动力电源的高压在DC200~1000V之间,远超安全电压,而且这些驱动电机等用电器的工作电流高达几百安培。动力电源的布局考虑更多的是安全性,如果高压安全防护设计不到位或使用不当,在长期使用中可能引起高压系统受损、绝缘性降低、高压短路、电池起火等隐患,对人身财产造成极大的危害。
新能源电动汽车高压系统大都采用并联结构,其主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC变换器、电动空调压缩机、加热系统(PTC)、高压分线盒、车载充电系统等,如图2-7所示。
图2-7 汽车高压回路原理
电动汽车高压回路中有两个储电器件,高压动力电池和电机控制器,动力电池为整车提供动力,根据车型的不同存储的电量有较大差异。电机控制器为保护IGBT模块,设计有大容量(1000μF以上)薄膜电容。薄膜电容中也可能存有一定电量。若某一线路断开,高压带电部分暴露,高压负载和动力电池又是并联结构,不管动力电池高压继电器是否处于闭合状态,整个高压系统都可能处于带电状态。
高压安全设计通常需要考虑以下部分内容:
1)高压系统防护设计。主要包括IP防护、机械防护及高压警告标识等。尤其是布置外露的零部件,如电机驱动系统、电动空调、DC/DC变换器、动力电池系统及相互的高压连接,均要求达到IP67防护等级,并且所有高压系统应具有高压危险警告标识。此外,所有的配电系统高压接插件均有防呆设计,避免装配错误导致高压回路失效。
2)预充电回路保护设计。高压系统的电机控制器和空压机等控制器均有大量电容,直接接通该回路可能会产生高压电冲击,冲击电流达上千安,可直接将电池系统回路接触器烧坏,严重时对电芯瞬间大电流放电也产生严重不可修复损伤,故为避免接通时的高压电冲击,高压系统需采取预充电回路的方式对高压设备进行预充电。
3)过载保护设计。当汽车高压附件设备发生过载或线路短路时,相关高压回路应能自动切断供电,以确保高压附件设备不被损坏,保证汽车和驾乘人员的安全。
4)高压被动泄放。当车辆发生碰撞、侧翻,导致电驱系统损坏,或者因电机控制器、电机发生异常断高压时,电驱系统的主动泄放就不再起作用,只能通过泄放电阻进行被动泄放,而被动泄放的时间较长,导致人有触电风险。
5)高压绝缘失效检测。高压安全系统会实时进行故障诊断,收集整车系统的绝缘电阻阻值、母线电压、母线电流、三相电流,整车供电等与高压安全直接或间接相关的物理参数,根据设定的模型综合判断车辆故障状态,并循环实时检测。
6)异常保护动作。在整个高压回路中,当发生绝缘故障、环路互锁故障、重要节点通信丢失故障、动力系统转矩输出异常故障、短路、充电故障或车辆发生碰撞时,应及时断开高压继电器,切断高压回路电源的供给。