电动汽车动力电池系统电连接的研究

朱楚梅，康森源

（广汽菲亚特克莱斯勒汽车有限公司，湖南 长沙 410100）

近年来随着新能源汽车的日益发展，积极响应国家节能减排，发展循环经济的号召，车企研发了使用电力作为汽车的动力来源的电动汽车。电动汽车的三电系统之一——高压电池系统，是一个复杂的集成体，由电芯模组、BMS（电池管理系统）、高压配电盒、MSD、电连接、结构件和上下壳体组成。其中电连接包含高压电连接和低压电连接，低压电连接作为电池电气系统的神经网络，实时传输各类检测信号和控制信号；高压电连接作为电池电气系统的动脉，实时将电池的动力提供给各个驱动部件，高低压电连接共同为电动汽车的安全运行提供保证。

1 动力电池电连接技术概述

1.1 动力电池的电压平台

电动汽车与传统车的最大区别在于其工作电压平台高达几百伏，远远高于人体安全电压，且高压系统工作时放电电流有可能达到数十安，甚至高达上百安［1］。参照相关国家标准，将按照系统的最大工作电压U，将电气元件或电路分为A、B两个等级［2］，如表1所示。根据电压级别A涉及动力电池系统低压电连接，电池级别B涉及动力电池系统高压电连接。

表1 电压等级

1.2 动力电池系统的电气连接

动力电池系统的电气连接形式如图1所示，模组与模组间、模组与高压配电盒间属于高压电气连接，起到传递电流的作用，通常颜色为橙色；而模组的温度、电压信号以及高压配电盒的低压控制回路信号属于低压电气连接，起到采集数据、监测和通信的作用，高低压电气连接系统有效保障了动力电池系统的安全运行。

图1 动力电池系统的电气连接

2 低压电连接系统的设计

2.1 低压电连接系统的技术要求

相比较传统低压线束，动力电池系统的低压连接具有以下特点。

1）轻量化。随着政府补贴与能量密度的挂钩，动力电池轻量化压力更一步加大，动力电池企业对所有结构件 （包括线束）均设计新方案、新材料和新工艺用来提升电池的能量密度。

2）体积小。为了提高电池体积比能量，最大程度地利用每一寸空间，因此线束排布需要更加紧凑。

3）便于自动化生产。由于传统线束需要大量繁杂的人工排线工作，局限了动力电池的大规模生产，因此亟待开发适合机械规模化的技术方案。

4）可靠性高。高、低压线束同时布置在动力电池中，需要有效规避高压线束对低压产生干扰的风险，以保障电连接与控制模块的正常通信功能。

5）成本优。动力电池成功实现规模推广，首先必须通过控制的是电池成本，只有过好“成本关”，才能让电动车具有与燃油车相当的竞争力。

2.2 低压电连接系统设计

低压电连接是动力电池内部信号的采集系统和传输网络，首先通过电压端子和温度端子采集各电芯模组的电压和温度信号，并将各类信号传输给控制模块。2.2.1 低压电连接系统行业通用技术路线

动力电池内低压电连接的设计与传统车低压线束采用的导线、接插件及其选取原则相同，区别在于动力电池内部低压连接的主要功能是进行信号采集，并集成了监测动力电池温度和电压的相关传感器类部件或者端子。动力电池低压电连接系统共包含连接和采集两个部分。其中连接部分包括连接线、接插件和固定卡扣等；采集部分包括采集信号端子、连接线和接插件。而信号端子指温度采集端子和电压采集端子，温度采集端子多为片式线鼻端子，并在线鼻端子中封装温度传感器，而传感器的数量和焊接位置不同厂家采用不同的方式；电压采集端子多为裸露的铜线或者线鼻端子，焊接各个在电芯的正负极位置。

2.2.2 技术发展新方向

传统低压电连接系统，由于其体积大，挤占电池包空间，且装配依赖人工，难以实现自动化大规模生产。在动力电池能量密度提升迫切及轻量化势在必行的情况下，部分厂家使用一种能替代传统线束的新产品--柔性电路板FPC（Flexible Printed Circuit）。FPC线束形状规整、体积小，其厚度仅为0.5mm，宽度可依据电池包结构进行定制。FPC通过集成温度和电压采集传感器形成一体化线束，一体化线束不仅能实现电压和温度的采集，而且能助力于电池组的自动化生产，提高生产效率。

2.3 布线方式

干涉与间隙检查，确认线束布置是否满足不与其他零部件干涉的要求，包括是否线束周围支架干涉、是否与其他电气件的连接部位干涉、是否与电池包箱体内侧壁干涉、是否与电池上盖内侧面干涉。

3 高压电连接系统的设计

随着电动汽车对大功率、大倍率的需求，高电压和大电流回路是电动汽车的常态，当高压电路发生绝缘、短路及漏电等情况时，会直接对驾乘人员的人身生命财产安全造成危害［3］。本文从高压线缆的设计和高压接插件的设计两个方面进行分析，使高压电连接既保证整车驱动需求同时又满足车辆的安全运行。

3.1 高压电连接结构设计

通常情况下动力电池高压线缆承载的电流较大，需要较大横截面积的线缆，但是动力电池包内空间小，无法提供传统线缆所需要的装配空间，因此动力电池使用的导线具有高柔软性、良好的耐磨性及耐压性能，业内多采用图2所示的多层软铜排。软铜排是由单片厚度为0.03～0.5mm的紫铜箔叠加而成，铜排两端采用热压工艺进行热压，并在热压位置直接冲孔，用于铜排与铜排，铜排与模组引出口的连接，安装快捷方便。导体的外层是绝缘层，由挤塑或者浸塑工艺进行一体成型，绝缘层通常具有较好的耐高温性以及耐压性能，通常采用PVC材料。

图2 多层软铜排

3.2 导线载流能力设计

根据焦耳定律，导线产生的热量：

式中：I——流经导线的电流；R——导线的电阻；t——时间。

产热功率为：

系统散热有热传导、热对流、热辐射共3种形式，但是在工程上常采用牛顿冷却定律进行分析，牛顿冷却定律指出：导线处于自然冷却的情况下，导线的温度高于环境温度时，导线的散热的速率和温度差成正比，即：

式中：kτ——散热系数；θ0——导线的温度；θ——环境温度。

若物体表面散热处处相等，则物体表面总散热功率为：

式中：A——散热面积；kτ——散热系数。

根据相似理论推导出的散热系数的计算公式为［4］：

式中：θ0、θ——分别为发热体和环境温度，K；εf——发射率；l0——长度

根据热平衡原理，导线表面达到其稳定状态时，发热功率必然等于散热功率，有下列关系式成立。

因此，导线的过流能力为：

当某项目铜排宽为30mm，厚度为2mm，长为140mm时，且在室温25℃下，铜排温升不能超过35℃时，用上述方法算出铜排能恒定流经的电流为115A。

3.3 高压接插件的选配设计

线束接插件的作用是保证线缆与电器能够便捷可靠地连接与拆卸［5］。动力电池系统接插件的选型具有以下要求。

1）电性能。为了应对高压、大电流的使用工况，接插件通过高密度触片、端子表面镀银等技术，增加接插件的接触面积，降低接触阻抗，降低电阻耗能。

2）环境性能。工作温度为-40～125℃，具有IPX7的功能，实现与水的有效隔离，保证车辆涉水等恶劣条件下的安全性，阻燃等级达到UL V0等级。

3）机械性能。接插件有较优的耐振动和冲击的性能，不发生瞬断，满足车规级要求；带有二次锁和防误插功能；并满足插拔力和插拔次数的要求［5］。

4）带高压互锁功能。高安全性设计性能［6］。

5）防指触。为了有效防止高压部分与人员的接触，应该满足IPXXB的要求。

6）高耐压等级。耐压可达2U+1000VDC，U为动力电池的额定电压。

4 结束语

电连接系统是新能源电池的关键部件。本文分别对动力电池高／低电连接系统进行了系统的介绍，不仅包括低压电连接系统的设计要求、主流方案、布线方式，而且还介绍了高压电连接的新型连接方案，并对导线的载流能力进行了计算分析。总的来说，动力电池是蓬勃发展的行业，需要进一步进行技术创新，以推动电连接系统的变革性突破。