分析纯电动汽车高压电安全监控系统

分析纯电动汽车高压电安全监控系统

余雪萍

珠海广通汽车有限公司

摘要：本文主要对纯电动汽车高压电安全监控系统进行分析。能源危机和环境污染日趋严重，发展节能、零排放的纯电动汽车己成为汽车工业发展的必然趋势。纯电动汽车的工作电压在以上，工作电流达数十、甚至数百安培，当发生高压安全故障，高电压和大电流不仅危及乘客人身安全还会影响低压电气的正常工作。

关键词：纯电动汽车；高压电；安全；设计

一、纯电动汽车高压电系统布置及故障

1.高压电系统布置

纯电动汽车高压系统需要在保证整车动力传动的同时，实时监测高压电状态，要求髙压系统能在发生故障时通过高压接触器及时切断高压回路，保证整车系统和乘客的安全，同时要求在驻车充电或者驻车维修时，能切断所有可能的高压危险因素。系统零部件和电气系统的布置要求易于实现高压电安全监控功能，安全性好，可靠度高，还需要考虑高压部件的隔离以及蓄电池包的电磁干扰问题。

纯电动汽车高压系统布置要求有：（1）供电的所有蓄电池做到分组串联，且每组电压，并配溶断器，可在发生意外短路时断幵电池组之间的连接；（2）将一个含有多个蓄电池组的电池包、两个高压直流接触器以及溶断器各自集成在绝缘封闭壳体内，这样就可以将高电压的带电部件与外部环境隔绝，同时相互之间的电磁干扰也得到了较好的屏蔽；（3）将本文设计的高压电安全监控系统也安装在一个绝缘封闭壳体内，而且布置位置上需要尽量靠近电池包以便在发生高压故障时可及时切断高压回路；（4）高压电安全监控系统包含有高压回路预充电电路，目的是为了防止高压系统容性负载产生的瞬态冲击，在系统断电后，保证预充电继电器能够完全断开。（5）高压电安全监控系统通过控制高压接触器通断，可以确保电动汽车高压回路的安全性，且在系统断电后，两个高压接触器能够完全断开；（6）在高压回路中布置高压环路互锁电路，以确保电池组外的所有高压电路的连续性；（7）高压电安全监控系统包含绝缘检测电路，保证纯电动汽车高压系统与底盘地之间有兆欧级绝缘电阻。

2.高压电系统故障

（1）绝缘故障；一般是由线路老化、腐烛、雨水以及线路绝缘皮破损等等原因所导致的。如果说电动汽车高压系统的短路对人的危害是间接的话，那么电压在上百伏的高压回路发生绝缘故障对人的危害则是直接的。绝缘电阻是表征电动汽车绝缘状况好坏的重要参数，因此，按照相关标准要求针对可能发生的绝缘失效故障设计一个绝缘电阻实时检测及故障处理模块，就可以较为有效的保障驾乘人员的安全了。

（2）短路故障；为了切实保障纯电动汽车高压电路的用电安全，确保发生短路故障时故障能够得到及时处理，一个重要的方法就是对电动汽车高压电路进行实时电流检测。当检测到高压回路电流超过该系统所规定的电流上限时，即判断系统发生了短路故障，并且要在第一时间内通过高压接触器切断高压回路，以确保乘客和车辆的安全。

（3）断路故障；可以通过在高压系统回路中设计高压环路互锁电路的方法来检测回路断路故障，安全监控系统通过向高压回路发送检测信号来进行高压环路互锁检测，当返回的检测信号没有达到预期的完整性要求时，则判断出现接触不良或断路故障，并禁止相关动力电源的输出，直到该故障完全排除为止。

（4）事故引发故障；为了最大程度上保证电动汽车在发生意外事故时人员和车辆的安全、减少或避免二次伤害的发生，设计时使电动汽车在事故发生时具备可靠的被动安全保护功能是必须的。系统可以利用加速度传感器来实现对于意外碰撞事故的检测，用角度传感器来感知车辆倾覆或翻滚状况如果检测到事故发生，则依照系统所制定的安全控制策略进行处理。

二、高压电安全监控系统硬件设计

1.硬件设计要求

漏电流大小乘以漏电流流过人体的时间不能超过人体所能承受的安全阈值30mA*s直流接触电压不能超过人体的35V安全电压值；髙压绝缘电阻阻值除以蓄电池标称电压值至少应该>100Ω/V，安全起见，最好是能够超过500Ω/V；高压回路接通时需有一个大于100ms的预充电过程，这样可以避免接回路通时的瞬态冲击；无论在何种情况下，回路的高压直流接触器断开时间必须小于20ms；断开电动汽车高压回路1s后，车上任何可触及的导电部分与地之间的交流峰值电压低于42.4V（有效值30V），直流电压低于60V，并且存储的能量应小于20J。在接下去的高压电安全监控系统的研究开发过程中，每一项安全指标都必须达到上述这些安全要求。

2.硬件功能和模块组成

纯电动汽车高压回路安全监测系统是实现高压故障诊断和安全监测的智能系统。根据安全设计要求以及高压回路可能发生的故障，系统应具备以下主要功能：绝缘电阻检测；上电防瞬态冲击；高低压保护；过电流检测；高压环路互锁检测；CAN总线通讯。

下图为本项目设计的纯电动汽车高压回路安全监测系统的结构原理图。K1和K2是由高压回路安全检测器的STM32芯片控制的高压主电路常幵直流接触器开关；K3为预充电控制模块控制的高压常幵直流接触器开关；FUSE为高压溶断器，起到过流培断保护作用；K4和K5是由绝缘检测模块控制的继电器，STM32芯片发出信号可控制是接入蓄电池正端还是接入蓄电池负端；电池组正负端对地电压、电池组总电压、高压系统两端电压以及负载端电压都经过A/D转换后传入监测系统的STM32芯片；高压环路互锁检测模块产生一个激励信号输入高压系统回路，然后接收返回的信号，根据返回信号的幅值判断高压系统回路的连接状况；负载工作状态则由负载状态检测模块实时检测；CAN通讯模块可与PC相连，输出自行分析诊断结果和更为全面的高压系统状态信息、响应过程和执行情况。

3.硬件抗干扰设计

对于纯电动汽车而言，其高压直流系统绝对是一个强烈的电磁干扰源，而高压电安全监控系统在这样一个强电磁干扰的环境下工作，其抗电磁干扰性能的好坏至关重要，抗电磁干扰能力的强弱不仅决定了安全监控系统能否稳定可靠的运行，更重要的是决定了系统能否检测到可靠的电气参数以实现相应的系统功能，这样就不难看出抗干扰措施对于高压电安全监控系统的重要性了。纯电动汽车高压电安全监控系统的主要干扰源是：高压系统直流电干扰、空间电磁干扰与电源干扰。对于高压系统直流电干扰，系统采取高压阻尼线、并联电容和屏蔽高压线的方法降低干扰；对于空间电磁干扰，主要是无线电干扰，系统采用屏蔽芯片的方式降低空间电磁干扰；对于电源干扰，采用集成稳压电源的方式来降低电源干扰。在电路设计中，可以进行单点接地的设计，数字地和模拟地分离，这样也可以减小干扰，使系统能够最为可靠、稳定的工作。

参考文献：

[1]王嘉悦，郭宏榆，姜久春新型电动汽车绝缘检测方法研究.电子测量与仪器学报.2011（03）

[2]刘碧军，杨林，朱建新等电动汽车高压电安全测试系统的研究汽车工程.2005（03）

[3]燃料电池汽车CAN总线系统的开发[J].敖国强，杨林，朱建新，周兴利，卓斌.计算机工程与应用.2006（16）