某品牌纯电动车高压系统安全措施浅析

李琦 鞠海鸥

摘要：近年来，随着国家新能源汽车战略发展规划的逐步落实，纯电动车在汽车市场的占有率逐年提升，技术更新日益加快，配套设施趋于完善。但纯电动车在使用安全方面故障频发，由于高压电池系统过充电、内外部短、断路、绝缘不良、电池碰撞破损等原因造成的火灾或爆炸事故频发，导致纯电动车安全问题成为影响消费者购买意愿的重要因素。某品牌纯电动车针对目前高压电池系统的存在主要故障，在产品设计研发时制定相应的安全措施，以降低高压系统的安全隐患。

关键词：纯电动车;故障分析;高压系统组成;安全措施

0  引言

目前，我国98.42%的整车生产企业都已开展新能源汽车或纯电动车的生产研发业务，自2015年起新能源汽车产销量增长迅猛，众多国际知名企业都在中国设厂量产纯电动车。伴随着纯电动车产销量的急剧上升，关于纯电动汽车起火、爆炸等严重事故的负面新闻也屡现媒体。如何保障纯电动车高压电池系统的使用安全成为汽车企业的重点研究方向。

1  纯电动车常见安全故障分析

目前市场主流的纯电动车多以高压锂电池为主体，因其电池比能量高、循环寿命长而得到企业的青睐[1]。锂电池虽在性能、成本、工艺等方面有其优势，但受限于电池材料、制造工艺、配套电气系统、温度影响等因素，尤其在复杂路况或突发事故（如碰撞或翻滚）情况下，容易产生电池热失控、高压电泄露、乃至起火爆炸等极端故障。由于纯电动车功能和结构特点，车辆主要故障集中在高压电系统，导致发生故障的主要原因有以下四类[2]：①高压电系统监控机制不全，一旦电池格发生内部短路，大量热能聚集从而引发火灾;②缺乏充电平衡机制，导致电池格之间充电不均，部分电池格长期亏电影响电池寿命;③高压电系统由于日常使用或事故导致线路出现接头松动或线路破损，出现绝缘失效;④在碰撞等极端情况下电池抗撞击能力不足，导致其内部发生损坏。

2  某品牌纯电动车高压电系统主要组成

某品牌在2019年发布全新纯电动车，配备高压蓄电池容量为240Ah，总电能为95kWh，额定电压396V。整车高压系统由蓄电池开关控制盒、蓄电池模块及模块控制单元、铝制緩冲框架，冷却系统、密封件，下保护壳等部件组成。工作温度在-28℃至60℃，采用液体冷却技术。

作为高压系统的核心部件，高压蓄电池由36个电池模块组成，每个模块由12个电池格构成，均配有温度传感器。3个电池模块为一组，由一个蓄电池模块控制单元控制，暨整块高压电池共有12个电池模块控制单元。蓄电池模块控制单元负责监测组内3个蓄电池模块的电压和温度，并通过子CAN线和与高压系统开关盒及蓄电池总调节控制单元进行通讯，由蓄电池调节控制单元控制、调节组内各电池模块的电量使用分配情况。蓄电池壳体通过一根等电位线与车身相连。

安装在蓄电池上方的高压系统开关盒，是蓄电池对外输出能源的总开关。包含电压测量和绝缘监测控制器、高压蓄电池电流传感器、保护电阻、HV正、负极，切断点火器等部件。安装在A柱侧面的蓄电池调节控制单元是高压电系统的总指挥，通过CAN总线与高压开关盒相连，根据车况需求控制电池充放电，并将其信息收集反馈到CAN网络中，对电池使用情况进行实时监测。高压系统配有自锁安全插头及3条环形安全线，防止误插拔和高压电泄漏。

高压系统有独立变压器、双充电器和多种接插座，并配有加热冷却部件，可实现驻车空调、电池预加热、液态冷却等功能。

3  某品牌纯电动车高压系统安全措施

从该车高压系统的结构组成发现，该车的高压系统在抵抗冲击、绝缘检测、温度控制、充电保护等方面更为优异，主要表现为：

3.1 碰撞防冲击措施

该车底盘采用高强度热压成型钢材，将高压蓄电池直接集成在车底承载结构上，电池整体强度提升，防止车辆在侧面碰撞时电池扭曲断裂。蓄电池外壳采用挤压型材和铝铸造节点的框体结构，增加了对柔性电芯和电池模块的保护效果。车辆底部有铝制防护板，有效减少复杂路况（例如石子或水渍）可能对高压蓄电池产生的冲击和腐蚀。

一旦车辆发生碰撞事故，高压蓄电池开关盒中装有与安全气囊控制单元单独连接的导线，在接到碰撞信号后，盒中的高压切断点火器（软体）会对碰撞信号进行分析，判断撞击级别，必要时直接断开高压接触器，使高压电路系统紧急断电或降压，避免因电池损坏而导致的高压电泄漏情况。另外，当高电压系统启用时，车载电脑通过开关盒对整车进行持续的自诊断检测，当发生如保养插头断开，接触器端子的供电保险丝断开等情况时，高压接触器也会脱开以保证系统断电安全。

3.2 电池格平衡措施

在充电过程中，常发生某个电池格已100%充电且充电过程已经结束，但整个高压蓄电池仅充电90%以上的情况，如何在充电时尽量让蓄电池达到最大充电量，以提高电池利用率延长电池寿命，这就需要电池格平衡措施。所谓平衡，就是通过电池格配套的电阻让先充满电的电池格放电，以便能继续为其他电池格充电，最终所有电池格都达到同样的充电水平[3]。为实现这一个功能，需要对每个电池格都进行精确管控。

该车在充电时，蓄电池调节控制单元会根据此时的充电状态及充电的电压和电流，结合12个电池模块控制单元反馈信息，对各电池格的电压进行比较估算，如果某个电池格组的电压较高，其对应的模块控制单元就会收到平衡信息。在充电时，各模块之间的电压差距超过1%时，就开始进行平衡管理。在点火开处于关闭状态，或者蓄电池充电状态高于30%时，都可以执行平衡过程。

3.3 蓄电池绝缘监控报警功能

纯电动车高压蓄电池直流电压一般在350V以上，一旦发生绝缘体漏电，轻则降低车辆功率，重则引发火灾或导致人员触电。所以必须要有绝缘监测机制。该车采用低频信号注入法，电压蓄电池开关盒负责整车漏电检测，利用电压测量和绝缘监测控制器，每30s用高压电网上的系统电压进行一次绝缘测量，根据各元件反馈信息，识别高压回路上的是否有绝缘故障。如果有绝缘故障，开关盒和蓄电池模块控制单元向蓄电池调节控制单元发布信息，调控单元经过计算评估后，再通过数据总线诊断接口向组合仪表控制单元传递数据，如绝缘电阻值较小说明漏电不严重，组合仪表控制单元点亮黄色警示灯，车辆可以继续行驶且可以再次驱动;如果绝缘电阻值极小说明漏电严重，则点亮红色警示灯，车辆一旦停止将无法激活驱动系统。驾驶员即可根据组合仪表上的亮灯信息判断车辆绝缘状态。

高压绝缘监控还需要车载安全线配合，该车安全线由三部分组成，均为环路结构。主安全线将蓄电池调节控制单元、电动空调压缩机、高电压加热器、保养插头和高电压蓄电池开关盒串联成环形，以便蓄电池调节控制单元将一个10mA的电流信号送入安全线，用以检测线路闭合情况。变压器和高压蓄电池充电器也各有安全环线，一旦发生故障，监测数据同样通过CAN总线传输到数据总线诊断接口，并通过仪表控制单元将提示信息反馈在仪表上。

3.4 高压系统温度控制功能

高压线路发生短路故障时，易在局部产生异常高温，从而引发火灾。该车的电池模块控制单元利用每个电池格的温度传感器监测其温度情况;温度信息在高压电池控制调节单元中进行数据计算，在温度较低时，控制单元会向温度管理控制单元发送电池加热的指令，由高电压加热器给蓄电池加热，以便恢复活性产生驱动;在温度较高时，由温度管理控制单元通过LIN网向控制单元提供的参数，使其激活电动空调压缩机给蓄电池液体散热降温。除此之外，在高电压蓄电池充电器中带有充电插座温度传感器，可以监测充电接头的温度，一旦充电温度过高将对充电系统进行断电保护，防止充电起火。

4  高压系统未来升级方向展望

高压系统技术虽然日趋成熟，但还有更大的成长空间，其中在高压系统远程网络诊断，电池格独立运作管理，过充、放电控制，电池容量扩充、智能网联等方面还有待设计者进一步研发完善。

参考文献：

[1]梁波.锂离子电池安全性能研究[M].长沙：中南大学出版社，2014.

[2]陈泽宇，熊瑞，孙逢春.新电动汽车电池安全事故分析与研究现状[J].机械工程学报，2019，55（2）：93-104.

[3]高飞朱，艳丽，齐创，等.锂离子电池安全事故激源浅析[J]. 电源技术，2019，43（3）：453-457.