编 者 按

 

文章针对纯电动汽车在使用过程中高压系统出现各种故障的问题，以安全为前提，基于车辆各个高压部件的规格，浅析高压配电系统中各个核心零部件的选型方法，最终形成整个高压配电系统方法，为整车高压配电系统开发提供参考，确保整车高压系统安全、可靠地运行。

 

引    言   

当前电动汽车一般分为5大类：纯电动汽车、插电式混合动力汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车以及增程式电动汽车。其中，纯电动汽车是指完全由动力电池提供电力驱动的电动汽车，一般工作电压高达400V 甚至更高，远远高于安全电压；高压系统工作电流有可能达到数十安甚至高达上百安，当高压回路发生绝缘、短路及漏电等故障时，会直接对驾乘人员的人身生命财产安全造成危害。因此，在设计高压配电系统时，关键零部件的选型不仅要满足整车的使用要求，更必须确保驾乘人员和汽车运行安全。因此，纯电动汽车高压电气系统安全性已成为评价纯电动汽车安全性的一项重要指标。 

 

1   高压配电系统安全要求概述 

 

纯电动汽车高压配电系统设计开发过程中，必须以安全为前提，对整个系统的安全做出整体要求，主要包括五个方面：

 

（1）继电保护

 

高压主系统上使用了三个系统主继电器，当流回动力电 池的电流过大时，快充回路继电器会自动断开，保护动力电池系统。在驱动电路的正极继电器上并联了一个预充回路，包括一个继电器和一个预充电阻，目的是防止继电器接通瞬间冲击电流损坏逆变器。

 

（2）维修开关电路保护装置当系统维护或维修时，应首先断开维修开关，防止电击和其他的安全事故发生，同时维修开关装置上也设计一个过载保护装置。

 

（3）熔断器保护动力电池输出回路与各高压电器分支回路正极均使用熔断器进行保护，在各回路出现短路或过载时，熔断器自动熔断，断开动力电池与高压电器之间的电路连接，起到保护整车及各个高压部件的作用。

 

（4）防水防尘高压线束、接插件以及部件壳体均要求保证 IP67 以上的防水防尘要求。防止水或者异物接触到高压导电部分，发生漏电危险。

 

（5）绝缘设计对高压电器、高压线束及插接件要求绝缘电阻大于 500Ω/V，满足法规 GB/T 18384 要求。

 

2   高压配电系统设计规范 

 

在高压配电系统开发过程中，重点关注核心零部件，如高压线束、接插件、熔断器、继电器的计算选型，以及相互之间的匹配选型。

 

2.1 高压线束选型

 

根据总布置及高压电气设计需求，高压线束布置基于就近原则，即尽量减少高压电缆用料来进行高压线束走向布置，某纯电动汽车整车高压电气系统的布线方案如图 1 所示。 

 

 

图 1   某纯电动汽车高压系统布线概念图

 

2.1.1  高压线束选型基本要求

 

 

图 2   带屏蔽功能线缆横截面结构示意图

 

整车高压线束采用带屏蔽功能线缆，要求屏蔽层密度不小于 85%，屏蔽层为镀锡铜编织网，电缆绝缘电阻大于 500 Ω/V，耐电压 2500V DC，工作温度范围为-40℃～125℃。为满足标准要求，线缆外部护套采用橙色，正、负极线缆外部 护套采用增加红、黑标识，图 2 为带屏蔽功能线束横截面结 构示意图。

 

2.1.2  规格选型

 

铜导线载流能力通常约(5～8)A/mm2，但随着温度的升高，铜导线载流能力下降。

 

表 1 不同线芯截面积对应的载流能力（GB/T 5013.2-2008）

 

 

表 2 不同温度下，不同截面电缆对应的载流能力实测值

 

2.1.3  电缆布置注意事项

 

纯电动汽车动力电池布置在车辆后方下底板中，电池前端引出的高压线束从车辆底板下面经过，离地面较近，需在线缆外部增加波纹管防护，以防止在行车过程中高压线束遭受到路面飞溅的石击等。

 

部分位置因为空间的需求，线束无法应用波纹管进行防护，可以考虑在高压线束外增加塑料线槽的方案来对线束进行防护。此方案具有以下优点：

 

（1）塑料线槽自身具有耐磨耐腐蚀的特性，能避免使用橡胶护套保护高压线束所带来的老化问题；

 

（2）塑料线槽能引导高压线束按特定的走向进行布置，使线束走向更合理、美观；

 

（3）塑料线槽能与线束做成一体，便于产品的成组供应，减少车间生产现场的装配工序，提高装车效率。

 

2.2 接插件选型

 

接插件选型原则如下：

 

a.依据导线线径和通过电流大小选用插接件；

 

b.布置在动力舱及其它有可能进水位置的接插件应该为密封插接件，防护等级应不低于 IP67；

 

c.对于水平布置的接插件，为避免接插件因伸出底座过长而承受较大的弯折力，优先选用弯式接插件；

 

d.在同一条线束中若用同一种接插件，其颜色或键位一定要有区别，即要做到颜色防错或键位防错；

 

e.优先选用汽车用高压接插件，无适合汽车用高压接插件时，可选用合适的航空接插件；

 

f.为保障整车安全，高压接插件必须带高压互锁结构。

 

2.3 熔断器选型

 

在实际进行保险丝选型时，通常用稳态工作电流确定保险丝的额定电流，用脉冲电流（相对 I2t）来确定保险丝的寿命。

 

电阻型的负载与电感型的负载尽量避免使用同一类型的保险丝。其中电阻型负载一般选用快熔型保险丝，电感型负载一般选用慢熔型保险丝。具体确定保险丝规格时，应根据电器件的最大连续工作电流计算确定保险丝容量，可按经验公式：

 

保险丝额定容量＝电路最大工作电流÷80%（或 70%）

 

表 3   熔断器分类表

 

 

车辆上共用三种电流模型：稳态工作电流、脉冲电流和浪涌电流，在实际应用中，大多数电流都是脉冲电流和稳态电流的叠加态。

 

 

图 3   三种电流模型图

 

熔断器的额定电流取决于标称工作电流，一般建议持续工作负载为熔断器额定电流的 75%，稳态电流计算方法如下：

 

 

If：理想的熔断器额定值；In：额定工作电流；RR：环境温度修正系数；

 

例如，高压电器额定工作电流为 15A，环境温度为 105℃，经过查表得环境温度修正系数为 88%，计算得理想的熔 断器额定值为 22.7A，则选择最接近的且大于计算结果的 25A 规格熔断器。

 

脉冲电流不包含稳态工作电流，熔断器必须承受足够的 脉冲次数和一定时间持续的稳态电流，电流 I2t 和熔断器熔断 I2t 的比值得到相对 I2t，即

 

 

其中，脉冲电流的 I2t 计算方法如下：

 

 

 

图 4   脉冲电流的 I2t 计算

 

熔断 I2t 是熔断器在熔化过程中电流转换的热能，熔断器熔断 I2t 计算方法如下：

 

图 5   保险丝熔断的 I2t 计算

 

每一种熔断器都有自身的脉冲周期曲线，通常选定相对I2t<30%,再来确定熔断器的寿命是否满足设计要求。

 

 

 

图 6   相对 I2t 对保险丝寿命的影响

 

图 7 是负载为脉冲电流的高压电器工作时的电流曲线图，计算脉冲电流 I2t=0.1s*10A*10A=10A2s。

 

 

图 7   脉冲电流示意图

 

以某品牌熔断器熔断特性为例，熔断器熔断 I2t=26A2s。

 

图 8   某品牌保险丝性能参数表

 

 

计算得，相对 I2t=10A2S/26A2S=38%

 

查该型号熔断器的脉冲周期曲线可知，在承受如下图所示的电流时其寿命大概为 10000 次，如下图所示。

 

 

图 9   保险丝脉冲周期曲线

 

2.4 继电器选型

 

继电器分为电流式和电压式 2 种,常用的为电压式继电器。一般根据用电器的功率和开关的承载能力来决定是否选 用继电器。继电器按驱动线圈的额定电压可分 6V、12V、24V 三种，常用的继电器额定电压为12V。

 

继电器的选型原则如下：

 

a）对于阻性负载，由于没有较大的冲击电流，触点损伤比较少，以额定控制容量为标准来选择继电器。

 

b）对于电容或电感性负载，由于有较大的冲击电流值，且达到冲击峰值的时间较短，开闭时产生的电弧可能对触点产生较大的损伤，易发生触点粘连，在实际使用中应在分析负载电流值特性的基础上选择具有一定余量的继电器，即应选用具有比负载电流大一级别的触点最大允许电流的继电器。

 

c）对于信号继电器，在操作电压降低到 80％额定电压时应能动作，即开始复位动作。

 

选用继电器要参考的技术要求：①可靠性好；②性能稳 定；③质量轻、体积小、寿命长，对周围元器件影响小；④ 结构简单、工艺性好、成本低。

 

2.5 熔断器与高压电缆、继电器匹配方法

 

2.5.1 熔断器与高压电缆线径匹配方法

 

 

图 10   不同规格保险丝和导线的电流－熔断时间特性曲线

 

熔断器与高压电缆线径的匹配原则是在电流—时间特性 曲线中，熔断器曲线要低于高压电缆曲线图12（a），熔断器 曲线与高压电缆曲线不宜相交图 12（b)。即流过相同值的电流时，熔断器要先于导线断开，从而达到保护电路的目的。

 

 

（a）                            （b）

 

图 11   保险丝与导线线径匹配示意图

 

图 11 显示了熔断器与不同电缆线径的匹配关系，图11（a）为额定电流 40A 的熔断器与线径为 2mm2 的电缆的电流－时间曲线；图 12（b）为额定电流 50A 的熔断器与线径为 2mm2 的电缆的电流－时间曲线。由图可知当回路中流过 100A 的电流时，40A 的熔断器将先于的2mm2电缆 3s 左右熔断，从而达到保护回路的目的；而 50A 的熔断器则可能与 2mm2电缆同时熔断，无法达到保护回路的目的。

 

2.5.2  熔断器与继电器匹配方法

 

继电器最大控制容量中的触点最大允许电压应大于熔断 器的额定电压；继电器最大控制容量中的触点最大允许电流 应大于熔断器的最小熔断电流。

 

2.5.3 继电器与高压电缆匹配方法

 

同一温度条件下，高压电缆所允许流过的最大电流应大 于继电器触点最大允许电流，即在图 12 的环境温度—导线最大电流曲线中，与每一规格导线匹配使用的继电器触点最大允许电流点应位于该导线电流曲线下方。

 

 

图 12   环境温度—导线最大电流曲线

 

 

3   某纯电动汽车高压配电系统匹配应用 

以某主机厂一款纯电动汽车为例，各高压部件规格如表4 所示。

 

表 4   某纯电动汽车高压部件规格表

 

基于上述核心零部件选型原则，确认各回路熔断器、继电器及电缆线径规格如表 5 所示。

 

表 5   高压配电系统核心零部件选型表

 

 

最终形成整车高压配电系统原理图如图 13 所示。

 

 

 

图 13   某纯电动汽车高压配电系统原理图

 

 

4   总    结   

 

本文针对新能源汽车高压配电系统开发设计原则及方法进行说明，主要对配电系统中核心零部件，如高压电缆、接插件、熔断器和继电器进行选型说明，确保该配电系统在工 作过程中安全、可靠。并以某款纯电动车为例，对高压配电系统核心零部件进行匹配选型。后续如有需要，可根据此车 电气架构的变化对本方案进行调整以达到功能、性能的优化与提升。