Plug-in混合动力汽车高压系统安全设计

邓海文　刘金配　罗儒　戴永强　黄祖朋　邵杰

摘 要：本文介绍了Plug-in混合动力汽车高压系统的组成，从电气安全、布置安全、控制管理三个方面对高压系统安全设计进行分析，为混合动力高压系统安全设计提供了方法和思路。

关键词：电动汽车 高压 安全

Safety Design of the Plug-in High-voltage System of Hybrid Vehicle

Deng Haiwen Liu Jinpei Luo Ru Dai Yongqiang Huang Zupeng Shao Jie

Abstract：This article introduces the composition of plug-in hybrid electric vehicle high voltage system， analyzes the high voltage system safety design from three aspects of electrical safety， layout safety， control management， and provides methods and ideas for the safety design of hybrid high voltage system.

Key words：electric vehicle， high-voltage， safety

1 前言

随着电动汽车技术的发展，越来越多的电动车已经走向市场。相比纯电动汽车，混合动力汽车的低使用成本和高续驶里程更容易被消费者接受[1]。但电动汽车的安全问题一直是制约和阻碍电动车发展的重要因素，消费者对混合动力汽车也一样怀着迟疑和谨慎的态度[2，3]。因此，高压系统安全是混合动力汽车设计时必须研究和解决的问题。本文从系统设计的角度出发，对Plug-in混合动力汽车的高压系统设计提出安全要求，保障电动汽车安全运行和使用。

2 Plug-in高压系统组成

如图1所示，Plug-in的高压系统从功能上划分成6个高压子系统，分别为动力蓄电池系统、驱动系统、发电系统、充电系统、附件系统和高压配电系统。

3 Plug-in高压系统安全分析

高压系统的安全包括各子系统的电气安全、布置安全和安全管理三个方面，子系统安全直接影响了电动汽车的安全性和可靠性。与纯电动汽车相比，Plug-in混合动力汽车不仅仅是多了一套发电系统，它在电气安全、布置安全和安全管理方面提出了更高的要求。

3.1 电气安全

高压电气原理用于表达高压系统中零部件之间的电气关系，是高压系统安全工作的基础。高压电气原理安全合理，确保高压子系统的相互协调和独立工作，当非关键子系统发生故障时，应不危害或影响其他的子系统正常工作。

高压子系统一般不具备自主的备短路和过流保护能力，发生过流或短路时，需要高压电气系统各零部件能及时切断高压电气回路，保证高压零部件的安全。

高压配电盒是负责高压子系统电气连接的关键部件。高压配电系统负责高压系统中其他子系统的电气连接，以及动力蓄电池系统、驱动系统、发电系统和附件系统的安全。当系统回路发生短路和过流故障时，通过熔断器切断该系统的电气连接，以保护系统设备的安全。高压配电系统中的单芯电缆、熔断器和继电器等，其耐电压等级应大于高压电气系统的电压平台。并且，高压系统中的电器元件的交流电压平台和直流电压平台要相对应。

高压互锁检测是检测高压系统回路的电气连接是否正常，开盖检测用于检测高压系统零部件是否被打开[4]。当高压系统工作时，必须保证高压系统的电气回路的连接是可靠的，高压零部件是完整密闭的。否则将造成系统的高压电外露和系统零部件的工作不正常，严重时可能会产生电击和零部件损坏。

动力蓄电池是整个高压系统的核心，它的安全由电池管理系统（BMS）和整车控制器（VCU）负责监控和协调，应注意以下几点：（1）动力蓄电池的总正、总负应设置继电器，用于动力电池的上下电管理。（2）动力蓄电池主回路中设置快速熔断器，实现过流保护。还应设计电流检测，以实时检测高压系统的电流大小，当发生短路或过流时，及时的断开回路。（3）动力蓄电池应设计过充过放检测，以防止过充或过放对蓄电池造成伤害，危害高压系统安全。（4）动力蓄电池应具备温度检测能力，确保动力蓄电池的电芯处于正常工作的温度。（5）高压电气系统应具备实时绝缘检测能力，防止高压系统的绝缘失效造成的危险。

3.2 布置安全

高压系统的布置安全是指高压系统在布置时，其机械性能、环境性能需满足系统的安全工作要求。高压电气系统的布置安全首要原则为安全可靠，此外，还需满足整车的机械性能和环境性能。机械性能包括以下几个方面：弹性、塑性、刚度、时效敏感性、强度、硬度、沖击韧性、疲劳强度和断裂韧性等;环境性能包括以下几个方面：高温、低温、温度、湿度、盐雾、振动、噪声等。在不同的布置环境下，高压系统的性能应不受影响。

3.3 控制管理

控制安全是指高压系统在高压控制和高压管理的逻辑上要满足高压系统的电气安全和整车的行驶安全要求。

电机控制和空调压缩机等高压零部件一般为容性负载，初始上电时应对高压容性负载进行预充电[5]，防止瞬态电流对零部件和电路进行冲击。只有当预充电完成后，才可以闭合主回路的继电器，当主回路的继电器闭合后，再断开预充继电器，此时，容性负载回路的上电才算完成。高压系统零部件上电时，应考虑高压继电器的动作时间和触点弹跳时间，确保高压继电器正常接合后，再进行下一步的操作。预充时，除考虑预充过程时间外，还应判断预充电路的电压是否达到端电压的90%以上，以确认预充电是否完成。当两个条件都满足时，才能闭合零部件的继电器。高压系统的上电逻辑顺序如图2所示。

高压系统零部件下电时，需考虑高压继电器的复位时间。程序执行关联的继电器下电时，应预留足够的延时时间，确保高压继电器正常断开后，再进行下一步的操作。高压系统的下电逻辑顺序如图3所示。

高压电气系统在工作时，对高压系统的安全和用电管理进行实时监控。包括动力蓄电池系统信息、驱动系统信息、充电系统信息和附件系统信息等。同时根据各子系统的运行信息和整车状态来进行用电管理和故障诊断，确保高压系统的运行安全。

高壓系统在运行时，只有在安全状态和用电需求满足响应条件时，才能执行相关的上下电动作，当不满足上下电响应条件时，应拒绝执行相关动作，并发出警告信号[5]。如系统运行时，突然将钥匙开关打至OFF档，此时高压系统不应立即下电，应按正常的下电逻辑，断开用电零部件的高压继电器后，再依次断开电池包的总正、总负继电器。

当电动车高压电气系统零部件损坏或进行维修时，高压电气系统进入故障模式。在故障模式下，高压电气系统的安全至关重要。在此情况下，高压电气系统应根据故障等级的高低，优先响应处理安全等级高的请求，再依次响应处理安全等级低的请求。根据故障等级的不同，高压系统可以部分限制或停止高压电气系统的输出和响应。

4 结束语

混合动力系统安全设计关系着混合动力汽车的安全和发展，只有在实践中不断的探索，重视和研究混合动力汽车高压系统安全技术，才能让电动汽车的未来更为光明。

基金项目：广西科技计划资助项目（桂科AC16380043）;柳州市科技计划资助项目（2019AD10202）

参考文献：

[1]姜思君，陈俊杰，曲函师，冯海涛，贾国瑞，孙博. 混动汽车性能与控制策略对标方法研究[C]. 中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）.2019中国汽车工程学会年会论文集（2）.中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）：中国汽车工程学会，2019：320-325.

[2]方凯正，陈佚，刘沙，郭苑，胡苧丹.新能源汽车安全分析及发展建议[J].汽车实用技术，2020（04）：16-18.

[3]张世伟.浅谈混合动力电动汽车的发展策略[J].中国设备工程，2019（22）：205-206.

[4]黄义勇，李德贵，申慧君.基于“安全策略”的电动汽车高压互锁系统研究[J].汽车维修，2020（02）：2-4.

[5陶文勇.新能源电动汽车高压安全系统分析及优化方案[J].电子产品世界，2020，27（06）：56-58.