第六章-高壓系統(tǒng)【新能源汽車結構與檢修】

第六章高壓系統(tǒng)高壓系統(tǒng)(highvoltagepowersystem)是指電動汽車內部與動力電池直流母線相連或動力電池電源驅動的高壓驅動零部件系統(tǒng)，主要包括但不限于：動力電池系統(tǒng)和/或高壓配電系統(tǒng)（高壓繼電器、熔斷器、電阻器、主開關等）、電機及其控制器系統(tǒng)、電動壓縮機總成、DC/DC變換器、車載充電機（如果配置）和PTC加熱器等。高壓系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)部件的集成情況可以分為分體式高壓系統(tǒng)和集成式高壓系統(tǒng)。圖6-1分體式的高壓系統(tǒng)圖6-2集成式高壓系統(tǒng)1圖6-3集成式高壓系統(tǒng)26.1高壓控制盒圖6-4電動汽車高壓系統(tǒng)電動汽車高壓控制盒是指用于在電動汽車高壓電力系統(tǒng)的輸電、配電、電能轉換和消耗中起通斷、控制或保護等作用，耐壓等級在2000V以上的電氣單元，它位于電動汽車動力電池組與所有高壓電負載之間。圖6-5高壓控制盒結構1圖6-6高壓控制盒結構2圖6-7高壓控制盒結構3表6-1高壓控制盒主要功能序號功能1將高壓電池的電流進行分配2高壓用電器以及高壓線束短路或過流時起到保護作用3充電保護措施，在動力電池充電時，能自動斷開驅動系統(tǒng)。實現(xiàn)充電與驅動功能之間的互鎖4動力電池電流監(jiān)測5正負極接觸器狀態(tài)監(jiān)測（接觸器自身功能）6高壓系統(tǒng)預充電功能（非必須功能）7高壓環(huán)路互鎖功能

DC-DC（直流-直流轉換器）的作用有些類似于內燃機汽車上的發(fā)電機（圖6-8），而動力電源則取代了內燃機的功能。圖6-8DC-DC轉換器在電動汽車電氣系統(tǒng)中的位置圖6-9DC/DC6.2DC/DC變換器DC-DC轉換器按輸入電壓的不同有:升壓式轉換器、降壓式轉換器和可分別工作于升壓與降壓二種狀態(tài)的轉換器;按控制方式不同可分為PWM(PulseWidthModulated)脈沖調寬式;PFM(PulseFrequencyModulation)脈沖頻率調變和充電泵式等,均已廣泛應用于便攜式儀表產品及通訊產品中。DC-DC電源模塊的內部原理框圖如圖6-10所示。

圖6-10DC-DC變換器電路圖6.3高壓配線6.3.1高壓線纜

高壓元器件之間通過線纜傳遞電能，而這些線纜對操作者也必然存在高壓威脅，所以國際通用的標準是將這些高壓線纜用顏色鮮明的橙色外皮或者護套保護起來，不僅能起到良好的絕緣作用還有必要的警示效果如下圖6-11所示。

電動汽車上的高壓線纜,由幾段組成,例如北汽新能源汽車采用PDU的,整車共分為7段高壓線束,如下圖6-12所示,包括連接動力電池到PDU之間的線纜、連接快充口到PDU之間的線束、連接慢充口到PDU之間的線束、連接PDU到空調壓縮機之間的線束、連接PDU到空調PTC之間的線束、連接PDU到電機控制器間的線束、連接電機控制器與電機的線纜。圖6-12外部高壓線束及總成連接原理框圖6.3.2車輛電網回路

供電系統(tǒng)是由電源系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)組成的產生電能并供應和輸送給用電設備的系統(tǒng)。電力供電系統(tǒng)大致可分為TN，IT，TT三種。電網的結構就決定了從供電器（比如高壓動力電池）到用電器（比如電機）的電能傳輸路徑。國際上對于不同電網系統(tǒng)使用國際統(tǒng)一符號，其至少是由兩位字母組成，具體如表6-2所示。第一個字母：電源端與地的關系第二個字母：電氣（用電）裝置的外露可導電部分與地的關系T：電源端有一點直接接地T：電氣（用電）裝置的外露可導電部分直接接地，此接地點在電氣上獨立于電源端的接地點。I：電源端所有帶電部分不接地或有一點通過阻抗接地N：電氣（用電）裝置的外露可導電部分與電源端接地點有直接電氣連接S：中性導體和保護導體是分開的C：中性導體和保護導體是合一的中性導體（N）：引自電源中性點的導體保護導體（PE）：以防觸電為目的，用來與設備或線路的金屬外殼、接地母線、接地端子、接地極、接地金屬部件等作電氣連接的導線或導體。保護中性導體（PEN）：當中性導體N與保護導體PE共為一體，同時具有中性導體和保護導體兩種功能的導體。表6-2國際不同電網系統(tǒng)比較TN系統(tǒng)

在TN系統(tǒng)中，所有電氣設備的外露可導電部分均接到保護線上，并與電源的接地點相連，這個接地點通常是配電系統(tǒng)的中性點。TN系統(tǒng)，稱作保護接零。當故障使電氣設備金屬外殼帶電時，形成相線和地線短路，回路電阻小，電流大，能使熔絲迅速熔斷或保護裝置動作切斷電源。TN系統(tǒng)又分為TN-C（圖6-13）、TN-S（圖6-14）、TN-C-S（圖6-15）三種表現(xiàn)形式。圖6-13TN-S系統(tǒng)圖6-14TN-C系統(tǒng)圖6-15TN-C-S系統(tǒng)2.TT系統(tǒng)

在電源中性點直接接地的三相四線系統(tǒng)中，所有設備的外露可導電部分均經各自的保護線PE分別直接接地，稱之為TT供電系統(tǒng)（圖6-16）。第一個符號T表示電力系統(tǒng)中性點直接接地，第二個符號T表示負載設備外露不與帶電體相接的金屬導電部分與大地直接聯(lián)接，而與系統(tǒng)如何接地無關。圖6-16TT系統(tǒng)3.IT系統(tǒng)IT系統(tǒng)是指在電源中性點不接地系統(tǒng)中，將所有設備的外露可導電部分均經各自的保護線PE分別直接接地，稱之為IT供電系統(tǒng)（圖6-17）。IT系統(tǒng)一般為三相三線制。IT方式供電系統(tǒng)I表示電源側沒有工作接地。第二個字母T表示負載側電氣設備進行接地保護。圖6-17IT系統(tǒng)4.電動汽車適用的電網結構-IT網絡

電動汽車采用IT網的高壓電供電網絡結構，高壓元件有絕緣監(jiān)控供電系統(tǒng)的網絡結構決定了從供電器（比如高壓蓄電池）到用電器（比如電機）的電能傳輸路徑。電源端的帶電部分不接地或有一點通過阻抗接地，電氣裝置的外露可導電部分直接接地。為滿足安全要求，純電動汽車高壓網絡區(qū)別與12V低壓車載電網及民用電網的結構形式，實質上是一種IT網：供電器與車身絕緣，用電器殼體與車身連接。相對于單個部件的安全接地，系統(tǒng)層面的安全接地作用更深一層，包含了電氣安全和EMC設計。IT系統(tǒng)，由于電源與車身沒有導通連接，所以即便正極對殼體漏電，殼體與車架連接，也不會形成回路。保險絲不會熔斷，也就不會被斷電。接地目的主要是為了：保證等電位聯(lián)接以及減少系統(tǒng)電磁干擾。圖6-19在電動汽車上應用IT系統(tǒng)5.等電位連接

電動汽車的一個重要特點就是帶有高壓動力回路，為了防止因存在電勢差造成的觸電危險，在高壓組件的外殼或者可導電的外蓋等部件之間應該采用導線與車身支架相連的方式，以達到等電勢的效果。圖6-20等電位連接6.充電狀態(tài)時的TT或者TN網絡應用TT網絡是將電氣設備的外露可導電部分用保護線與大地直接連接的防護措施。一般可作為一種電擊防護措施應用在電動汽車充電系統(tǒng)中。圖6-21所示對電動汽車車身采用保護接地措施，即利用PE線（通過充電線纜）直接接地，與民用供電網絡構成TT形式。此時如果人員站在地面上接觸到帶有危險電壓（由于充電設施漏電）的設備外殼(例如圖中所示的電動汽車車身外殼)。圖6-21電動汽車車身保護接地措施6.4絕緣防護與電隔離1.絕緣防護

（1）絕緣防護等級

中華人民共和國國家標準GB/T18384.3—2015電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護內容中電路的電壓分級里明確規(guī)定：根據(jù)電路的工作電壓U,將電路分為A/B兩級，如表6-3所示。工作電壓/V直流交流A級0<U≤600<U≤30B級60<U≤150030<U≤1000

表6-3電動汽車的工作電壓等級劃分表6-4關于絕緣防護的一些重要定義（根據(jù)GB/T18384.3—2001）名稱定義基本絕緣帶電部件上對防觸電（在沒有故障的狀態(tài)下）起基本保護作用的絕緣。附加絕緣為了在基本絕緣故障情況下防止觸電，而在基本絕緣之外使用的獨立絕緣。雙重絕緣同時具有基本絕緣和附加絕緣的絕緣。加強絕緣提供相當于雙重絕緣保護程度的帶電部件上的絕緣結構。直接接觸人員與帶電部件的接觸。間接接觸人員與基本絕緣故障情況下變?yōu)閹щ姷耐饴犊蓪щ姴考g的接觸。外殼防護等級（IP代碼）對帶電部件的試紙、試具、試線接觸所提供的防護程度。具體參見國家標準GB4208-2008（2）Ⅰ類設備

Ⅰ類設備是指依靠基本絕緣對帶電部件進行防觸電保護，并把這個設備中外露可導電部件與保護導體相連的設備。圖6-22一類設備（3）Ⅱ類設備

Ⅱ類設備是指使用雙重絕緣或加強絕緣進行防觸電保護的設備，如圖6-23所示圖6-23二類設備（4）觸電防護

觸電防護應包含防止人員與任何帶電部件的直接接觸和在帶電部件的基本絕緣故障的情況下的觸電防護。對于A級電壓的電路不要求提供觸電防護。

直接接觸防護：對于任何B級電壓電路的帶電部件，都應為人員提供危險接觸的防護。直接接觸防護應由帶電部件的基本絕緣提供或由遮擋/外殼，或兩者的結合來提供，并滿足標準中涉及的要求。

基本絕緣故障情況下的防護：任何B級電壓電路的帶電部件的基本絕緣故障時，應防止人員與外露可導電部件接觸而導致的觸電電危害。故障情況下，應由Ⅰ類設備（滿足電位均衡要求）和Ⅱ類設備（滿足絕緣要求）或兩者組合來防護。2.電氣隔離

電氣隔離的基本原理如右圖6-24所示，左側為供電方一側，右側為用電方一側。如果左側N級接地，那么人員a是很危險的，一般其站在地面上碰觸L線，則會形成從L-a-N的回路，電流流過人體，造成傷亡。圖6-24電氣隔離

電動汽車中的DC-DC轉換器中的變壓器起到了電氣隔離的絕緣效果，將高壓與低壓完全隔離開，如下圖6-25圖6-25DC-DC隔離高低壓3.手動斷開裝置

在電動汽車的裝配、保養(yǎng)和維修的操作中，需要有手動斷開的電氣回路的功能，保證在操作過程中人員和能接觸到的電氣設備上面不帶有危險電壓。圖6-26手動斷開裝置結構與原理4.自動斷路

當存在某些特殊條件（如碰撞、絕緣故障、高壓電氣回路斷開、過流或者短路等）發(fā)生時，自動斷路功能可以在沒有使用者干預的情況下，通過繼電器、斷路器等裝置將高壓回路電氣回路斷開，從而達到保護人員和電氣系統(tǒng)安全的目的。自動斷路裝置要具備人工復位的能力。5.環(huán)路互鎖

安全回路線是個環(huán)形線路，通過低壓元件（互鎖信號源）來收發(fā)信號來監(jiān)控高壓電網，來檢查整個高壓產品、導線、連接器及護蓋的電氣完整性（連續(xù)性），安全回路線要是斷路的話，會導致高壓系統(tǒng)立即被切斷，如圖6-27所示：圖6-27大眾公司混合動力汽車互鎖環(huán)路系統(tǒng)原理6.功能互鎖（１）充電互鎖

出于安全考慮，電動汽車要帶有充電互鎖的功能，即在充電時電動汽車動力系統(tǒng)要處在斷開的狀態(tài)，以防止電動汽車連接在充電電源上時被意外起動。一些電動汽車是通過車輛端的充電插口實現(xiàn)該功能的，當充電插口插入充電插頭時，控制系統(tǒng)會辨認插頭已經連接到位。這時車輛的起動開關即便處于ＯＮ的位置，操作人員也不能真正起動車輛，加速踏板是失效的。（２）高壓互鎖

高壓互鎖設計的目的是整車在高壓上電前確保整個高壓系統(tǒng)的完整性，使高壓處于一個封閉的環(huán)境下工作提高安全性。當整車在運行過程中高壓系統(tǒng)回路斷開或者完整性受到破壞的時候，需要啟動安全防護，防止帶電插拔高壓連接器給高壓端子造成的拉弧損壞。7.主動放電

當高壓電路與電池包斷開后（例如，自動斷開裝置或手動斷開裝置啟動時），由于有容性儲能元件及線束上本身存在的容性，高壓母線仍會殘留有對人體造成電擊傷害的危險電壓，因此有必要將高壓母線的電壓釋放到安全范圍內。根據(jù)電壓和能量的情況以及電壓衰減所需要的時間，不同的制造商可能有不同的方案和設計。某些電動汽車高壓系統(tǒng)斷電后采用電阻放電就是其中一種方案。

圖6-28為奧迪混合動力汽車電子驅動單元主動放電結構與原理圖，主動放電由動力電池管理系統(tǒng)來控制，每當高壓系統(tǒng)被切斷或者低壓控制線路被切斷時，控制器就會閉合放電電阻支路上的開關，就會與主動放電的動作發(fā)生：使中間電容與電阻構成臨時回路，電流流過電阻，能量以熱量的方式消耗掉。圖6-28奧迪混合動力汽車電子驅動單元主動放電結構與原理8.高壓熔斷器

純電動汽車的驅動部分及高壓附件系統(tǒng)的電源均為高壓動力電池電源，為保護車輛及乘員安全，相關動力電池電源回路均選用相應高壓熔斷器作為短路保護的措施。在遇到過流或者短路情況下理想熔斷器的斷開時間不高過5ms，圖6－29為電動汽車典型的熔斷器布置方案。圖6-29電動汽車典型的熔斷器布置方案１、高壓系統(tǒng)是指電動汽車內部與動力電池直流母線相連或動力電池電源驅動的高壓驅動零部件系統(tǒng)，主要包括但不限于：動力電池系統(tǒng)和／或高壓配電系統(tǒng)（高壓繼電器、熔斷器、電阻器、主開關等）、電機及其控制器系統(tǒng)、電動壓縮機總成、ＤＣ／ＤＣ轉換器、車載充電機（如果配置）和ＰＴＣ加熱器等。本章小結２、電動汽車整車行駛過程中，一般由ＤＣ／ＤＣ（直流－直流）轉換器給整車低壓系統(tǒng)供電，同時給低壓蓄電池充電，基本不需要低壓蓄電池向外輸出電流；低壓１２Ｖ電氣系統(tǒng)的供電與低壓蓄電池的充電是通過３００Ｖ以上的高壓直流電轉化而來的，因此把這個轉化裝置叫做ＤＣ／ＤＣ轉換器，在新能源汽車上主要使用的是降壓ＤＣ／ＤＣ轉換器。３、高壓元器件之間通過線纜傳遞電能，而這些線纜對操作者也必然存在高壓威脅，因此國際通用的標準是將這些高壓線纜用顏色鮮明的橙色外皮或者護套保護起來，不僅能起