾乘人员的安全。高压电气系统设计可以设置过载或短路的保护部件，例如设置熔断器等。

8.高压电电磁兼容性

高压线束布置和插接件选型应考虑电磁兼容需求。高压线束设计时，主回路动力线缆与信号线尽量采用隔离或分开布线。电池包外部连接用高压线束、高压插接件选型要求接地和屏蔽隔离。

9.高压电气功能安全

依据ISO26262《道路车辆功能安全标准》对高压电气系统功能进行危害分析与风险评估，对应的汽车功能安全完整性等级和安全目标见表4.1。