在當(dāng)今電動汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的組成部分，其高壓電氣設(shè)計的合理性與安全性至關(guān)重要。相信大家對動力電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）、動力電池的使用與維護、動力電池管理系統(tǒng)（BMS）開發(fā)流程以及動力電池管理系統(tǒng)狀態(tài)計算功能等方面已經(jīng)有了一定的了解。今天，我們將進一步深入探討動力電池系統(tǒng)高壓電氣設(shè)計的各項要求，希望能為相關(guān)領(lǐng)域的從業(yè)者和愛好者提供有價值的參考。
高壓電氣系統(tǒng)的選型和設(shè)計開發(fā)是一個復(fù)雜的過程，需要綜合考慮系統(tǒng)電壓、電流等級以及應(yīng)用環(huán)境等諸多因素，如車載工況、溫度、濕度、海拔和電磁干擾等。同時，電池包內(nèi)部電氣布置的設(shè)計必須嚴(yán)格符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，以確保整個動力電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
在動力電池系統(tǒng)的全生命周期內(nèi)，高壓電氣系統(tǒng)的輸出端（正極和負(fù)極）與電池箱體之間的絕緣阻抗要求大于 2.5MΩ，或者滿足《電動汽車 安全要求 第 3 部分：人員觸電防護》（GB/T 18384.3—2015）規(guī)定的高壓電氣回路絕緣阻抗要求。這是因為良好的絕緣性能是防止人員觸電和電氣故障的關(guān)鍵。
此外，動力電池系統(tǒng)的絕緣防護設(shè)計還需要充分考慮密封性能。水或者水蒸氣進入電池系統(tǒng)內(nèi)部，會使系統(tǒng)內(nèi)部的高壓帶電部分與殼體通過阻值較低的水相連接，從而導(dǎo)致高壓絕緣失效。因此，在設(shè)計過程中要采取有效的密封措施，防止水分侵入。
同時，高壓電氣系統(tǒng)必須具備絕緣失效檢測功能，這一功能通常通過電池管理系統(tǒng)（BMS）來實現(xiàn)。BMS 能夠?qū)崟r監(jiān)測高壓電氣系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)絕緣阻抗低于規(guī)定值，及時發(fā)出警報，以便采取相應(yīng)的措施。
高壓電氣系統(tǒng)的輸出端（正極和負(fù)極）與電池箱體之間的耐電壓強度也應(yīng)滿足《電動汽車 安全要求 第 3 部分：人員觸電防護》（GB/T18384.3—2015）規(guī)定的相關(guān)要求。這可以確保在高壓環(huán)境下，系統(tǒng)能夠承受一定的電壓沖擊而不發(fā)生擊穿現(xiàn)象。
直接接觸防護主要包括電氣絕緣和屏護防護要求。除了滿足上述絕緣防護要求之外，高壓電氣系統(tǒng)的帶電部件還應(yīng)具有可靠的屏護防護。這可以通過采用保護蓋、防護欄、金屬網(wǎng)板等裝置來實現(xiàn)，以防止人員直接接觸帶電部件。
這些防護裝置必須牢固可靠，并具有一定的耐機械沖擊能力。在不使用工具或無意識的情況下，它們不能被輕易打開、分離或移開，以確保人員的安全。其中，帶電部件在任何情況下都應(yīng)由至少能提供《外殼防護等級（IP 代碼）》（GB4208—2017）中 IPXXD 防護等級的箱體來防護。同時規(guī)定，在打開電池箱體上蓋后，應(yīng)具有 IPXXB 防護等級，以進一步提高防護的安全性。
間接接觸防護主要包括等電位、電氣間隙和爬電距離要求。動力電池系統(tǒng)應(yīng)通過絕緣的方法來防止與高壓電氣系統(tǒng)中外露的可導(dǎo)電部件的間接接觸。所有電氣部件的設(shè)計和安裝應(yīng)避免相互摩擦，以防止絕緣失效。
尤其是高壓線纜的布置需要充分考慮安全間隙，并進行必要的固定和絕緣防護。在行車過程中，要避免高壓線纜與可導(dǎo)電部件發(fā)生摩擦，以免損壞絕緣層，導(dǎo)致電氣故障。
電池箱體必須與車輛的地（車身）實現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，連接阻抗應(yīng)不超過 0.1Ω。電池包上的所有可接觸的導(dǎo)電金屬部件，如模組金屬端板側(cè)板、電池箱體金屬上蓋、金屬支架、水冷板等，都必須與電池箱體實現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)。對于等電位聯(lián)結(jié)所用的導(dǎo)體，如接地線等，要求其顏色為黑色，以便在維修和拆卸時能夠方便辨認(rèn)。同時，等電位聯(lián)結(jié)的螺栓或線束還需滿足一定截面積的要求，一般要求等電位聯(lián)結(jié)的導(dǎo)線或螺栓其截面積總和需大于等于電池系統(tǒng)中高壓導(dǎo)線截面積，以確保等電位聯(lián)結(jié)的有效性。
動力電池系統(tǒng)應(yīng)滿足《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第 1 部分：原理、要求和試驗》（GB/T16935.1—2008）中電氣間隙和爬電距離相關(guān)要求，尤其是電池模組需要重點關(guān)注。合理的電氣間隙和爬電距離可以防止電氣擊穿和漏電現(xiàn)象的發(fā)生，保證系統(tǒng)的安全性。
由于整車端高壓電氣系統(tǒng)中存在大量的容性負(fù)載，直接接通高壓主回路可能會產(chǎn)生高壓電沖擊。為了避免接通瞬間的大電流沖擊對系統(tǒng)造成損壞，高壓電氣系統(tǒng)需具有預(yù)充電功能。
通常，要求預(yù)充電時間不超過 1000ms，并且在短時間內(nèi)的頻繁上下電不能出現(xiàn)預(yù)充電阻過熱損壞的現(xiàn)象。在預(yù)充電過程中，系統(tǒng)應(yīng)能對整車端高壓回路的絕緣、短路狀態(tài)進行判斷和失效保護，以確保預(yù)充電過程的安全可靠。
由于整車端高壓電氣系統(tǒng)中存在大量的容性負(fù)載，斷開高壓主回路之后仍存在較高的電壓和殘余電能。為了避免這些殘余電能可能帶來的危害，在高壓回路切斷后應(yīng)采用余能泄放的方法，保證動力電池系統(tǒng)端電壓不超過 DC60V。
通常要求整車高壓電氣系統(tǒng)具有主動能量泄放電路，能夠在高壓回路切斷后迅速將殘余電能泄放掉，以確保人員和設(shè)備的安全。
高壓電氣系統(tǒng)中的所有零部件都必須滿足典型使用工況的動力負(fù)載要求，并且具備一定的過電流能力。在規(guī)定的行駛工況條件下，不能出現(xiàn)過熱導(dǎo)致高壓部件絕緣層融化、燒蝕或者冒煙的情況。
同時，應(yīng)合理地控制過電流時間，防止整個動力系統(tǒng)因為長時間過載而發(fā)生過熱起火事件。當(dāng)高壓電氣系統(tǒng)中發(fā)生瞬時大電流或者短路時，要求系統(tǒng)能自動切斷高壓回路，以確保高壓電附件設(shè)備不被損壞，避免發(fā)生電池的熱失控，保證駕乘人員的安全。高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計可以設(shè)置過載或短路的保護部件，例如設(shè)置熔斷器等，以實現(xiàn)過電流 / 短路保護功能。
高壓線束布置和接插件選型應(yīng)充分考慮電磁兼容需求。在高壓線束設(shè)計時，主回路動力線纜與信號線盡量采用隔離或分開布線，以減少電磁干擾。
電池包外部連接用高壓線束、高壓插接件選型要求接地和屏蔽隔離，以降低電磁輻射對周圍電子設(shè)備的影響，保證整個電氣系統(tǒng)的電磁兼容性。
依據(jù) ISO26262《道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)》對高壓電氣系統(tǒng)功能進行危害分析與風(fēng)險評估，對應(yīng)的汽車功能安全完整性等級和安全目標(biāo)如下表所示。通過對高壓電氣系統(tǒng)進行功能安全設(shè)計，可以有效降低系統(tǒng)故障發(fā)生的概率，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
綜上所述，動力電池系統(tǒng)高壓電氣設(shè)計涉及多個方面的要求，需要綜合考慮各個因素，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進行設(shè)計，以確保動力電池系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，為電動汽車的發(fā)展提供有力的支持。
