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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-09-28 13:25
編 者 按
文章針對純電動(dòng)汽車在使用過程中高壓系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障的問題，以安全為前提，基于車輛各個(gè)高壓部件的規(guī)格，淺析高壓配電系統(tǒng)中各個(gè)核心零部件的選型方法，最終形成整個(gè)高壓配電系統(tǒng)方法，為整車高壓配電系統(tǒng)開發(fā)提供參考，確保整車高壓系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。
引 言
當(dāng)前電動(dòng)汽車一般分為5大類：純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池電動(dòng)汽車以及增程式電動(dòng)汽車。其中，純電動(dòng)汽車是指完全由動(dòng)力電池提供電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，一般工作電壓高達(dá)400V 甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安全電壓；高壓系統(tǒng)工作電流有可能達(dá)到數(shù)十安甚至高達(dá)上百安，當(dāng)高壓回路發(fā)生絕緣、短路及漏電等故障時(shí)，會(huì)直接對駕乘人員的人身生命財(cái)產(chǎn)安全造成危害。因此，在設(shè)計(jì)高壓配電系統(tǒng)時(shí)，關(guān)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(yùn)行安全。因此，純電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)安全性已成為評價(jià)純電動(dòng)汽車安全性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
1 高壓配電系統(tǒng)安全要求概述
純電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，必須以安全為前提，對整個(gè)系統(tǒng)的安全做出整體要求，主要包括五個(gè)方面：
（1）繼電保護(hù)
高壓主系統(tǒng)上使用了三個(gè)系統(tǒng)主繼電器，當(dāng)流回動(dòng)力電 池的電流過大時(shí)，快充回路繼電器會(huì)自動(dòng)斷開，保護(hù)動(dòng)力電池系統(tǒng)。在驅(qū)動(dòng)電路的正極繼電器上并聯(lián)了一個(gè)預(yù)充回路，包括一個(gè)繼電器和一個(gè)預(yù)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(guān)電路保護(hù)裝置當(dāng)系統(tǒng)維護(hù)或維修時(shí)，應(yīng)首先斷開維修開關(guān)，防止電擊和其他的安全事故發(fā)生，同時(shí)維修開關(guān)裝置上也設(shè)計(jì)一個(gè)過載保護(hù)裝置。
（3）熔斷器保護(hù)動(dòng)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(jìn)行保護(hù)，在各回路出現(xiàn)短路或過載時(shí)，熔斷器自動(dòng)熔斷，斷開動(dòng)力電池與高壓電器之間的電路連接，起到保護(hù)整車及各個(gè)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(dǎo)電部分，發(fā)生漏電危險(xiǎn)。
（5）絕緣設(shè)計(jì)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(guī) GB/T 18384 要求。
2 高壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范
在高壓配電系統(tǒng)開發(fā)過程中，重點(diǎn)關(guān)注核心零部件，如高壓線束、接插件、熔斷器、繼電器的計(jì)算選型，以及相互之間的匹配選型。
2.1 高壓線束選型
根據(jù)總布置及高壓電氣設(shè)計(jì)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(jìn)行高壓線束走向布置，某純電動(dòng)汽車整車高壓電氣系統(tǒng)的布線方案如圖 1 所示。
圖 1 某純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(wǎng)，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(biāo)準(zhǔn)要求，線纜外部護(hù)套采用橙色，正、負(fù)極線纜外部 護(hù)套采用增加紅、黑標(biāo)識(shí)，圖 2 為帶屏蔽功能線束橫截面結(jié) 構(gòu)示意圖。
2.1.2 規(guī)格選型
銅導(dǎo)線載流能力通常約(5～8)A/mm2，但隨著溫度的升高，銅導(dǎo)線載流能力下降。
表 1 不同線芯截面積對應(yīng)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(yīng)的載流能力實(shí)測值
2.1.3 電纜布置注意事項(xiàng)
純電動(dòng)汽車動(dòng)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(jīng)過，離地面較近，需在線纜外部增加波紋管防護(hù)，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?yàn)榭臻g的需求，線束無法應(yīng)用波紋管進(jìn)行防護(hù)，可以考慮在高壓線束外增加塑料線槽的方案來對線束進(jìn)行防護(hù)。此方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（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(hù)套保護(hù)高壓線束所帶來的老化問題；
（2）塑料線槽能引導(dǎo)高壓線束按特定的走向進(jìn)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(chǎn)品的成組供應(yīng)，減少車間生產(chǎn)現(xiàn)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(jù)導(dǎo)線線徑和通過電流大小選用插接件；
b.布置在動(dòng)力艙及其它有可能進(jìn)水位置的接插件應(yīng)該為密封插接件，防護(hù)等級應(yīng)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(yōu)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(qū)別，即要做到顏色防錯(cuò)或鍵位防錯(cuò)；
e.優(yōu)先選用汽車用高壓接插件，無適合汽車用高壓接插件時(shí)，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(jié)構(gòu)。
2.3 熔斷器選型
在實(shí)際進(jìn)行保險(xiǎn)絲選型時(shí)，通常用穩(wěn)態(tài)工作電流確定保險(xiǎn)絲的額定電流，用脈沖電流（相對 I2t）來確定保險(xiǎn)絲的壽命。
電阻型的負(fù)載與電感型的負(fù)載盡量避免使用同一類型的保險(xiǎn)絲。其中電阻型負(fù)載一般選用快熔型保險(xiǎn)絲，電感型負(fù)載一般選用慢熔型保險(xiǎn)絲。具體確定保險(xiǎn)絲規(guī)格時(shí)，應(yīng)根據(jù)電器件的最大連續(xù)工作電流計(jì)算確定保險(xiǎn)絲容量，可按經(jīng)驗(yàn)公式：
保險(xiǎn)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(wěn)態(tài)工作電流、脈沖電流和浪涌電流，在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)電流都是脈沖電流和穩(wěn)態(tài)電流的疊加態(tài)。
圖 3 三種電流模型圖
熔斷器的額定電流取決于標(biāo)稱工作電流，一般建議持續(xù)工作負(fù)載為熔斷器額定電流的 75%，穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算方法如下：
If：理想的熔斷器額定值；In：額定工作電流；RR：環(huán)境溫度修正系數(shù)；
例如，高壓電器額定工作電流為 15A，環(huán)境溫度為 105℃，經(jīng)過查表得環(huán)境溫度修正系數(shù)為 88%，計(jì)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(jì)算結(jié)果的 25A 規(guī)格熔斷器。
脈沖電流不包含穩(wěn)態(tài)工作電流，熔斷器必須承受足夠的 脈沖次數(shù)和一定時(shí)間持續(xù)的穩(wěn)態(tài)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(jì)算方法如下：
圖 4 脈沖電流的 I2t 計(jì)算
熔斷 I2t 是熔斷器在熔化過程中電流轉(zhuǎn)換的熱能，熔斷器熔斷 I2t 計(jì)算方法如下：
圖 5 保險(xiǎn)絲熔斷的 I2t 計(jì)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(shè)計(jì)要求。
圖 6 相對 I2t 對保險(xiǎn)絲壽命的影響
圖 7 是負(fù)載為脈沖電流的高壓電器工作時(shí)的電流曲線圖，計(jì)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(xiǎn)絲性能參數(shù)表
計(jì)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(shí)其壽命大概為 10000 次，如下圖所示。
圖 9 保險(xiǎn)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(jù)用電器的功率和開關(guān)的承載能力來決定是否選 用繼電器。繼電器按驅(qū)動(dòng)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(fù)載，由于沒有較大的沖擊電流，觸點(diǎn)損傷比較少，以額定控制容量為標(biāo)準(zhǔn)來選擇繼電器。
b）對于電容或電感性負(fù)載，由于有較大的沖擊電流值，且達(dá)到?jīng)_擊峰值的時(shí)間較短，開閉時(shí)產(chǎn)生的電弧可能對觸點(diǎn)產(chǎn)生較大的損傷，易發(fā)生觸點(diǎn)粘連，在實(shí)際使用中應(yīng)在分析負(fù)載電流值特性的基礎(chǔ)上選擇具有一定余量的繼電器，即應(yīng)選用具有比負(fù)載電流大一級別的觸點(diǎn)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(shí)應(yīng)能動(dòng)作，即開始復(fù)位動(dòng)作。
選用繼電器要參考的技術(shù)要求：①可靠性好；②性能穩(wěn) 定；③質(zhì)量輕、體積小、壽命長，對周圍元器件影響??；④ 結(jié)構(gòu)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(guī)格保險(xiǎn)絲和導(dǎo)線的電流－熔斷時(shí)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(shí)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(shí)，熔斷器要先于導(dǎo)線斷開，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。
（a） （b）
圖 11 保險(xiǎn)絲與導(dǎo)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(guān)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(shí)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(shí)間曲線。由圖可知當(dāng)回路中流過 100A 的電流時(shí)，40A 的熔斷器將先于的2mm2電纜 3s 左右熔斷，從而達(dá)到保護(hù)回路的目的；而 50A 的熔斷器則可能與 2mm2電纜同時(shí)熔斷，無法達(dá)到保護(hù)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(diǎn)最大允許電壓應(yīng)大于熔斷 器的額定電壓；繼電器最大控制容量中的觸點(diǎn)最大允許電流 應(yīng)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(yīng)大 于繼電器觸點(diǎn)最大允許電流，即在圖 12 的環(huán)境溫度—導(dǎo)線最大電流曲線中，與每一規(guī)格導(dǎo)線匹配使用的繼電器觸點(diǎn)最大允許電流點(diǎn)應(yīng)位于該導(dǎo)線電流曲線下方。
圖 12 環(huán)境溫度—導(dǎo)線最大電流曲線
3 某純電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)匹配應(yīng)用
以某主機(jī)廠一款純電動(dòng)汽車為例，各高壓部件規(guī)格如表4 所示。
表 4 某純電動(dòng)汽車高壓部件規(guī)格表
基于上述核心零部件選型原則，確認(rèn)各回路熔斷器、繼電器及電纜線徑規(guī)格如表 5 所示。
表 5 高壓配電系統(tǒng)核心零部件選型表
最終形成整車高壓配電系統(tǒng)原理圖如圖 13 所示。
圖 13 某純電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)原理圖
4 總 結(jié)
本文針對新能源汽車高壓配電系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)原則及方法進(jìn)行說明，主要對配電系統(tǒng)中核心零部件，如高壓電纜、接插件、熔斷器和繼電器進(jìn)行選型說明，確保該配電系統(tǒng)在工 作過程中安全、可靠。并以某款純電動(dòng)車為例，對高壓配電系統(tǒng)核心零部件進(jìn)行匹配選型。后續(xù)如有需要，可根據(jù)此車 電氣架構(gòu)的變化對本方案進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到功能、性能的優(yōu)化與提升。
來源：線束中國
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