純電動汽車高壓電纜的研究

一、高壓線束的應用

不管是混合動力汽車，純電動汽車還是燃料電池汽車，都離不開高壓電氣系統。高壓電氣系統設計到的零部件包括高壓線束（高壓線纜和髙壓介面）和動力配（充電）電系統。純電動汽車和插電式混合動力汽車採取超過300V的高電壓和幾百安培大電流（見圖1）。

圖1

高壓線束是高壓電氣系統的關鍵零元件，為電動汽車執行的可靠執行和安全提供了保證。

圖a

目前，國內外汽車品牌均在積極推動電動汽車上市。電動汽車的充電安全性和可靠性日益受到電動汽車產業各界人士的重視。例如近期深圳比亞迪e6純電動計程車被撞起火事件。對於燃燒起火的原因，專家組認為，在受到兩次嚴重碰撞後，e6純電動計程車車身後部及電池托盤嚴重變形、動力電池組和高壓配電箱受到嚴重擠壓，導致部分動力電池破損與短路、高壓配電箱內的高壓線路與車體之間形成短路，產生電弧，引燃內飾材料及部分動力電池等可燃物質。

電動汽車安全方面的隱患主要集中在4個方面，分別是高能量動力電池有燃燒的隱患；電動汽車有高電壓、大電流的迴路，如果人體接觸會造成傷害；發生碰撞時，由於電動汽車質量比傳統汽車重200公斤左右，給人造成的傷害極大；最後便是電池波對人體的影響，電動汽車發射功率是手機的上萬倍。由此可見，高壓線束迴路的安全性關係到人生安全，其重要性不言而諭。電動車若想與其它車輛並駕齊驅，安全問題必須從源頭做起，提高設計質量、完善工藝流程，處處體現安全性第一的原則。

二、高壓線束的發展概況

電動汽車的發展歷史要早於燃油車的歷史。1867年，奧地利發明家在巴黎世界博覽會上就推出了一款雙輪驅動的電動車。1920年，美國新澤西州的發明家研製出第一輛充電式汽車。早期的電動汽車使用的是蓄電池和鉛酸電池。電池耐用性和容量限制了電動汽車的持續發展。進入20世紀70年代，能源危機和環境汙染問題使人們開始重新重視電動汽車的發展。鋰離子電池也開始進入實用化。因其具有比能量高、電池電壓高、工作溫度範圍寬、貯存壽命長等優點，己廣泛應用於民用產品中，部分代替了傳統電池。大容量鋰電池成為電動汽車和混合動力汽車設計多樣化選擇的一個共同點，其工作電壓的範圍也從傳統汽車的14V躥升至400〜 600V，因而需要汽車電子電氣架構的全面改進。

原先採用的低壓電子電氣架構已無法滿足高壓工作環境的要求。高壓線束的需求應運而生。在20 世紀80年代，日本的專業廠商Yazaki和Sumitomo 開始為日本汽車企業開發專用的高壓線束。到了 20 世紀90年代，美國的delphi和韓國的LS也開始為通用和LG開發車內高壓線束。目前國外廠商的高壓線束己形成體系，並在實際應用中得以驗證和持續改善，技術方面領先國內20〜30年。

面對當前世界高壓線束的快速發展，我國低壓線束使用的現狀已遠不適應新能源汽車的發展需要，主要表現在基礎水平薄弱，缺少自主核心技術，缺少技術積累。但在鼓勵自主創新，支援掌握核心技術和提升自主開發能力的產業政策引導下，面對新能源汽車行業快速發展給高壓線束產業提供的機遇，相關產、學、研單位有了自主開發的主動性、積極性，透過技術引進，消化吸收或透過聯合開發方式，大大提升了自主開發設計水平，在技術幵發和產業化方面也取得了一些積極成果。

三、高壓電氣系統研究

高壓電氣系統的研究包括高壓安全策略的系統設計、高壓介面的設計和高壓電纜的設計。

3.1高壓安全策略的系統設計

純電動汽車高壓電安全管理系統是實現高壓電系統故障診斷和安全管理的智慧管理系統。針對高壓電系統可能發生的故障，高壓電安全管理系統應具備如下主要功能。透過以下故障檢測判斷高壓電路，一旦監測到高壓電路發生故障則控制器封鎖輸出訊號，同時高壓電管理系統斷開高壓電路。

1)系統上電防瞬態衝擊

在高壓電路接通瞬間，將會對整個高壓系統電路造成瞬時上電衝擊，甚至損毀裝置，危及車輛和人身的安全。為了安全接通高壓電路，需要針對高壓電路進行防電流瞬態衝擊保護的預充電設計。為此，在上電過程中需要對高壓電路進行防電流瞬態衝擊預充電。純電動汽車在接到有效啟動的命令組合訊號之後，高壓電安全管理系統上電。首先對高壓電路系統進行上電前預診斷，如果蓄電池剩餘電量充足，電壓正常，並且電路無絕緣和短路等故障，接通防電流瞬態衝擊預充電系統進行高壓電路預充電。如果髙壓電路預充電在約定的正常時間範圍內完成，則系統允許接通高壓電路，否則禁止高壓電路接通。

2)實時過電流檢測及故障處理

由於高壓供電電路電流變化迅速，如果控制系統不能做出有效的檢測主電路電流，則可能造成功率器件損壞，並危及高壓電氣系統的安全。因此一旦檢測到過流，則表明高壓供電電流超過了設定的可允許範圍，立即進入故障斷開控制流程，斷開供電主接觸器，併發出故障報警訊號，以提醒駕駛人員。

3)高低壓保護及故障處理

如果在動力電池電壓較低的情況下仍以額定放電電流或更大的電流放電，則將損壞動力電池和高壓用電裝置。因此，為了保障純電動汽車在動力蓄電池低壓時用電器及動力蓄電池的安全，需要設計電壓檢測電路對高壓電路系統工作電壓進行實時準確的檢測並進行供電保護。

4)絕緣檢測及故障處理

動力的工作電壓一般在直流300V以上，採用較高的電壓規範，減小了電氣裝置的工作電流、降低了電氣裝置和整車的重量。但是，較高的工作電壓對高電壓系統與車輛底盤之間的絕緣效能提出了更高的要求。為了消除高壓系統對人員和車輛的潛在威脅，必須定量地分別檢測直流“直流正極母線 -底盤”和“直流負極母線-底盤”的絕緣效能，才能保證純電動汽車的高壓電氣安全性。新能源汽車絕緣監視儀原理參見圖2。

圖2

5)互鎖故障檢測及故障處理

為保證高壓供電電路的可靠連線，在高壓電路接通之前需要對供電電路的完整性進行檢測。

6)餘電洩放保護

由於純電動汽車高壓電氣系統的供電迴路中存在著大量的容性負載，在動力電池斷開後，供電迴路中仍會殘留很高的電壓和電能，如果不採取有效的洩放措施，將會危及車輛和人身的安全。為了避免剩餘電能可能帶來的危害，高壓電氣系統在高壓電源切斷後釆取了餘電洩放的方法。

7)溫度檢測保護

驅動功率器件在輸出功率的同時自身也要消耗功率，主要包括導通損耗和開關損耗，這些損耗通常表現為熱，隨著熱量的累積，將會使驅動功率器件的基板溫度和工作結溫升高。如果溫度過高，則可能會造成驅動器件過熱損壞。為了能使驅動功率器件可靠穩定工作，必須採取行之有效的散熱措施把這些熱量從功率器件傳導到外部環境，同時加強驅動功率器件的溫度監測和過熱保護，因此需要設計過溫檢測電路以實現高壓電氣安全控制系統的溫度檢測和過熱保護功能。

3.2高壓介面的設計

高壓系列介面用來實現車內各功能模組的連線。不同於普通的低壓介面，具有如下一些特點。