电动汽车高压电器盒的技术发展*

赵平堂

（天海汽车电子集团博士后科研工作站，河南 鹤壁 458030）

高压电器盒（图1）简称PDU（Power Distribution Unit），是电动汽车电器系统中的主要电器部件，由高压熔断丝、高压继电器、高压连接器等组成[1]。通过铜排及线束实现高压元器件电气连接，为电动汽车高压系统提供充放电控制、高压部件上电通断控制、电路过载/短路保护、高压采样、低压控制等功能，保护和监控高压系统的运行。电动汽车通过HCU（整车控制器）对该模块的信号进行控制，从而对电动汽车的回路起到电源分配的功能。另外，该模块可以为HCU提供信号源，HCU通过对信号源的反馈检测，可以对整车状态进行监控，从而提高整车高压系统的安全稳定运行。高压电器盒的工作电压为数百伏，远远超出了人的安全电压，因此防护等级要求很高，各电子器件、传输线路以及高压连接器耐压能力要求较高。大电流的工作环境要求回路的载流能力强。高压电器盒在电动汽车中的位置，恰好处于驱动电源和功能部件的中间，因此，该模块的电磁兼容也非常重要。高压电器盒设计技术也成为电动汽车行业的研究热点之一。

图1 一种高压电器盒

1 高压电器盒的散热技术

由于高压电器盒承载的电流较大，如果散热效率低，在电器盒内的部件快速升温时无法及时将热量排出，导致部件烧毁的概率较高，易出现热集中问题而出现安全事故。目前高压电器盒一般采用铝合金壳体，既减轻质量也可以提高散热性和屏蔽性[1-2]。于林等[3]在高压电器盒设计中，以固定架作为整个高压电器盒的支撑结构采用铝合金支架代替塑料（图2），散热性能好，可将电器元件产生的热量及时散出去，有效提高了电器元件的使用寿命。潘功洪等则设计了一种主动散热的高压电器盒（图3）[4]，主体内腔的底部安装有用于给主体内的部件快速导热的导热组件，导热组件中铜底会吸收主体内腔部件的热量，且热量会迅速传导至铜管内，使铜管内的液金汽化而将热量快速传导至两块散热鳍片，实现热量的迅速排出，大大降低了由于部件迅速升温而导致烧毁的概率。

图2 一种高压电器盒装置的爆炸图

图3 一种高压电器盒整体剖视图

2 高压电器盒防瞬间大电流冲击

电动汽车空调系统以及变压器等整车高压器件通过电动汽车的启动开关与电池包连接，电动汽车的启动开关闭合时，整车高压器件瞬时也被加上了高压电，由于高压电上电瞬间会产生极大的冲击电流，可能对整车高压器件造成极大损害。针对此问题，唐德钱等[5]设计了一种新能源汽车高压电器盒（图4），增加了上电保护支路，上电保护支路与主继电器并联，用于限制所述上电保护支路所在回路的电流，且该支路上串联有上电保护继电器，上电保护继电器上设置有用于电池管理系统BCU接入的控制线路接入线，上电保护支路中串联有限流电阻。在高压上电时，首先控制上电保护继电器闭合，然后再将主继电器闭合并将上电保护继电器断开，由于在上电保护继电器闭合且主继电器断开时，电流经上电保护支路流入到电机控制器，由于上电保护支路为限流电路，因而上述电流对电机控制器的冲击较小，然后闭合主继电器，则电机控制器中的电流逐渐增大，有效避免了高压上电瞬间冲击电流对电机控制器及其他高压电气部件所造成的冲击，实现了整车安全上电。陶颖等[6]也通过保护继电器和限流部件串联后与主正继电器并联，通过限流部件和第一支路至第六支路上的熔断器的设置（图5），避免了电动汽车的启动开关闭合瞬间产生的高压电形成的冲击电流冲击任一整车高压器件损坏现象。

图4 一种高压电器盒的电气原理图

图5 高压电器盒的结构框图

3 高压电器盒密封

电动汽车在行车过程中，常遭遇雨水、下雪等恶劣天气，以往高压电器盒防水垫多采用O型密封圈或平垫式密封圈设计，无法满足IP67等级的要求。高压电器盒在进水后，易出现绝缘故障，造成动力中断。针对此问题，陈世娟等[7]设计了一种高压电器盒的密封结构（图6），包括设置于上盖和壳体之间的密封圈，密封圈的横截面为U型，密封圈嵌装在壳体的U型卡槽内，密封圈顶部的两条密封边与上盖抵接，密封圈侧面设有至少一个凸起部。由于采用了横截面为U型的密封圈，因此，密封圈可以通过两条密封边对上盖进行密封，起到双重密封的效果，提高了密封效果，而且密封圈侧面的凸起部可以与壳体的U型卡槽过盈配合，连接牢固，无需胶水粘合，便于密封圈的拆装和更换。

图6 U型密封圈在高压电器盒中的装配结构

4 高压电器盒过载保护

汽车通常在大功率的电力下运行，高压电器盒内电压高达700V（DC）以上，电流高达400A。在高压电器盒工作时，若长时间严重超负荷运行，高压电器盒内高压零部件加速老化缩短使用寿命或严重引发火灾。目前多通过能源控制器，并通过一定的逻辑算法计算、分析判断后发出过载保护指令，此种方法数据处理时间长，导致过载时过载保护装置反应迟钝且造价高。针对现有技术存在的不足，朱承明等[8]设计了一种新能源汽车高压电器盒的过载报警系统（图7），包括功率信号放大电路、振荡电路、过载报警电路、过载保护电路，功率信号放大电路连接振荡电路，振荡电路连接过载报警电路，过载报警电路连接过载保护电路，模拟功率信号经比例放大，转换为一定频率的方波信号，过载时方波信号一路触发晶闸管导通，驱动三极管接通报警器发声报警，另一路经电阻R8、电解电容C4延时3s后，驱动过载继电器吸合，断开的常闭触点切断高压电器盒到电动机接线端的供电电源进行过载保护，有效解决了目前采用多能源控制器过载报警系统数据处理时间长，导致过载时过载保护装置反应迟钝且造价高的问题。

图7 一种报警电路连接原理图

5 高压电器盒中线路板（PCB）应用

高压配电盒在工作中，需要满足整车的高电压环境，以及各个负载部件（车载充电机、PTC、DC/DC等功率部件）的电流承载能力。同时，由于高压电器盒中正负双回路原理形式以及高压互锁回路、开盖保护回路、信号检测回路、继电器控制等回路的存在，使得电气设计非常复杂，回路交叉严重，易造成工作不稳定且使用安全性较低。王大然等[9]（图8）采用高压PCB板与外部高压线束连接，保证了高压系统电气间隙和爬电距离，提高电流承载能力，通过利用低压连接器和高压连接器使线束端与高压PCB板连接，从而实现各电路高压互锁功能，简化了装配工艺，提升总成安全性能，增强系统稳定性和使用安全性。于林等[3]（图2）也在高压电器盒内使用多层线路板，有效减小线束的布局混乱状况，节省空间，提高了集成度。江帆等[10]（图9）则针对高压电器盒大多存在体积过大、质量过重问题采用柔性电路板作为电路元件，并设置与高压电气功能对应的电子器件，能在减小电气盒质量、体积的同时，确保装置的使用效果。

图8 一种线路板式高压电器盒的爆炸结构图

图9 柔性电路板的结构示意图

6 高压电器盒的集成化、智能化

未来高压控制部分发展将高度集成化，以降低整车成本，提升产品高可靠性。电动汽车用电机控制器、DC转换器、车载充电机以及高压盒等4个部件分立设计使得电磁干扰多、复杂程度高，存在较高的安全隐患。针对上述问题，电机控制器、DC转换器、车载充电机以及高压电器盒三合一或四合一集成电气总成控制系统，不仅可提高零部件的利用率和安全性，还可降低整车的电磁干扰[11]（图10）。同时，为提高高压电器盒的安全性，高压电器盒也不断增加故障诊断功能而实现智能化。

图10 集成化高压电器盒

7 结论

总之，高压电器盒为电动汽车高压系统提供充放电控制、高压部件上电通断控制、电路过载/短路保护、高压采样、低压控制等功能，保护和监控高压系统的运行，不仅要满足其安全可靠性和屏蔽性，高压电器盒的密封、散热、防瞬间大电流冲击、过载保护也非常重要。为降低电气设计复杂性，线路板和柔性线路板也开始在高压电器盒中得到应用。通过高压电器盒与电机控制器、DC转换器、车载充电机集成化，可以降低整车成本，提升产品的可靠性。高压电器盒的智能化将进一步提升电动汽车的安全性。