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纯电动汽车与传统燃油汽车的区别，主要体现在高低压电气系统方面。纯电动汽车上有动力蓄电池包、驱动电机、车载充电机、电动压缩机等高压部件，又有充放电控制、上下电控制等相关的低压电控部件，相关设计内容都具有特殊性。本节将从总体设计的角度，论述纯电动乘用车及商用车高低压电气系统的组成及分类，明确电气系统方案设计的内容，如参考标准和业务开展流程，并分别列举具体车型应用实例。
纯电动乘用车高压系统分为五部分，即动力蓄电池系统、驱动系统、电源系统、空调系统和高压配电系统 [7] ，如图2-52所示。
图2-52 纯电动乘用车高压电气系统
高压电气系统设计分为两个主要部分：高压控制原理设计；高压线束拓扑设计及器件选型。
高压控制原理设计主要包括：
①整车电压平台选取设计。
②高压电网架构设计，互锁网络连接架构设计，以及X电容和Y电容匹配选型设计等设计内容和相关的电安全测试、整车绝缘测试内容。车辆技术标准输入内容见表2-21。
表2-21 车辆技术标准输入内容
根据车辆技术规范所提的要求，进行整车电压平台选取论证，高压部件架构设计，满足绝缘检测、预充时间、残余电量等要求的阻容匹配设计，最后根据整车高压控制原理进行设计验收。
下面介绍高压配电系统中高压线束布置、高压线缆、高压熔断器、高压接触器等部分设计要点。
高压线束布置时需要满足以下要求：
1）根据整车高压线束走向、选型确定的导线、插接器来布置高压线束，增加固定点、固定支架、导向槽等。
2）所有插接器在拆装时应有足够的手动空间，根据SAE J833标准规定，手掌宽度取110mm，手动空间取150mm。
3）布置插接器时尽量避开水能溅到的地方。布置在车身下部或水能溅到的地方都应有特殊的设计对线束及插接器进行防护，如增加挡板等。
4）在进行线束布置时，应避免线缆的弯曲半径过小，一般最小弯曲半径≥5×电缆直径；避免在插接器50～100mm处进行线束弯曲布置，防止插接器密封件受力变形而漏水。
5）在对车辆悬架等有较大振动的部位进行布线时，所有的电缆及线束都要有适当的防振防护，如使用橡胶件、套管、波纹管等，尽量避免将线束固定在相对运动的部件上。
6）线束的固定方法应该有防止结构的错误安装。
7）线束与其他运动件间保证50mm以上的间隙，与无相对运动的零件间保证25mm以上的间隙。
8）插接器放于一起或交叉布置时，应使用标记或类似方法进行区分。
整车高压线束架构布置如图2-53所示。
图2-53 整车高压线束架构布置
表2-22 整车高压控制原理设计参考标准
本节以高压系统接口定义为输入，参考《电动汽车安全要求》（报批稿），设计整车高压电气原理，主要包括整车电压平台选取设计、高压控制原理图设计和电阻电容选型设计。
在满足驱动电机峰值功率需求、电流不至于过大的前提下，当前电压平台宜选在300～450V之间。
①如果电压等级太低，则电功率一定时，整车主回路电流大，电效率低。
②如果电压等级太高，则高压器件爬电距离大，绝缘保障要求高，当前主流供应商产品难以满足，需要特殊定制开发。当前主流供应商电机控制器电压范围见表2-23。
表2-23 当前主流供应商电机控制器的电压范围
③选取电压平台时还需要考虑高压部件效率的影响。车载充电机效率随电压平台变化的曲线如图2-54所示。DC/DC变换器效率随电压平台变化的曲线如图2-55所示。
图2-54 车载充电机效率随电压平台变化的曲线
图2-55 DC/DC变换器效率随电压平台变化的曲线
④此外，应考虑各车型不同动力蓄电池包电量需求下，电压平台范围应相近，如特斯拉主要车型电压平台在264～403V之间，如图2-56所示。
图2-56 特斯拉主要车型电压平台
纯电动汽车的高压系统不同于传统汽车的电气系统，需要增加额外的安全防护措施以确保车辆和人员的安全，如高压零部件及高压线束的警示标识要求、遮拦和外壳方面的IP防护等级要求、主动放电要求、电位均衡要求、整车高压互锁（通过低压信号监测整车高压系统连接完整性）要求、整车绝缘监控要求。通过多方面的安全防护措施，保证纯电动汽车的安全性和可靠性 [9,33,34] 。
1）整车高压互锁设计。纯电动汽车上高压回路互锁，是将高压接插器、高压零部件盒盖等用低压线串接起来，当插接器公母端分离或高压部件盒盖打开时，低压线路同时被切断；此时，低压回路检测控制器发出警报，警示当前处于高压暴露状态；高压电控制系统将切断整车高压回路，防止人员触电 [35,36] 。
图2-57所示为某纯电动汽车应用的高压互锁回路。
图2-57 某纯电动汽车应用的高压互锁回路
2）整车绝缘监控设计。纯电动汽车绝缘监测系统如图2-58所示，电阻 R n 、 R p 分别为动力蓄电池包负极、正极对地等效电阻值，绝缘监测电路（IMD）基于电桥法测量出 R n 、 R p ，集成于动力蓄电池管理控制器内部。
图2-58 纯电动汽车绝缘监测系统
纯电动乘用车高压控制原理如图2-59所示。
图2-59 纯电动乘用车高压控制原理
图2-59中包含的高压部件有动力蓄电池包、车载充电机、驱动电机及其控制器、DC/DC变换器、电加热控制器、电动压缩机共六个。该图除展示出各系统间高压连接架构外，还展示了内部互锁回路连接情况。
动力蓄电池包内部K 1 为负极继电器，K 2 为预充电继电器，K 3 为正极继电器。图中电压和电流采集点（传感器位置）说明见表2-24。
表2-24 电压和电流采集点说明
首先根据各高压部件现有的X电容值情况，进行预充电阻的阻值计算、功率计算和选型，依据以下公式进行：
式中 τ ——预充电时间，一般为250ms以下；
R p ——预充电阻值，一般为几十欧；
C X ——整个高压回路的X电容，一般为1000μF以下。
根据式（2-22）计算得到预充电阻值。为完成预充电阻选型，还需要计算预充电组的功率：
式中 P p ——预充电阻功率，根据动力蓄电池包的额定电压变化，一般在2kW以下；
U b ——动力蓄电池包额定电压值，一般为300～400V。
若经过计算，发现预充电阻功率较大，难以满足布置需求，则需要减小各高压部件内的X电容值，最终得出可以接受的预充电阻的型号。
同理进行主动放电电阻的阻值、功率计算及选型，主动放电时间一般为1s以下。
此外，在高压零部件现有设计基础上，需要根据残余电量要求校核Y电容值。《电动汽车安全要求》（报批稿）中规定了残余电量要求，即
式中 W Y ——Y电容带来的残余电量，要求小于0.2J；
C Y ——Y电容值。
在某纯电动乘用车型项目中，部分高压零部件电容、电阻参考值见表2-25。
表2-25 部分高压零部件电容、电阻参考值
主要高压零部件熔断器参数见表2-26。
表2-26 高压零部件熔断器参数
下面论述高压配电系统中铜排、熔断器、继电器、高压线缆等部分设计要点 [37-40] 。
高压电缆是传输电流的导体，选型时主要考虑温升、电阻率、耐压、绝缘、热延伸、热收缩、低温拉伸等性能。高压线缆载流量参考曲线如图2-60所示。
图2-60 高压线缆载流量参考曲线（车内温度为125℃）
高压熔断器主要是用来保护电路的功能器件，防止在整车过电流、过电压的情况下对整车用电回路造成损伤。选型需要考虑如下条件：
1）整车相关因素：
①整车电压等级、熔断器的电压等级必须大于整车最大可持续电压。
②最大预期短路电流、最小预期断路电流、熔断器分断能力验证。
③连接方式、环境温度等。
2）负载相关因素：
①负载额定电压、额定电流和额定功率。
②最大可持续电压、电流及最大可持续电流时间。
③峰值电压、电流及峰值电流持续时间。
④寿命期脉冲冲击次数。
⑤故障电流源。
3）回路相关因素：
①继电器最大可持续电流及持续电流时间。
②电缆线径和长度。
③回路电容。
高压继电器是实现电路通断功能的器件，主要用于电池内部、快充电、加热器和压缩机等回路。选型主要考虑如下条件：
①线圈额定参数，匹配对应的控制系统需求。
②触电参数，根据所使用的功能判断继电器接触电阻、额定电压、额定负载、最大分断电流、最大切换电压、适用负载、电流耐受等是否满足负载需求。
③寿命，主要包含电耐久性和机械耐久性，根据负载控制逻辑及使用频次判断。
④性能，主要包含绝缘电阻、介质电压、时间参数、振动冲击、电冲击等。
⑤装配性，满足装配空间、尺寸需求。
⑥环保要求，满足禁用物质标准要求。
以某纯电动乘用车型PTC回路电缆和熔断器选型为例，额定电压为410V，PTC回路额定电流为20A， I max 及持续时间为30A/500ms。
电缆选型举例：整车电压为410V，额定电流为20A，经过查表，电缆选择600V屏蔽电缆，线径2.5mm 2 。
1）额定电压的选型。
根据整车电压范围，要求回路中的最大应用电压（ U max ）小于熔断器额定电压。一般预留15%以上安全裕量。通过查询熔断器规格书，500V熔断器满足设计要求。
通过查询PTC规格书，回路中不存在瞬时电压高于整车电压范围的情况，熔断器无需修正选型。
2）额定电流的选择。
I n1 = I s / K
式中 I n1 ——根据熔断器规格书序列取整；
I s ——熔断器持续工作电流（数分钟持续通过电流的有效值，整车电压下的额定电流）；
K ——持续工作电流降容系数，是一个综合应用系数。根据相关条件（如环境温度、导线降容、应用时间等）变化。
降容系数 K 为
K = K t K m K b K n K v k
式中 K t ——温度校正系数，根据熔断器规格书选择；
K m ——插接器热传导系数；
K b ——海拔校正系数，根据熔断器规格书进行校正确定；
K n ——综合降容系数，负载矫正，一般情况下，波动平稳为0.75，波动较大为0.6；
K v ——风冷却系数；
k ——若熔断器规格中列出额外干扰系统或补偿系数，按要求计算。
通过查询熔断器规格书，环境温度为50℃时， K t =0.9；额定电流为20A、线缆线径为2.5mm 2 时， K m =1；无风冷却， K v =1；海拔不超过2000m， K b =1； K n =0.75； k =1。
K = K t K m K b K n K v k =0.9×1×1×1×1×0.75×1=0.675
I n1 = I s / K =20/0.675A=29.6A
通过查询规格书，选择30A熔断器。
通过查询规格书，在30A/500ms冲击电流下，该型号不会熔断。
图2-61 低压电气系统
纯电动汽车车载电源系统主要指将高压系统的电力转换为低压电源向低压电器设备供电的系统，由蓄电池、DC/DC变换器、熔断器、开关（或继电器）、导线和电器负载等连接而成。其中，蓄电池、DC/DC变换器为低压电源系统；熔断器、开关（或继电器）和导线组成电源的分配系统 [41,42] 。
低压电气系统设计内容包括蓄电池选型设计、整车电源分配设计、整车电气原理图设计、线束设计及附件设计等。低压电气系统的设计流程如图2-62所示。
图2-62 低压电气系统设计流程图
整车低压电气系统设计参考标准见表2-27。
表2-27 整车低压电气系统设计参考标准
DC/DC变换器除了为整车的低压系统提供电能外，还需要给低压蓄电池充电。DC/DC变换器的选型需满足以下要求：
①提供当前负载需求的所有电流。
②提供蓄电池充电需求的全部电流。
③在车辆的各种状态下，提供稳定的电流。
④运行可靠、安静，有一定的抗污染能力，维护成本低。
对蓄电池进行选型时，须满足以下几个要求：
①在各种极端情况下均能起动车辆。
②车辆起动后，能够有效地稳定正常电源。
③车辆开启电器负载总功率较大时，蓄电池能够提供部分电能。
④车辆停放时，在车辆设计的静置时间内确保车辆必需的控制器和防盗系统能正常工作，且能正常起动车辆。
⑤应急情况下的短时行驶容量需求。
此外，在对纯电动汽车蓄电池进行选型时，还需要以下设计内容：
①静态电流：设计初期统计整车各电气部件静态电流，一般不大于20mA。
②静置天数：车辆在静置规定天数后可以正常起动，一般要求42天。
蓄电池容量计算公式：
式中 C ——蓄电池容量（A·h）；
I qc ——整车静态电流（mA）；
SOC 1 ——放电初始状态（%），一般取80%；
SOC 2 ——放电终止状态（%），一般取30%；
t ——静置天数（天）；
SD——电池自放电率（%/42天），一般取4%。
电动汽车起动电流需求较小，30%SOC可满足车辆起动需求。
同时考虑国外车企一般选用高速上出现故障时短时行驶电源供电（夏季雨夜）依次满足以下要求：
①120km/h下由最内车道变到最外应急车道，180s。
②缓慢减速直至停车，90s。
③呼叫道路救援，300s。
④等待道路救援时的必要电源供给，120min。
综上，综合考虑计算得出所需电量，对照蓄电池规格进行选型。
1）整车低压电源分配设计的主要内容包括：电器分析，熔断器和继电器选型匹配设计，电器盒选型及布置，试验验证。
①电器分析指在车型开发初期对车型电器配置和电器件电源模式的分析，对车型电器配置及相关电器特性有初步的概括。
②熔断器和继电器选型匹配设计的主要工作为：熔断器与电器件的匹配、熔断器与线束的匹配、继电器的选型匹配；对回路电器间的匹配进行初步的选型计算。
③电器盒选型的主要工作是确定电器盒的数量、电器盒的类型、熔断器的布置、继电器的布置，在合理利用空间的同时达到电器性能最优化效果。
④试验验证指对各电器件选型和电器间的匹配关系进行系统性验证，保障电源分配设计的合理性和安全性，主要试验包括电源分配试验和电器回路短路过流试验。
2）整车用电器的供电模式分为常电、ACC电、IG1电、IG2电和READY电。根据电器件的功能用途，从电源模式上对电器件进行区分。
①常电：蓄电池直接供电，中间未经过继电器或控制开关；需要有记忆功能的模块或在车辆下电后需要工作的电器，如BCM、无钥匙进入/启动系统（Passive Entry Passive Start, PEPS）等电器的供电端为常电。常电负载同时需要考虑对整车静态电流的影响。
②ACC电：通过点火开关ACC供电，与主电源间通过ACC继电器控制通断；行车前需要用到的电器件和音响系统由ACC供电，如多媒体音响系统、点烟器、后视镜调节等。
③IG1电：通过点火开关IG1供电，与主电源间通过IG1继电器控制通断；一般车辆动力系统工作时必须工作的电器件的供电为IG1电，如倒车灯、转向灯、组合仪表等。
④IG2电：通过点火开关IG2供电，与主电源间通过IG2继电器控制通断；功率比较大的、不是车辆动力系统工作时必须工作的电器件的供电端为IG2电，如鼓风机、后除霜等。
⑤READY电：通过点火开关及制动信号，整车上高压电状态，在此电源模式下可以操作行车。
说明：整车供电模式根据车辆功能设计需求设定不同电源模式，有以下组合方式：
①BATT，ACC，IG1，IG2，READY；
②BATT，ACC，IG，READY；
③BATT，IG，READY；
④BATT，IG1，IG2，READY。
3）接地设计要求如下：
①整车地：就是整车电路的地，是由蓄电池负极直接接到车身，使车身成为一个大的负极。所有用电器的搭铁都是通过车身搭铁，因此汽车电路中的接地又被称为搭铁。
②电源地：指低压电器和负载的电流回路地，这里指负极搭铁，主要是指大功率用电器的搭铁，例如冷却风扇、刮水器电动机、玻璃升降电动机、空调鼓风机、座椅调节电动机、天窗电动机、门锁电动机、电动助力转向电机、电子驻车电机等。这些用电器的电流一般较大，会对其他弱电流或信号线产生干扰。
③信号地：指的是模块或系统间通信信号回路的参考地。该参考地一般在模块内和信号供电负极地等电位连接，根据信号类型可分为数字地和模拟地。信号地一般指小电流信号的搭铁，有模拟信号、数字信号等，信号一般比较敏感，容易被干扰。
④屏蔽层地：对于360°全景影像系统、娱乐系统天线及高电压工作用电器，因为其工作过程中对周围电磁场影响较大，或受周围电磁场影响较大，所以必须采用屏蔽线，以达到保证接收信号准确，且对周围线束电磁场影响最小的作用。而屏蔽线的屏蔽层，直接通过搭铁点接到整车地。
4）搭铁方式设计要求如下：根据车载用电器部件低压端负极回路电流流向，如图2-63～图2-65中的 I 1 ～ I 10 所示，负极搭铁方式可分为串联搭铁、并联搭铁和混合搭铁。其中，Z1～Z10代表搭铁线束上的阻抗。后两种搭铁方式又可分为单点搭铁和多点搭铁两种情况：当低压端负极回路电流的最高频率不大于10MHz时，单点搭铁效果较好；当低压端负极回路电流的最高频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量减小地线阻抗，就近多点搭铁效果较好。
串联搭铁方式容易导致公共阻抗耦合干扰问题，低压端功率级别相差很大的电器部件之间不宜采用该搭铁方式，若设计中不得不采用该搭铁方式，则应将低压端功率较大电器尽量布置于图2-63中电器件1的位置。并联搭铁方式可减小公共阻抗耦合干扰，在相对较大的搭铁系统中可能需要较多的搭铁线束。
纯电动汽车电气系统的负极搭铁方式一般采用多点并联搭铁（图2-64）。根据整车特殊需求，局部可采用串联搭铁（图2-63）或混合搭铁（图2-65）。
图2-63 串联搭铁
图2-64 并联搭铁
图2-65 混合搭铁
搭铁分配原则如下：
①强弱电流分开搭铁原则。如电动机类产品：冷却风扇、刮水器电动机、玻璃升降电动机、空调鼓风机、座椅调节电动机、天窗电动机、门锁电动机、电动助力转向电机、电子驻车电机等，属于大电流用电器；如控制器，传感器等，属于小电流用电器；大电流用电器搭铁要与信号线或控制回路等小电流用电器搭铁分开。
②安全件单独搭铁原则。如安全气囊模块、制动防抱死系统、电动助力转向系统等对整车性能及安全等级要求高，且对外界影响因素有要求的模块，要采用单独搭铁。为确保系统准确及时地工作，还需要有备用搭铁作为备用方案；针对前照灯搭铁，考虑一个搭铁失效后，另一个可以继续使用，因此必须将左、右前照灯分开搭铁。
③就近搭铁原则：考虑到经济性、压降小及最小电磁干扰，搭铁尽量靠近用电器端，这样搭铁线短，导线成本低，线束回路压降小，被干扰的可能性也随之降低，特别是针对弱电流信号搭铁，以保证信号的真实传递。
除以上三个基本原则外，根据用电器特性还有以下几点情况：
①所有搭铁都要避免喷漆污染，避免电泳、钝化等防腐镀层影响导通性，避免搭铁位置低于涉水高度。
②蓄电池负极线、DC/DC变换器搭铁线等导线截面较大，一定要控制好线长和走向，减少设计成本，减小电压降。
配电盒是一个继电器和熔丝的载体，由壳体、印制电路板、电器盒、母线、熔丝、插座、外接插头等组成。母线、插座和外接插头设置在电路板上；电路板设置在壳体内，壳体上对应于电路板上的插座、外接插头的位置处设有插孔和安装孔，电器盒、熔丝通过壳体上的插孔与插座插接连接。
配电盒应能够满足各种汽车电器的连接和控制，电路简便、集中，便于安装和检修，可以减少运行故障的发生，有利行车安全。
配电盒分为集线式配电盒、PCB
配电盒、智能电器盒（集成车身控制器）。考虑到电器件布置及电源线束回路走向原则，整车配电盒一般采用前舱配电盒和室内配电盒组合设计。
PCB配电盒的结构组成如图2-66所示。
图2-66 PCB配电盒的结构组成
①QC/T 707—2004《车用中央电气接线盒技术条件》。
②QC/T 413—2002《汽车电气设备基本技术条件》。
线束是汽车的网络神经，实现汽车上的电源和各个电器零部件的电路物理连接，负责整个电器零部件之间信息的传递。纯电动汽车上的低压线束一般分为前舱线束总成、仪表板线束总成、车身线束总成、车门线束总成、车顶线束总成、气囊线束总成和保险杠线束总成等，如图2-67所示。
图2-67 整车低压线束示意图
低压线束子系统由插接器、导线、胶带、固定卡子、线束保护套（护板、胶套、波纹管等）等部件组成。线束包含几条主线束和多条分支线束。低压线束子系统的组成如图2-68所示。
图2-68 低压线束子系统的组成
线束布置区域按照干湿区不同可分为干区、湿区，按照温度不同可分为高温区、低温区。整车线束布置区域呈复合特征，可划分为高温湿区、低温干区、低温湿区等区域。线束布置区域的特性如图2-69所示。
图2-69 线束布置区域的特性
整车线束按照布置区域及功能不同可以分为图2-70所示的几段。
图2-70 整车低压线束布置分段
线束布置需要符合表2-28所示的参考指标。
表2-28 线束布置指标
线束布置需要注意以下原则：
1）线束需要合理分段，为方便装配要尽量减少分段，但是在有必要分段时务必分段。比如，前舱线束和仪表线束虽然连接回路较多，但是也需要分为两段。因为前舱线束需要装在前舱内，仪表线束需要装在转向支撑上，若不分段就必须要在防火墙上开一个巨大的孔，而且装配性很差。
2）布置线束时需要考虑生产、装配和维修的操作方便性，防止出现盲操作等在操作时容易造成损坏线束的情况出现。
3）布置线束时尽量减少没有承载的斜向走线，避免空中飞线；多股线束走线时要注意美观性，尽量平行走向，走线需要平顺。
4）线束走向不能有交叉，不能出现锐角布线，避免电线折断；若无法避免，则应增加固定，避免悬空布线。
5）布置线束时需要考虑运动件，与运动件包络的间隙需要在25mm以上。
6）线束应沿着车身及其他附着件进行走线，避免线束飞线等情况出现而造成线束受力。
7）同一个分支点上线束分支数量不应该大于四个，以方便线束生产及整车线束装配。
8）线束尽量采用隐藏式走线：
①车内不允许有任何可见线束。
②前舱内线束尽量布置在方便操作而且有隐藏效果的地方。
③在整车所有车门、罩关闭之后不允许有可见线束。
9）避免线束通过法兰边、翻边、金属过孔或者尖锐物旁边，在无法避免的情况下必须采取可靠的保护措施，并经过评审和试验方可布线。
10）插接器应布置在易于拆卸的位置。
11）湿区必须选用防水插接器，防护等级不低于IP67。特殊位置需要超过IP67的按照每个项目要求及布置位置确定。此区域插接器应该尽量水平布置，防止竖直布置造成防水栓位置存水等情况出现。
12）插接器必须进行固定，可以通过自带固定结构的插接器固定到钣金件上，或者通过卡子固定在钣金件上。
13）布置线束时尽量借用车身钣金件等作为防护，防止受外界电磁干扰等。
14）布置线束时应尽量避免贴近高温区域，比如转向电机表面、驱动电机表面、充电机表面、电机控制器表面等高热发热源附近；若实在无法避开，则要求距离其20mm以上。
15）对于相对运动件、开闭件的线束，需要根据最大距离设计好长度。
16）对于线束跨接相对运动的零部件时，需要留有足够余量，并校核好运动包络。
17）线束在过孔时应该有橡胶套的防护。
18）需要先连接插接器，再塞回固定的线束（需要留有足够的操作长度，但是不能过长）。线束需要有保护，防止与附近钣金件干涉等，如仪表开关盒、中控单元等。
19）在线束、插接器有可能与其他部件产生碰撞时，需要将其用布基胶带或者海绵包裹，降低噪声。
20）线束与固定件间的间隙大于15mm。
21）线束与运动件间的间隙大于25mm。
22）线束与钣金件或者焊缝之间的间隙大于15mm。
23）线束一般200mm左右有一个固定点。
24）线束上使用扎带时，尾端留3～5mm，扎带在线束上可以转动但不可移动。
1）连续负荷相关器件熔丝设计。连续负荷是指在特定条件下进行连续通电的负荷，如空调、音响及夜间行驶时的近光灯、远光灯、后位灯等。表2-29为某车型主要长期负荷情况统计表。
表2-29 某车型主要长期负荷情况统计表
对于连续负荷的熔丝，有以下经验计算公式：
式中 I fuse ——计算所得的熔丝电流，定格计算时，将小数位全部进位为整数，以确保安全；
I load ——负载的电流；
a ——熔丝负荷率，依经验取为70%。
在某车型项目中，由式（2-26）计算得以下负荷熔丝型号需求：
①前雾灯：（110/12）/0.7A=13.1A，所以该熔丝应选为15A。
②后雾灯及倒车灯：（84/12）/0.7A=5.5A，所以该熔丝应选为10A。
③电子风扇：（130/12+120/12）/0.7A=29.7A，所以该熔丝应选为30A。
④刮水器：（116/12）/0.7A=9.6A，所以该熔丝应选为10A。
2）间断负荷相关器件熔丝设计。间断负荷是指动作时间短或断断续续通电的负荷，如扬声器、门锁、转向灯等。由于间断负荷很少单独配熔丝，对于连有间断负荷的熔丝有以下计算经验公式：
式中 I fuse ——计算所得的熔丝电流，定格计算时，将小数位全部进位为整数，以确保安全；
I load ——负载的电流；
I 1 ——连续负荷；
I 2 ——间断负荷；
a ——熔丝负荷率，依经验取90%。
3）DC/DC变换器熔丝设计。DC/DC变换器熔丝负荷被设定为DC/DC变换器过电保护电流，对其定格计算有经验公式：
式中 I fuse ——计算所得的DC/DC变换器熔丝电流，定格计算时，将小数位全部进位为整数，以确保安全；
I power ——DC/DC变换器额定输出电流容量；
a ——熔丝安全系数。
计算得出所需要的熔丝电流，按照熔丝规格选取。
线束的设计是依据其上游的熔丝而设计的，其熔断电流值必须大于其上游熔丝的值，以保证不会烧线。线束发热量为
式中 Q ——发热率；
I ——通过线的电流；
R ——熔丝电阻。
而，
式中 L ——线长；
S ——线的横截面积；
α ——电阻率，与线的材料有关，汽车电气线束都为铜丝。
将式（2-30）代入式（2-29）得
设 β = αI 2 L ，则式（2-31）为
由式（2-32）可知，线束的发热率与线束的横截面积（线径）成反比。为保证不烧线，电流越大，线径越大。熔丝选定后，其下游线束一般有以下经验关系，见表2-30。
表2-30 熔丝与下游线径 d 对应关系表
该车前雾灯所选熔丝为15A，因此其线径可选0.85mm；刮水器所选熔丝为10A，因此其线径可选0.85mm。
可以参考表2-31所示的载流量参考表。该表描述了不同规格导线对应的性能参数，可在选择导线线径时参考。
表2-31 导线载流量参考表
注：长时工作电器设备可选用实际载流量为60%的导线，短时工作设备可选用实际载流量为60%～100%之间的导线。
线束插接器设计主要包括护套、端子及导线的设计三部分，原则上采用“导线—端子—护套”的设计方法。根据工作环境、负载情况选取导线的材料和线径，依据导线的线径、工作环境、电器件和负载大小选取端子的匹配型号。最后，在已选定的导线和端子的基础上，根据工作环境、安装位置确定护套的型号。线束插接器的设计流程如图2-71所示。
图2-71 线束插接器的设计流程
相对于燃油客车，纯电动客车尤为显著的区别就是采用了大容量、高电压的动力蓄电池包及高压电驱动系统，以及高压电动辅助系统等高压电气部件。高压电气系统是整车上由高压电气部件构成的电源回路的统称，通常由可充电储能系统、高压配电系统、电驱动系统、电动辅助系统及充电系统组成。各系统之间通过电路连接及控制交互保证整车可靠安全运行。
由于高压电气安全的特殊性，该系统应满足相应的法规或标准，主要内容梳理见表2-32。
表2-32 高压电气安全法规或标准
根据电源控制变换模块及用电负载的组合结构的形式不同，高压电气系统主要分为两种构型：集中式和分布式。
①在集中式构型（图2-72）中，高压控制变换模块集成在一起组成集成控制器，动力蓄电池包直接连接集成控制器（含驱动电机控制器、转向电机控制器、空压机电机控制器等），由集成控制器输出连接各用电负载（驱动电机、转向电机、空压机电机等）。该构型控制模块便于集成设计，控制模块环境适应性要求低，用电负载设计简单，但交流电路较多，电磁兼容问题较突出。
图2-72 集中式构型
②在分布式构型（图2-73）中，各高压控制变换模块分别与对应用电负载集成，动力蓄电池包输出经配电后直接连接用电负载。该构型配电线路简单，均为直流电路，但用电负载集成化设计难度较高，对控制模块环境适应性要求高。
图2-73 分布式构型
在实际应用过程中，根据整车需求及零部件开发状态结合两种构型进行综合设计，整车高压电气系统的基本原理如图2-74所示。
图2-74 整车高压电气系统原理
①可充电储能系统是整车电能存储系统，是整车驱动的能量源。该系统主要由动力蓄电池包与动力蓄电池管理系统（BMS）组成。BMS主要通过采集、分析动力蓄电池电压、温度、电流等信息，实现高压安全管理、电池状态分析、能量管理、故障诊断管理、电池信息管理等功能，从而实现对动力蓄电池系统的安全有效管理，避免电池过充电、过放电，延长动力蓄电池的寿命。
②高压配电系统的功能是实现整车各个高压部件电能管理与分配，并能可靠地接通及断开，实现整车高压电气系统的安全高效运行。该系统主要由接触器、熔断器、功率电阻及导电铜排、高压线束连接组件等组成。
③电驱动系统作为整车驱动动力源，通过将车载能源的直流电转换为交流电来控制驱动电机旋转，提供整车驱动力。该系统主要由动力电机及其控制器组成。
④电动辅助系统是为保证整车的正常运行及舒适性而提供辅助功能的附件系统。该系统主要由电动助力转向电机及电机控制器、电动空气压缩机及控制器、电动空调/电除霜器、DC/DC变换器等组成。
⑤充电系统是车载能源系统的能量补充渠道与接口，实现外部电能的转换与补充，保证整车的持续运行。该系统主要由充电接口、车载充电机（交流充电配置）及相应的连接与控制保护电路组成。
高压电气系统方案需根据整车动力性、舒适性等指标确定的高压用电负载进行设计，例如车载储能系统的电压、电量、最大充放电功率，电驱动系统及其他用电设备功率等参数。其设计开发流程与乘用车电气系统设计基本一致，主要步骤如下：
①需求分析：整车需要实现什么功能、安装要求是什么、工作环境情况（温度、湿度、振动等）、外接电网设备的要求、使用频率等。
②功能设计：对满足需求的功能进行分配，形成功能清单，如空调系统制冷、采暖的不同设定要求。
③系统方案设计：确定电气系统的指标，制定电气系统的拓扑结构方案，根据用电负载制定电气系统原理图，输出主要零部件的选型，原理图上需体现各部件连接关系及主要规格（线径、接口、熔断器、继电器电流等）。
高压电气系统设计原则为：工作部件稳定供电，不工作不带电，支路故障由支路保护，主电路须有熔断器与维修开关，外部接口精简化。根据客车的动力蓄电池包配置特点，兼顾电量、电流与效率，高压电气系统电压等级普遍在500V以上，最大工作电压不超过750V。设计过程主要从以下方面开展：电路的功率匹配设计、特性参数匹配设计、连接线路及接口设计、电磁兼容性设计。
对于电气系统上的载流部件，其功率的匹配按照负载的工作需求来确定，功率电气回路上主要包含电缆导线、熔断器、高压继电器等主要部件。其匹配主要根据以下参数确定：
● 工作环境温度：电气部件正常工作的最大环境温度范围。
● 工作电压：电路的最大电压范围，电缆、熔断器及继电器额定电压应不小于该值。
● 工作电流：电气部件工作的额定持续电流和峰值电流，对于熔断器的匹配还应考虑电缆的熔断电流。
● 工作寿命：主要是高压继电器的触点寿命应满足整车电气系统设计寿命的要求。
1）熔断器的选型。熔断器额定电压不应小于系统的最大工作电压，通常为DC 750V或DC 800V。电流须按照稳定工作电流进行额定电流初选。
式中 I n ——熔断器额定电流；
I s ——熔断器持续工作电流（数分钟持续通过电流的有效值）；
K ——持续工作电流降容系数，根据相关条件变化， K 需要调整，常为0.6～0.8倍，其计算公式为
式中 K t ——温度降容系数（图2-75）；
图2-75 温度降容系数曲线
注：aR是部分范围分断能力半导体保护熔断器；aM是部分范围分断能力无延时保护熔断器；g*类是全范围分断能力保护熔断器。
K m ——插接器热传导系数（图2-76）；
图2-76 插接器热传导系数
K b ——海拔校正系数（海拔每升高1000m，额定电流降容2%～5%）；
K n ——综合降容系数（长期应用，约为0.7～0.8）。
其中，标准连接铜导线截面积见表2-33。
表2-33 标准连接铜导线截面积
注：电流1250A以上，取1.0～1.6A/mm 2 。
然后须根据脉冲电流（零部件峰值及冲击电流）进行熔断器寿命的校核。不同品牌型号的熔断器的热能值不同，须根据其熔断曲线确定，必须预留足够的安全系数。
式中
——熔断器熔断所需的能量；
——冲击脉冲释放的能量。该值与熔断器寿命关系密切，熔断器品牌型号不同，该值也不同。某品牌型号参数见表2-34。
表2-34 某品牌型号熔断器的脉冲电流与寿命关系
2）电缆导线的选型。
①高压电缆和线束外皮选用橙色；高压线束带屏蔽结构；高压线束选用编制密度不小于85%高压电缆；高压线束采用360°环绕屏蔽锁紧头或360°环绕屏蔽插接器与电气设备进行连接。根据车用电缆电压等级，因纯电动客车电压平台较高，故通常选用DC 1500V高压电缆。
②电缆的线径选取：根据高压线束连接电气设备的工作特性确定高压电缆负载电流，据负载电流大小及工作环境选择合适的导体截面积，根据高压导线工作温升和电压损失进行校验。
纯电动客车在不同工况运行时，电气设备的用电负荷变化较大，高压线束设计需要综合考虑电气负载的额定电流、峰值电流及工作时间等参数。
负载电流 I （A）为
式中 P ——电气的额定功率（W）；
U ——电气的工作电压（V）。
要满足发热条件的要求，负载电流必须满足下面的条件：
式中 I n ——允许负载电流值（A）。
高压线束工作环境条件的差异较大，例如，前舱温度较高，导线要长时间承受高温，选择导线截面积时要注意导线安装的环境温度。为此，导线有一个参数为允许负载电流值，即导线在其所能够承受的最高温度的情况下，允许连续通过的最大电流。某型号高压线束导线截面积允许负载电流值（供参照）如图2-77所示。
图2-77 某型号高压线束导线截面积允许负载电流值（供参照）
3）熔断器与电缆的匹配。
在熔断器和电缆选型中须对回路过载或短路电流进行匹配。在回路存在过电流时，熔断器的熔断时间必须小于电缆导线的发烟时间。30A熔断器熔断时间与导线的发烟时间如图2-78所示。
图2-78 30A熔断器熔断时间与导线的发烟时间
4）熔断器、继电器与电缆匹配校核（图2-79）。
图2-79 熔断器、继电器与电缆匹配图
高压用电负载，按其接口电路特征主要可分为以下类型：阻性负载、电源变换模块类容性负载和电机负载（表2-35）。
表2-35 高压用电负载分类
P 1 —熔断器最小保护特性点（最小分断能力）
P 2 —熔断器保护动作特性与继电器的电流耐受特性交点
L 1 —继电器的电流耐受特性曲线（功能/安全曲线）
L 2 —继电器的电流耐受特性曲线（不爆炸/烧毁曲线）
阻性负载和电机负载可按照功率匹配的原则进行选型设计，但电源变换模块类部件的高压配电电路因其内部接口电路上具有大容量支撑电容而导致冲击电流过大，需专门设计预充电回路（图2-80）。预充电回路中电阻的匹配须根据上电时间要求及负载支撑电容确定，其计算方法与乘用车一致。
图2-80 预充电回路原理图
继电器的选型（图2-81）应充分考虑其触点的状态，且根据继电器状态的监测要求设置粘连检测相关电路，可通过其自带辅助触点或电路电压检测来实现。
图2-81 继电器的选型
I c —冲击电流 I e —额定电流
继电器选型应从额定控制容量、接触电阻、电气寿命几方面入手，焦点集中于：
①充分考虑触点的负载大小、种类、极性、冲击电流、开闭频率等。
②考虑接触器在电路中的位置和连接方式。
③接触器的寿命与其使用设备寿命是否平衡。
④考虑实际使用中的环境温度。
⑤要在实际使用条件下（实际电路、实际负载等）加以确认。
高压电路接口按照连接形式不同主要分为插接式和螺栓紧固式。根据其不同部位的结构不同，主要有以下三类应用产品：
①插接式连接接口：导电端子及密封安装结构均为插接式（图2-82a）；
②端子螺栓接口：导电端子采用螺栓紧固，密封安装为格兰头紧固（图2-82b）；
③端子过孔连接器接口：导电端子采用螺栓，密封安装为一体式面板（图2-82c）。
图2-82 高压电路接口
a）插接式 b）端子螺栓 c）端子过孔连接器
进行匹配设计时应根据载流能力、操作便利性及成本可靠性等维度综合考虑选取：螺栓紧固式载流能力较强，成本较低；插接式载流能力较小，成本较高，但操作便利性好。
手动维修开关（Manual Service Disconnect, MSD）用于检修电动汽车时，为了确保人车安全，通过手动的方式将高压系统的电源断开，使高压回路出现明显可视的断点。目前，MSD主要有两种产品形式：内嵌熔断器MSD（图2-83a）和无熔断器MSD（图2-83b）。其中，无熔断器MSD体积重量较小，其主要匹配参数包括额定电压、额定电流、工作环境温度和插拔寿命。
图2-83 MSD产品形式
a）内嵌熔断器MSD b）无熔断器MSD
用于实现整车MSD功能的部件，其插拔寿命通常应不低于500次，插拔方式应为免工具操作，且满足拔开后带电部分符合防护等级（IP代码）IPXXB防止手指接近的要求。
由于高压电气系统存在电压高、电流大的电源及工况多变的负载，所以电磁干扰风险较高。除了在系统各部件设计过程中减少本身干扰发射外，还应从系统传播途径上进行优化设计抑制干扰的传播，常用的方法有屏蔽和接地。
①屏蔽。高压线束与低压信号线（CAN线束、监控线束、通信线束等）分开布置，间距不小于20mm，同一回路高压正负极线束集中布置走线，高压线束采用屏蔽网编制密度不小于85%的屏蔽高压线束，高压线束与高压零部件的连接部位应满足360°屏蔽连接要求。360°屏蔽连接器须满足线束屏蔽层与高压部件外壳搭铁接地点接触电阻小于0.1Ω。
②接地。高压线束连接的各高压部件可导电壳体上任一点与外壳接地点的电阻不大于0.1Ω，且应使用接地线连接接地点，与整车搭铁后接地电阻值不大于0.1Ω。
低压电气系统是纯电动客车的核心控制系统，涵盖供电分配、整车控制、驾驶交互、通信管理等多项功能。作为车辆电气化、信息化、智能化功能体现的重要载体，低压电气系统的设计质量至关重要。
低压电气系统包括车载总线、低压电源及供电系统、充电系统、电机冷却系统、组合仪表、整车控制器、监控主机、档位面板等。纯电动客车低压电气系统的结构原理如图2-84所示。
图2-84 纯电动客车低压电气系统的结构原理
低压信号主要包括车载总线、硬线连接信号，其中车载总线指车内网络系统，是保证纯电动客车各关键部件的信息交互的传播载体，如目前通用的CAN总线技术，可为动力蓄电池管理系统、电机控制器、电动空压机、电动空调、助力转向油泵、组合仪表、整车控制器等提供可靠稳定的信息交互路径。
整车控制器是纯电动客车的核心控制部件，它通过采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后，控制下层的各部件控制器的动作驱动汽车，实现整车驱动控制、能量优化控制、制动回馈控制和部分网络管理等功能。
监控主机是用于采集及保存整车及系统部件的关键状态参数并发送到监控平台的装置或系统，具体指标需满足GB/T 32960—2016《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》的要求，见表2-36。
表2-36 纯电动客车低压电气系统相关的标准要求
纯电动客车与传统燃油汽车低压电气系统的主要区别在于以下几个方面：
①纯电动客车的辅助蓄电池由动力蓄电池通过DC/DC变换器来充电，传统燃油汽车的辅助蓄电池由与发动机相连的发电机来充电。
②纯电动客车低压电气系统采用直流12V或24V电源，一方面为车辆的常规低压电器（如灯光装置）供电，与传统燃油汽车一致；另一方面还需为整车控制器、高压电气设备的控制电路和辅助部件供电。
③根据法规要求，电动客车有独立的行车记录仪，相对传统燃油车增加了监控主机，用于整车关键状态的监控和管理。
④电动客车零部件之间的控制和通信方式是基于车载总线的，区别于传统燃油车以硬线、继电器为主的控制和信息交互方式。
纯电动客车低压电气系统方案设计流程与乘用车基本一致，设计过程主要包括低压电气原理设计、低压负荷匹配设计和整车网络架构设计三大方面。
低压电气原理设计是整车低压系统及其与高压系统（电机控制器、BMS等）交互控制的基础，其质量好坏关系到整车电气系统的功能正确性、稳定性和安全性。其中，整车控制器是低压电气系统的核心单元。控制器通过对相关输入信息进行综合分析后，对高低压部件进行控制，因此该原理图（图2-85）需重点体现整车控制器的输入/输出信息、相关部件的供电和使能控制电路。
图2-85 某款纯电动客车基本的低压电气控制原理
其中，钥匙点火信号、驻车制动信号、冰雪模式开关、DBR信号（防抱死制动系统激活状态信号）等通过传统电器部分的线束接入整车控制器；档位面板、加速踏板、制动踏板信号，相对传统燃油汽车均接入发动机电子控制单元，纯电动客车须都接入整车控制器。此外，图2-85涵盖了整车控制器对高压部件控制单元及其相关附件的供电控制和使能控制设计电路，包括高压配电及控制盒的供电控制电路、电机冷却水泵使能控制电路、空压机风扇使能控制电路、动力蓄电池管理系统与充电插座间的交互电路等。
纯电动客车汽车低压电器负荷的统计是DC/DC变换器选型等的重要依据。因纯电动客车的特性及相关法规要求，在充电期间整车下电，需工作设备的用电从外部充电机获取。故在正常状态下其负荷匹配与电器配置、使用工况有关。
整体来讲，针对纯电动客车低压电器负荷的供电匹配原则为各个工况下整车输出的最大功率不小于整车相对应工况的整车用电需求：
式中 P DC ——DC/DC变换器能够提供的最大输出功率；
P G ——某一工况下整车能够提供的功率，不同工况功率值不同；
P L ——长期行驶必须使用的用电器的额定功率；
P S ——安全行驶必需的短期使用电器额定功率；
P N ——电动部分低压电气额定功率；
P Q ——整车其他低压系统在不同工况所需的额定功率。
某款纯电动客车低压电器设备运行的统计见表2-37。
表2-37 某款纯电动客车低压电器设备运行的统计表
（续）
①USB为Universal Serial Bus的简称，中文名称为通用串行总线。
因此，整车正常行驶时所需功率为4564.82W，加权功率为2885.81W。
考虑到安全性，该车可选额定功率为4.5kW、峰值功率为4.8kW的DC/DC变换器，既可以满足不同行驶需求下整车加权功率需求，也可以满足整车最大功率需求。
相对传统燃油汽车，纯电动客车的整车网络架构设计需满足接口标准化、软件功能易升级、高容错的要求，以保证各子系统的可靠通信及产品不断迭代升级的需要。纯电动客车目前主要采用车载CAN总线控制技术实现整车控制，采用CAN总线的电气系统更加简洁，布置更加简单。
图2-86所示为基于CAN总线技术的纯电动客车通用网络架构。
图2-86 纯电动客车通用网络架构图
该架构将整车高低压系统各子系统分为两个网络进行管理，高低压数据传输相互独立，能够减小因单网络负载率过高带来的潜在风险，同时整车控制器作为高低压间的网关，可根据整车需求有效保证两个网络间各子系统的数据交互。
图2-87所示为国内某纯电动客车的电气架构图，其低压电气系统与通用系统方案一致。整车控制器为该系统的核心部件，通过采集档位、加速踏板、制动踏板、动力蓄电池管理系统及整车其他信息，控制驱动电机控制器进而驱动车辆行驶，同时实时将整车状态传递给仪表进行状态显示，传递给监控主机用于后台信息监控。
图2-87 某纯电动客车低压电气架构
图2-88所示为基于“域”互联的纯电动客车整车CAN网络架构示例。它将车辆分为人机交互域、网联域、车身域、动力系统域、智能感知域等不同域区间，各域之间通过以整车控制器为核心的中央网关进行连接，实现不同域之间的信息交互。
图2-88 基于“域”互联的纯电动客车整车CAN网络架构示例
随着汽车智能化、网联化进程的加快，面向未来更加高效、安全的交通体系升级，对纯电动客车整车低压电气系统的软硬件升级、通信容错和吞吐能力、诊断技术、网络安全等功能需求日益提高。越来越多的整车企业、高校及科研院所争相研究的重点主要有：
①整车功能安全和故障诊断技术。
②电子电器自身的节能化以及车辆各系统的电控管理优化。
③支持高度自动驾驶的智能域控制器开发等。
此外，针对车载终端产品，开发主动智能信息服务技术日益成为研发热点，如利用云端计算资源和智能算法，适应复杂交通环境和不断变化的驾驶状况，根据驾驶需求主动提供精确的信息服务。