新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)

1、第六章 高壓系統(tǒng) 高壓系統(tǒng)(high voltage power system)是指電動汽車內(nèi)部與動力電池直流母線相連或動力電池電源驅(qū)動高壓驅(qū)動零部件系統(tǒng)，主要包含但不限于：動力電池系統(tǒng)和/或高壓配電系統(tǒng)（高壓繼電器、熔斷器、電阻器、主開關(guān)等）、電機及其控制器系統(tǒng)、電動壓縮機總成、DC/DC變換器、車載充電機（假如配置）和PTC加熱器等。高壓系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)部件集成情況能夠分為分體式高壓系統(tǒng)和集成式高壓系統(tǒng)。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第1頁圖6-1分體式高壓系統(tǒng)圖6-2 集成式高壓系統(tǒng)1 圖6-3 集成式高壓系統(tǒng)2新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第2頁6.1高壓控制盒圖6-4 電動汽車高壓系統(tǒng)電動汽車高

2、壓控制盒是指用于在電動汽車高壓電力系統(tǒng)輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護等作用，耐壓等級在V以上電氣單元，它位于電動汽車動力電池組與全部高壓電負(fù)載之間。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第3頁圖6-5 高壓控制盒結(jié)構(gòu)1新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第4頁圖6-6高壓控制盒結(jié)構(gòu)2新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第5頁圖6-7 高壓控制盒結(jié)構(gòu)3新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第6頁表6-1高壓控制盒主要功效序號功效1將高壓電池電流進行分配2高壓用電器以及高壓線束短路或過流時起到保護作用3充電保護方法，在動力電池充電時，能自動斷開驅(qū)動系統(tǒng)。實現(xiàn)充電與驅(qū)動功效之間互鎖4動力電池電流監(jiān)測5正負(fù)極接觸器狀態(tài)監(jiān)測（接觸

3、器本身功效）6高壓系統(tǒng)預(yù)充電功效（非必須功效）7高壓環(huán)路互鎖功效新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第7頁 DC-DC（直流-直流轉(zhuǎn)換器）作用有些類似于內(nèi)燃機汽車上發(fā)電機（圖6-8），而動力電源則取代了內(nèi)燃機功效。圖6-8 DC-DC轉(zhuǎn)換器在電動汽車電氣系統(tǒng)中位置圖6-9 DC/DC6.2 DC/DC變換器新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第8頁 DC-DC轉(zhuǎn)換器按輸入電壓不一樣有:升壓式轉(zhuǎn)換器、降壓式轉(zhuǎn)換器和可分別工作于升壓與降壓二種狀態(tài)轉(zhuǎn)換器;按控制方式不一樣可分為PWM(PulseWidthModulated)脈沖調(diào)寬式;PFM(PulseFrequencyModulation)脈沖頻率調(diào)變和充電泵式等,

4、均已廣泛應(yīng)用于便攜式儀表產(chǎn)品及通訊產(chǎn)品中。DC-DC電源模塊內(nèi)部原理框圖如圖6-10所表示。 圖6-10 DC-DC變換器電路圖新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第9頁6.3 高壓配線6.3.1 高壓線纜 高壓元器件之間經(jīng)過線纜傳遞電能，而這些線纜對操作者也必定存在高壓威脅，所以國際通用標(biāo)準(zhǔn)是將這些高壓線纜用顏色鮮明橙色外皮或者護套保護起來，不但能起到良好絕緣作用還有必要警示效果以下列圖6-11所表示。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第10頁 電動汽車上高壓線纜,由幾段組成,比如北汽新能源汽車采取PDU, 整車共分為 7 段高壓線束,以下列圖6-12所表示,包含連接動力電池到 PDU 之間線纜、連接快充口到

5、 PDU 之間線束、連接慢充口到 PDU 之間線束、連接 PDU 到空調(diào)壓縮機之間線束、連接 PDU 到空調(diào) PTC 之間線束、連接 PDU 到電機控制器間線束、連接電機控制器與電機線纜。圖6-12 外部高壓線束及總成連接原理框圖新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第11頁6.3.2 車輛電網(wǎng)回路 供電系統(tǒng)是由電源系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)組成產(chǎn)生電能并供給和輸送給用電設(shè)備系統(tǒng)。電力供電系統(tǒng)大致可分為TN，IT，TT三種。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)就決定了從供電器（比如高壓動力電池）到用電器（比如電機）電能傳輸路徑。國際上對于不一樣電網(wǎng)系統(tǒng)使用國際統(tǒng)一符號，其最少是由兩位字母組成，詳細(xì)如表6-2所表示。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第

6、12頁第一個字母：電源端與地關(guān)系第二個字母：電氣（用電）裝置外露可導(dǎo)電部分與地關(guān)系T：電源端有一點直接接地T：電氣（用電）裝置外露可導(dǎo)電部分直接接地，此接地點在電氣上獨立于電源端接地點。I：電源端全部帶電部分不接地或有一點經(jīng)過阻抗接地N：電氣（用電）裝置外露可導(dǎo)電部分與電源端接地點有直接電氣連接S：中性導(dǎo)體和保護導(dǎo)體是分開C：中性導(dǎo)體和保護導(dǎo)體是合一中性導(dǎo)體（N）：引自電源中性點導(dǎo)體保護導(dǎo)體（PE）：以防觸電為目標(biāo)，用來與設(shè)備或線路金屬外殼、接地母線、接地端子、接地極、接地金屬部件等作電氣連接導(dǎo)線或?qū)w。保護中性導(dǎo)體（PEN）：當(dāng)中性導(dǎo)體N與保護導(dǎo)體PE共為一體，同時含有中性導(dǎo)體和保護導(dǎo)體兩種

7、功效導(dǎo)體。表6-2 國際不一樣電網(wǎng)系統(tǒng)比較新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第13頁TN系統(tǒng) 在TN系統(tǒng)中，全部電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分均接到保護線上，并與電源接地點相連，這個接地點通常是配電系統(tǒng)中性點。TN系統(tǒng)，稱作保護接零。當(dāng)故障使電氣設(shè)備金屬外殼帶電時，形成相線和地線短路，回路電阻小，電流大，能使熔絲快速熔斷或保護裝置動作切斷電源。TN系統(tǒng)又分為TN-C（圖6-13）、TN-S（圖6-14）、TN-C-S（圖6-15）三種表現(xiàn)形式。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第14頁圖6-13 TN-S系統(tǒng)新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第15頁圖6-14 TN-C系統(tǒng)新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第16頁圖6-15 TN-

8、C-S系統(tǒng)新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第17頁2. TT系統(tǒng) 在電源中性點直接接地三相四線系統(tǒng)中，全部設(shè)備外露可導(dǎo)電部分均經(jīng)各自保護線PE分別直接接地，稱之為TT供電系統(tǒng)（圖6-16）。第一個符號T表示電力系統(tǒng)中性點直接接地，第二個符號T表示負(fù)載設(shè)備外露不與帶電體相接金屬導(dǎo)電部分與大地直接聯(lián)接，而與系統(tǒng)怎樣接地?zé)o關(guān)。圖6-16 TT系統(tǒng)新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第18頁3. IT系統(tǒng) IT系統(tǒng)是指在電源中性點不接地系統(tǒng)中，將全部設(shè)備外露可導(dǎo)電部分均經(jīng)各自保護線PE分別直接接地，稱之為IT供電系統(tǒng)（圖6-17）。IT系統(tǒng)普通為三相三線制。IT方式供電系統(tǒng)I表示電源側(cè)沒有工作接地。第二個字母T表示負(fù)

9、載側(cè)電氣設(shè)備進行接地保護。圖6-17 IT系統(tǒng)新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第19頁4. 電動汽車適用電網(wǎng)結(jié)構(gòu)-IT網(wǎng)絡(luò) 電動汽車采取IT網(wǎng)高壓電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高壓元件有絕緣監(jiān)控供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定了從供電器（比如高壓蓄電池）到用電器（比如電機）電能傳輸路徑。電源端帶電部分不接地或有一點經(jīng)過阻抗接地，電氣裝置外露可導(dǎo)電部分直接接地。為滿足安全要求，純電動汽車高壓網(wǎng)絡(luò)區(qū)分與12V低壓車載電網(wǎng)及民用電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，實質(zhì)上是一個IT網(wǎng)：供電器與車身絕緣，用電器殼體與車身連接。相對于單個部件安全接地，系統(tǒng)層面安全接地作用更深一層，包含了電氣安全和EMC設(shè)計。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第20頁 IT系統(tǒng)，由于

10、電源與車身沒有導(dǎo)通連接，所以即便正極對殼體漏電，殼體與車架連接，也不會形成回路。保險絲不會熔斷，也就不會被斷電。接地目主要是為了：保證等電位聯(lián)接以及減少系統(tǒng)電磁干擾。圖6-19 在電動汽車上應(yīng)用IT系統(tǒng)新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第21頁5. 等電位連接 電動汽車一個主要特點就是帶有高壓動力回路，為了預(yù)防因存在電勢差造成觸電危險，在高壓組件外殼或者可導(dǎo)電外蓋等部件之間應(yīng)該采取導(dǎo)線與車身支架相連方式，以到達等電勢效果。圖6-20 等電位連接新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第22頁6. 充電狀態(tài)時TT或者TN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 TT網(wǎng)絡(luò)是將電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分用保護線與大地直接連接防護辦法。普通可作為一個電擊防護

11、辦法應(yīng)用在電動汽車充電系統(tǒng)中。圖6-21所表示對電動汽車車身采取保護接地辦法，即利用PE線（經(jīng)過充電線纜）直接接地，與民用供電網(wǎng)絡(luò)組成TT形式。此時假如人員站在地面上接觸到帶有危險電壓（因為充電設(shè)施漏電）設(shè)備外殼(比如圖中所表示電動汽車車身外殼)。圖6-21 電動汽車車身保護接地辦法新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第23頁6.4絕緣防護與電隔離1.絕緣防護 （1）絕緣防護等級 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18384.3電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護內(nèi)容中電路電壓分級里明確要求：依據(jù)電路工作電壓U,將電路分為A/B兩級，如表6-3所表示。工作電壓/V直流交流A級0U600U30B級60U15

12、0030U1000 表6-3 電動汽車工作電壓等級劃分新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第24頁表6-4 關(guān)于絕緣防護一些主要定義（依據(jù)GB/T 18384.3）名稱定義基本絕緣帶電部件上對防觸電（在沒有故障狀態(tài)下）起基本保護作用絕緣。附加絕緣為了在基本絕緣故障情況下預(yù)防觸電，而在基本絕緣之外使用獨立絕緣。雙重絕緣同時含有基本絕緣和附加絕緣絕緣。加強絕緣提供相當(dāng)于雙重絕緣保護程度帶電部件上絕緣結(jié)構(gòu)。直接接觸人員與帶電部件接觸。間接接觸人員與基本絕緣故障情況下變?yōu)閹щ娡饴犊蓪?dǎo)電部件之間接觸。外殼防護等級（IP代碼）對帶電部件試紙、試具、試線接觸所提供防護程度。詳細(xì)參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4208-新能源汽車電

13、動汽車高壓系統(tǒng)第25頁（2）類設(shè)備 類設(shè)備是指依靠基本絕緣對帶電部件進行防觸電保護，并把這個設(shè)備中外露可導(dǎo)電部件與保護導(dǎo)體相連設(shè)備。圖6-22 一類設(shè)備新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第26頁（3）類設(shè)備 類設(shè)備是指使用雙重絕緣或加強絕緣進行防觸電保護設(shè)備，如圖6-23所表示圖6-23二類設(shè)備新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第27頁（4）觸電防護 觸電防護應(yīng)包含預(yù)防人員與任何帶電部件直接接觸和在帶電部件基本絕緣故障情況下觸電防護。對于A級電壓電路不要求提供觸電防護。 直接接觸防護：對于任何B級電壓電路帶電部件，都應(yīng)為人員提供危險接觸防護。直接接觸防護應(yīng)由帶電部件基本絕緣提供或由遮擋/外殼，或二者結(jié)合來提供

14、，并滿足標(biāo)準(zhǔn)中包括要求。 基本絕緣故障情況下防護：任何B級電壓電路帶電部件基本絕緣故障時，應(yīng)預(yù)防人員與外露可導(dǎo)電部件接觸而造成觸電電危害。故障情況下，應(yīng)由類設(shè)備（滿足電位均衡要求）和類設(shè)備（滿足絕緣要求）或二者組合來防護。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第28頁2.電氣隔離 電氣隔離基本原理如右圖6-24所表示，左側(cè)為供電方一側(cè)，右側(cè)為用電方一側(cè)。假如左側(cè)N級接地，那么人員a是很危險，普通其站在地面上碰觸L線，則會形成從L-a-N回路，電流流過人體，造成傷亡。圖6-24電氣隔離新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第29頁 電動汽車中DC-DC轉(zhuǎn)換器中變壓器起到了電氣隔離絕緣效果，將高壓與低壓完全隔離開，以下列

15、圖6-25圖6-25 DC-DC隔離高低壓新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第30頁3. 手動斷開裝置 在電動汽車裝配、保養(yǎng)和維修操作中，需要有手動斷開電氣回路功效，確保在操作過程中人員和能接觸到電氣設(shè)備上面不帶有危險電壓。圖6-26 手動斷開裝置結(jié)構(gòu)與原理新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第31頁4.自動斷路 當(dāng)存在一些特殊條件（如碰撞、絕緣故障、高壓電氣回路斷開、過流或者短路等）發(fā)生時，自動斷路功效能夠在沒有使用者干預(yù)情況下，經(jīng)過繼電器、斷路器等裝置將高壓回路電氣回路斷開，從而到達保護人員和電氣系統(tǒng)安全目標(biāo)。自動斷路裝置要具備人工復(fù)位能力。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第32頁5.環(huán)路互鎖 安全回路線是個環(huán)形

16、線路，經(jīng)過低壓元件（互鎖信號源）來收發(fā)信號來監(jiān)控高壓電網(wǎng)，來檢驗整個高壓產(chǎn)品、導(dǎo)線、連接器及護蓋電氣完整性（連續(xù)性），安全回路線要是斷路話，會造成高壓系統(tǒng)馬上被切斷，如圖6-27所表示：圖6-27 大眾企業(yè)混合動力汽車互鎖環(huán)路系統(tǒng)原理新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第33頁6 .功效互鎖（ ） 充 電 互 鎖 出 于 安 全 考 慮 ， 電 動 汽 車 要 帶 有 充 電 互 鎖 功 能 ， 即 在 充 電 時 電 動 汽車 動 力 系 統(tǒng) 要 處 在 斷 開 狀 態(tài) ， 以 防 止 電 動 汽 車 連 接 在 充 電 電 源 上 時 被 意 外 起 動 。 一 些 電 動汽 車 是 通 過 車 輛

17、 端 充 電 插 口 實 現(xiàn) 該 功 能 ， 當(dāng) 充 電 插 口 插 入 充 電 插 頭 時 ， 控 制 系 統(tǒng) 會 辨 認(rèn)插 頭 已 經(jīng) 連 接 到 位 。 這 時 車 輛 起 動 開 關(guān) 即 便 處 于 位 置 ， 操 作 人 員 也 不 能 真 正 起 動 車輛 ， 加 速 踏 板 是 失 效 。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第34頁（ ） 高 壓 互 鎖 高 壓 互 鎖 設(shè) 計 目 是 整 車 在 高 壓 上 電 前 確 保 整 個 高 壓 系 統(tǒng) 完 整 性 ，使 高 壓 處 于 一 個 封 閉 環(huán) 境 下 工 作 提 高 安 全 性 。 當(dāng) 整 車 在 運 行 過 程 中 高 壓 系

18、統(tǒng) 回 路 斷 開 或 者完 整 性 受 到 破 壞 時 候 ， 需 要 啟 動 安 全 防 護 ， 防 止 帶 電 插 拔 高 壓 連 接 器 給 高 壓 端 子 造 成 拉弧 損 壞 。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第35頁7 .主動放電 當(dāng)高壓電路與電池包斷開后（比如，自動斷開裝置或手動斷開裝置開啟時），因為有容性儲能元件及線束上本身存在容性，高壓母線仍會殘留有對人體造成電擊傷害危險電壓，所以有必要將高壓母線電壓釋放到安全范圍內(nèi)。依據(jù)電壓和能量情況以及電壓衰減所需要時間，不一樣制造商可能有不一樣方案和設(shè)計。一些電動汽車高壓系統(tǒng)斷電后采取電阻放電就是其中一個方案。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第3

19、6頁 圖6-28為奧迪混合動力汽車電子驅(qū)動單元主動放電結(jié)構(gòu)與原理圖，主動放電由動力電池管理系統(tǒng)來控制，每當(dāng)高壓系統(tǒng)被切斷或者低壓控制線路被切斷時，控制器就會閉合放電電阻支路上開關(guān)，就會與主動放電動作發(fā)生：使中間電容與電阻組成暫時回路，電流流過電阻，能量以熱量方式消耗掉。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第37頁圖6-28 奧迪混合動力汽車電子驅(qū)動單元主動放電結(jié)構(gòu)與原理新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第38頁8 .高壓熔斷器 純電動汽車驅(qū)動部分及高壓附件系統(tǒng)電源均為高壓動力電池電源，為保護車輛及乘員安全，相關(guān)動力電池電源回路均選取對應(yīng)高壓熔斷器作為短路保護辦法。在碰到過流或者短路情況下理想熔斷器斷開時間不高過

20、5ms，圖629為電動汽車經(jīng)典熔斷器布置方案。圖6-29 電動汽車經(jīng)典熔斷器布置方案新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第39頁 、 高 壓 系 統(tǒng) 是 指 電 動 汽 車 內(nèi) 部 與 動 力 電 池 直 流 母 線 相 連 或 動 力 電 池 電 源 驅(qū) 動 高 壓 驅(qū)動 零 部 件 系 統(tǒng) ， 主 要 包 括 但 不 限 于 ： 動 力 電 池 系 統(tǒng) 和 或 高 壓 配 電 系 統(tǒng) （ 高 壓 繼 電 器 、 熔 斷器 、 電 阻 器 、 主 開 關(guān) 等 ） 、 電 機 及 其 控 制 器 系 統(tǒng) 、 電 動 壓 縮 機 總 成 、 轉(zhuǎn) 換 器 、 車 載 充電 機 （ 如 果 配 置 ） 和 加

21、 熱 器 等 。本章小結(jié)新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第40頁 、 電 動 汽 車 整 車 行 駛 過 程 中 ， 一 般 由 （ 直 流 直 流 ） 轉(zhuǎn) 換 器 給 整 車 低 壓 系 統(tǒng) 供電 ， 同 時 給 低 壓 蓄 電 池 充 電 ， 基 本 不 需 要 低 壓 蓄 電 池 向 外 輸 出 電 流 ； 低 壓 電 氣 系 統(tǒng) 供 電 與 低 壓 蓄 電 池 充 電 是 通 過 以 上 高 壓 直 流 電 轉(zhuǎn) 化 而 來 ， 因 此 把 這 個 轉(zhuǎn) 化 裝 置叫 做 轉(zhuǎn) 換 器 ， 在 新 能 源 汽 車 上 主 要 使 用 是 降 壓 轉(zhuǎn) 換 器 。新能源汽車電動汽車高壓系統(tǒng)第41頁 、高 壓 元 器 件 之 間 通 過 線 纜 傳 遞 電 能 ， 而 這 些 線 纜 對 操 作 者 也 必 然 存 在 高 壓 威 脅 ， 所以 國 際 通 用 標(biāo) 準(zhǔn) 是 將 這 些 高 壓 線 纜 用 顏 色 鮮 明 橙 色 外 皮 或 者 護 套 保 護 起 來 ， 不 僅 能 起 到良