电动汽车动力电池系统电气架构及设计

南京军上电子科技有限公司 杨上东 赵 杰

电动汽车动力电池系统的电气架构是保证人员和设备安全的关键，因此在开发前期，必须从全局考虑进行电气架构的总体设计。本文介绍电池系统的电气架构的定义，详细阐述电气架构设计步骤，包括需求分析、设计原则、方案规划、方案分析、方案选择等。

1 背景

随着全球各国禁售燃油车时间表的相继公布，以及各大车企在新能源汽车领域的全面发力，电动汽车目前处于飞速发展阶段。电池系统是新能源汽车的核心零部件之一，负责提供并且回收能量，具有高电压和大电流等特点，通常高压系统在300V以上，工作电流超过300A以上，对电动汽车的安全性尤为重要。对于电池系统，合理的电气架构在实现功能的同时，可降低不必要的安全隐患，本文就电池系统的电气架构及设计展开论述。

2 电池系统电气架构的定义

电池系统电气架构是由一系列电池系统相关联的电气及电子部件组成的集合。这种关联性可以体现为结构级、动力级及信号级等多种类型，考虑功能、法规和特殊设计要求的同时，对成本、性能、功能、装配和维护等方面进行分析进而得到的最优电气系统模型。

3 电池系统电气架构设计

电气构架设计包括设计输入、方案设计等内容，范围广阔，且相互之间有多种联系。以下对各步骤进行详细阐述。

3.1 设计输入

需求及目标的定义是电气架构设计的输入和目标，关系到设计的成败，通常应至少包含以下几个方面。

3.1.1 通用需求

（1）电压检测

实时对电池系统内每串电池单体电压及系统高压（包括电池总压、母线电压等）进行测量，高压采集精度和实时性要求，应能满足系统诊断、继电器控制、功率计算等不同功能需求。

（2）预充电管理

闭合高压回路时能够进行预充电管理，能进行预充电回路失效检测，以满足整车高压系统上电要求，预充电压具备独立采集的能力。

（3）温度检测

合理布置温度传感器，实时对电池系统内每个电池模组温度进行测量。温度传感器的布置数量和位置，应结合电芯模组一致性、电池系统热流场分析、电池及整车高低温试验等最终确定，过多的温度采集会带来布置难度和成本浪费。

（4）电流检测

实时对电池系统总电流进行测量，电流采集元件需具有互换性，可采用独立模块方式设计。

（5）热管理

热管理是电池系统发展的热点技术，尤其是液冷技术的发展，对电气系统的设计提出更多的要求。电池系统应能支持冷却泵、不同通路的电磁阀、空气PTC、过水PTC等驱动控制能力。

3.1.2 高压安全

电动汽车安全通常包括功能安全（刘佳熙,郭辉,李君.汽车电子电气系统的功能安全标准ISO26262[J].上海汽车,2011(10):58-61）、碰撞安全、高压安全、EMC安全等多种安全概念，跟动力电池系统电气架构关系最紧密的是高压安全。高压安全的核心要求是避免人员发生触电危险，在进行设计分析时需要全面考虑各种应用场景，通常应包括：

（1）车辆正常操作，如：行驶、停车、转向等；

（2）充电，包括：快充和慢充，更具体的可以分解为更细致的情况，本文不再详述；

（3）车辆保养、车辆维修；

（4）车辆拆解、车辆废弃管理；

（5）碰撞；

（6）事故营救。

跟高压安全相关的电气系统设计，主要包括：

（1）高压继电器

高压继电器是电池系统的阀门，出现断路和粘连都会带来安全风险，因此电池系统电气架构中高压继电器的选取也是很重要的一环。选择高压继电器要参考需求的额定电流、额定电压、峰值电流持续时间、充放电峰值电流以及车辆的运行模拟工况等等，使用寿命参考峰值电流。设计中需要引起重视的细节，是在短路时，高压继电器的失效时间要比熔断器失效时间长。

（2）高压互锁

为保证人员的人身安全，电池系统电气架构应设计高压互锁，即用低压回路信号检测高压回路的完整性，以提升安全性能。电路设计应考虑两点：一是低压检测回路需要完整检测电池系统每个高压连接器及手动维修开关的连接状态；二是要实现低压检测回路比高压先接通，预留电池系统采取措施时间。针对不同项目，高压互锁实现形式不同。

（3）绝缘检测

绝缘失效会导致高压直接伤害人体，因而绝缘检测是电池系统电气架构的重要设计环节，由于电池系统属于带电体，一般检测电池正极对地、负极对地的绝缘电阻来判定绝缘性能。绝缘检测方式有两种：一种是电阻测量法，一种是信号注入法。

（4）碰撞保护

汽车发生严重碰撞可能会造成电池系统挤压形变，电池系统很容易造成短路起火等安全事故，因而碰撞保护是电池系统电气架构必须考虑的设计环节。碰撞保护的关键是第一时间切断高压，碰撞响应时间尤其关键。碰撞信号传输分为CAN信号和硬线信号，如何在最短的时间识别出碰撞信号并采取动作成为设计人员需要考虑的一大难题。除了切断高压，电气架构中还应考虑在电池组内部增加熔断器及分压接触器等电器件来极大降低短路和触电事故的概率。

（5）手动维修开关

手动维修开关在进行维修的时候要能够手动切断高压，自动断路器在系统出现故障时能接受电池管理系统的控制切断高压系统。

3.1.3 其他需求

随着技术的发展，电池系统会迎接更小的体积、更高的功率、更大的负载等需求，对于更高的功率要求更高的电压，这带来了更严格的安全性考虑；对于更大的负载要求更高的电流，电池系统也会温升更高，可能因更高的频率要求更好的EMC保护；无线通信方式有已一定发展，电气功能模块化亦在不停演变；所有的这些都需要电气架构的支持，是电气架构发展的未来需求。

3.2 方案设计

3.2.1 总体原则

电池系统电气架构设计原则（朱建新,郑荣良,卓斌,等.电动汽车高压电安全诊断与控制策略的研究[J].汽车工程,2007(4):308-212）：（1）各高压部件尽量使用独立继电器控制，确保部件不工作时不带电；（2）电池系统内部和外部高压部件使用的保险丝盒要隔离，防止外部保险丝检修或更换会影响电池系统内部的防护等级；（3）特性相近部件尽量共用继电器，以减少继电器数量；（4）尽量减少电池系统电气接口的数量。

3.2.2 方案规划

同一种功能的实现可以有不同的途径，电气架构分析之前应对不同途径进行总结，然后设计成不同方案来分析。下文将围绕一个具体案例进行分析，对于一种含有慢充、快充、主回路的两种典型电气架构方案：方案一是将慢充回路单独作为一路控制，方案二是将慢充回路并入主回路，当进行慢充时由主回路进行充电。想比较而言，方案一布置更为灵活，但方案二部件重用度高成本更优。下文将详细论述过程。

图1 方案一

图2 方案二

3.2.3 方案分析及设计

设计好所有方案后，需要对每个方案来具体的分析。电气架构的内容分析较为广泛，大致由电源分配、网络通讯、原理设计以及线束设计等四个部分。这四个部分内容既相互支撑，又互有交叉。

图3 电气架构分析内容示意图

3.2.3.1 电池系统配电盒BDU

整个BDU包含高压继电器、继电器驱动电路、电流传感器、预充电阻以及保险丝等，主要作用是保证电池系统与外界的关断，是电池系统电气架构中一个具体实现。

3.2.3.2 原理设计

电气原理图是电气架构设计的中心环节，是其他技术资料制作的依据。

（1）确定电气设计任务书。

（2）确定电气低压控制方案及高压采集方案。

电池系统包括低压系统和高压系统。低压部分包括：低压电源，信号采集与输出，CAN网络，为确保EMC性能，CAN网络屏蔽地应搭铁；系统高压采集部分，包括单体电压采集 、温度采集以及系统高压采集。

（3）电器件选型，包括高低压接插件、主继电器、预充继电器、充电口、电流传感器、预充电阻、风扇、手动开关、保险丝等。在选择时在满足各具体功能要求时，不能忽略考虑工作温度、海拔高度、持续耐压和短时耐压等基本需求。

（4）将各部分连成整体，绘制电气原理图，要体现各部分技术要求及参数。

（5）插接件及导线选型。

考虑导线线径、导线电流以及插接件固定方式等因素选取插接件，定义插接件各接口信号，插接件视图方向要和线束图纸上的视图方向保持一致。选取导线时，要考虑导线电流、压接机械强度、电压降、导线使用环境温度等因素，定义导线的种类、线径、颜色，注意CAN线要用屏蔽线。

3.2.3.3 网络通讯及EMC

对于分布式电池管理系统，主机与各从机之间，目前广泛采用的是CAN网络，设计时要确认各子模块相互通讯接口信息、评估网络通信要求、设计通信线束。目前为降低成本，也有采用菊花链通信的形成，但稳定性相对CAN网络低一些，在开发时需要全面平衡。

3.2.3.4 线束设计

线束是电气架构分析的实物输出，是电气原理在电池系统中的具体实现。线束设计要依据电气原理图、电池系统模型来确定线束的种类、长度、颜色、走向等，同时考虑到线束在电池系统内所处位置做出相应防护。

4.总结

本文介绍介绍了电动汽车动力电池系统电气架构如何建立完整的需求，针对这些需求，如何进一步开展方案分析、规划和具体设计工作，最终选择最优的技术方案。电气系统设计是动力电池设计的关键内容之一，良好的设计不仅能带来电池性能的提升，更重要的是为乘客提供了安全的保障。