電動汽車高壓電氣系統(tǒng)的組成

1、電動汽車高壓電氣系統(tǒng)的組成2013-03-14 根據(jù)不同的電動汽車動力系統(tǒng)構型，高壓電氣系統(tǒng)具有不同的電氣部件。一般，電動汽車高壓電氣的最大系統(tǒng)是采用燃料電池組或內燃機發(fā)電機組和動力電池組構成的雙電源結構。燃料電池組或內燃機發(fā)電機組是車輛運行的主要動力源，動力電池組是輔助動力源。如圖8-2所示，當采用燃料電池組為主要動力源時，動力電池組在車輛啟動過程中通過啟動控制單元為燃料電池的啟動提供能量。在車輛加速過程中，當燃料電池輸出功率不足時，動力電池組放電以補充車輛加速所需能量。當車輛減速和制動時，動力電池組吸收制動能量，這種結構降低了整車運行對燃料電池峰值功率和動態(tài)特性的要求，有利于提高整車電氣系

2、統(tǒng)的可靠性。由于燃料電池組和動力電池組具有不同的輸出電壓范圍和電源外特性，難以直接并聯(lián)使用，因此，在燃料電池組的輸出端串接一個升壓式DCDC變換器，對燃料電池的輸出電壓進行升壓變換及穩(wěn)壓調節(jié)，DCDC變換器的輸出電壓和動力電池組的工作電壓相匹配，該電壓稱為高壓電氣系統(tǒng)的母線電壓。母線電壓通過各種電源變換器向驅動機構、動力轉向機構和氣壓制動機構中的電機等大功率電氣設備提供電能，實現(xiàn)車輛的行駛、轉向和制動等功能。 圖8-3是燃料電池電動汽車高壓電氣系統(tǒng)的物理部件組成和連接。從圖中可以看出，燃料電池組通過升壓DCDC變換器輸出的直流高壓母線和動力電池的輸出端并聯(lián)，直流母線在高壓配電中心形成直流正極母

3、線和負極母線的匯流排，分別通過高壓接觸器K11K22和熔斷器F11F27控制不同的電氣部件。在燃料電池電動汽車中，轉向系統(tǒng)中的液壓油泵和制動系統(tǒng)中的空氣壓縮機分別由相應的電機驅動，因此，高壓直流母線不僅要通過K21和F21為驅動電機系統(tǒng)提供電能，還要分別通過K22和F25、K21和F21為轉向系統(tǒng)電機和制動系統(tǒng)電機提供電能。 0高壓電氣系統(tǒng)的漏電檢測2013-01-30我國制定的關于電動汽車的國家標準與國際標準是一致的，標準中規(guī)定電動汽車的絕緣狀況以絕緣電阻來衡量。動力蓄電池的絕緣電阻定義為：如果動力蓄電池與地（車底盤）之間的某一點短路，最大（最壞情況下的）泄漏電流所對應的電阻。 準確、實時地

4、檢測高壓電氣系統(tǒng)對車輛底盤絕緣性能，對保證乘客安全、電氣設備正常工作和車輛安全運行具有重要意義。對電動汽車絕緣電阻的研究方法大同小異，主要是在直流母線正負極和電底盤之間接人電阻，通過電子開關或高壓繼電器接通電阻和電底盤，然后測量這些電阻上的電壓或電流，再計算得到絕緣電阻的大小。這些方法都需要電子開關或高壓繼電器以及電流或電壓傳感器。 因為純電動汽車要測量的絕緣電阻各支路都是由動力蓄電池供電，因此電動汽車直流高壓母線（包括各支路）的絕緣電阻也完全可以引用上述定義。實際上，直流母線正、負兩極分別有自己的對地電阻，可以將它們等效為兩個電阻：RP和RN，其電路模型如圖4-16、圖4-17所示，其中Vb

5、代表動力蓄電池電壓，地即為電動汽車底盤，VP為正對地電壓，VN為地對負電壓，那么整車絕緣電阻按照動力蓄電池絕緣電阻的定義應該取兩者之中的較小者，因為如果高壓回路的一端與底盤短接時，則產生的電流取決于另一端子的對地電阻，顯然這個電阻越小，則允許流過的電流就越大，產生的危害性就越大。參考電動汽車國家標準，如果人或其他物體構成高壓電路與地之間的外部電路，最壞的情況下泄漏電流不允許超過2mA，這是人體沒有任何感覺的閾值。雖然正常情況下電動汽車的絕緣電阻是很大的，但事實上，高壓母線兩端子對地線的絕緣電阻阻值是有限的，而且一般認為它們是不等的，只是理論上存在有兩種極限情況。 (1)理想絕緣如果直流高壓回路

6、完全絕緣，任何一點對地短接都不會產生電流，可以認為絕緣電阻是“無限大的”。 (2)絕緣短路如果直流高壓回路一端與底盤短接，就會有電流流過外部電路，電流的大小就僅取決于外部電阻，此時絕緣電阻為零。 電動汽車絕緣性能檢測裝置主要完成測量、預警、顯示和通信四大部分的功能。為實現(xiàn)整車功能控制和高壓自動切斷保護，在電動汽車的高壓系統(tǒng)中必須配置可自動切斷主回路的接觸器，根據(jù)整車設計需要，有些電動車輛的主回路上甚至有兩個以上的相關部件，如果高壓接觸器發(fā)生閉合或斷開失效，且不能及時采取有效措施，輕者會發(fā)生不能實現(xiàn)正?？刂频那闆r，重者會產生重大安全事故，所以對高壓接觸器的執(zhí)行狀態(tài)進行有效、實時的監(jiān)控，對電動汽車

7、的安全、可靠運行有十分重要的意義。 對于接觸器或繼電器的狀態(tài)監(jiān)測方法有兩種，一種是監(jiān)測其線圈的得電情況，另一種是對觸點本身進行監(jiān)測。前一種方法簡單，但對于監(jiān)測對象來說，得電狀態(tài)是間接反映，后一種方法直接，但實現(xiàn)有一定難度。 對于泄漏電流的檢測，現(xiàn)在普遍采用兩種方法：輔助電源法和電流傳感法。 1輔助電源法 在我國某些電力機車采用的漏電檢測器中，使用一個直流110V的檢測用輔助蓄電池，蓄電池正極與待測高壓直流電源的負極相連，蓄電池負極與機車機殼實現(xiàn)一點連接。在待測系統(tǒng)絕緣性能良好的情況下，蓄電池沒有電流回路，漏電流為零；在電源電纜絕緣層老化或環(huán)境潮濕情況下，蓄電池通過電纜線絕緣層形成閉合回路、產生

8、漏電流，檢測器根據(jù)漏電流的大小進行報警，并關斷待測系統(tǒng)的電源。這種檢測方法需要直流110V的輔助電源，增加了系統(tǒng)結構的復雜程度，而且這種檢測方法難以區(qū)分絕緣故障源是來自電源的正極引線還是負極引線。 2電流傳感法 采用霍爾電流傳感器是對高壓直流系統(tǒng)進行漏電檢測的另一種方法，將待測系統(tǒng)中電源的正極和負極一起同方向穿過電流傳感器，當沒有漏電流時，從電源正極流出的電流等于返回到電源負極的電流，因此，穿過電流傳感器的總電流為零，電流傳感器輸出電壓為零；當發(fā)生漏電現(xiàn)象時，電流傳感器輸出電壓不為零。根據(jù)該電壓的正負可以進一步判斷產生漏電流的來源是來自正極還是負極。但是，用這種檢測方法的前提是待測電源必須處于

9、工作狀態(tài)，要有工作電流的流出和流人，它無法在電源空載狀態(tài)下評價電源的對地絕緣性能。 在目前的一些電動汽車研發(fā)產品中，采用母線電壓在“直流正極母線一底盤”和“直流負極母線一底盤”之間的分壓來表征直流母線相對于車輛底盤的絕緣程度，但是，這種電壓分壓法只能表征直流正負母線對底盤的相對絕緣程度，無法判別直流正負母線對底盤絕緣性能同步降低的情況；同時，對直流正、負極母線對底盤絕緣電阻差異較大的情況會出現(xiàn)絕緣性能下降的誤判。嚴格地說，對于電動汽車，只有定量地分別檢測直流正極母線和負極母線對底盤的絕緣性能，才能保證電動汽車的電氣安全性。 高壓電氣系統(tǒng)絕緣性能檢測2013-01-18 對于封閉回路的高壓直流電

10、氣系統(tǒng)，其絕緣性能通常用電氣系統(tǒng)中電源對地漏電流的大小來表征，現(xiàn)在普遍使用兩種漏電流檢測的方法：輔助電源法和電流傳感法。在我國某些電力機車采用的漏電檢測器中，使用一個直流110V的檢測用輔助蓄電池，蓄電池正極與待測高壓直流電源的負極相連，電動汽車蓄電池負極與機車機殼實現(xiàn)一點連接。在待測系統(tǒng)絕緣性能良好的情況下，蓄電池沒有電流回路，漏電流為零；在電源電纜絕緣層老化或環(huán)境潮濕等情況下，蓄電池通過電纜絕緣層形成閉合回路，產生漏電流，檢測器根據(jù)漏電流的大小報警，并關斷待測系統(tǒng)的電源。這種檢測方法不僅需要直流110V的輔助電源，增加了系統(tǒng)結構的復雜程度；而且這種檢測方法難以區(qū)分絕緣故障源是來自電源正極引

11、線電纜還是負極引線電纜。采用霍爾式電流傳感器是對高壓直流系統(tǒng)進行漏電檢測的另一種方法。將待測系統(tǒng)中電源的正極和負極一起同方向穿過電流傳感器，當沒有漏電流時，從電源正極流出的電流等于返回到電源負極的電流，因此，穿過電流傳感器的總電流為零，電流傳感器輸出電壓為零；當發(fā)生漏電現(xiàn)象時，電流傳感器輸出電壓不為零。根據(jù)該電壓的正負可以進一步判斷產生漏電流的來源是來自電源正極引線電纜還是電源負極引線電纜。但是，應用這種檢測方法的前提是待測電源必須處于工作狀態(tài)，要有工作電流的流出和流人，它無法在電源空載狀態(tài)下評價電源的對地絕緣性能。對于電動汽車，要求在車輛行駛之前、高壓電源空載條件下，能夠檢測電源對車輛底盤的

12、絕緣性能，而且還要求分別定量地檢測電源正極引線電纜和負極引線電纜對底盤的絕緣性能。因此，上述檢測方法不適用于電動汽車。絕緣體是相對導電體而言的，在直流電源系統(tǒng)中，定量描述一種介質絕緣性能和導電性能的物理量是電阻。導體的電阻小，絕緣體的電阻大，絕緣體電阻的大小表征了介質的絕緣性能，電阻越大，絕緣性能越好，反之亦然，稱絕緣體電阻大的電阻為絕緣電阻。在電動汽車的高壓電氣系統(tǒng)中，利用電源的正極引線電纜和負極引線電纜對底盤的絕緣電阻來反映電氣系統(tǒng)的絕緣性能。 當電動汽車上的電路系統(tǒng)發(fā)生漏電，將直接對乘員的生命造成嚴重威脅，同時漏電也將影響車上低壓電氣和車輛控制器的正常工作。因此，在電源本身安全可靠的條件

13、下，應通過實時測量高壓電路與地間的絕緣電阻，根據(jù)其大小判斷系統(tǒng)絕緣性能，并在電源絕緣性能不好時采取相應的保護措施。 高壓電氣系統(tǒng)的安全性2013-03-08 電動汽車動力系統(tǒng)的一個重要特點就是具有高電壓、大電流的動力回路。為了適應電動機驅動工作的特性要求并提高效率，高壓電氣系統(tǒng)的工作電壓可以達到300V以上，而且電力傳輸線路阻抗很小。高壓電氣的正常工作電流可能達到數(shù)十甚至數(shù)百安培，瞬時短路放電電流更是成倍增加。高電壓和大電流會危及車上乘客的人身安全，同時還會影響低壓電氣和車輛控制器的正常工作。因此，在設計和規(guī)劃高壓電氣系統(tǒng)時不僅應充分滿足整車動力驅動要求，還必須確保車輛運行安全、駕乘人員安全和

14、車輛運行環(huán)境安全。 根據(jù)電動汽車的實際結構和電路特性，設計安全合理的保護措施，是確保駕乘人員和車輛設備安全運行的關鍵。為了保證高壓電安全，必須針對高壓電防護進行特別的系統(tǒng)規(guī)劃與設計。國際標準化組織和美國、歐洲、日本等先后發(fā)布了若干電動汽車的技術標準，它們對電動汽車的高壓電安全及控制制定了較為嚴格的標準和要求，并規(guī)定了高壓系統(tǒng)必須具備高壓電自動切斷裝置。其中涉及電動車安全有關的電氣特性有：絕緣特性、漏電流、充電器的過電流特性和爬電距離及電器間隙等。 電動汽車的運行情況非常復雜，在運行過程中難免會出現(xiàn)部件間的相互碰撞、摩擦、擠壓，這有可能使原本絕緣良好的導線絕緣層出現(xiàn)破損、接線端子與周圍金屬出現(xiàn)搭

15、接、高壓電纜絕緣介質老化或潮濕環(huán)境影響等因素都會導致高電壓電路和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正負極引線將通過絕緣層和底盤構成漏電流回路。當高電壓電路和底盤之間發(fā)生多點絕緣性能下降時，還會導致漏電回路的熱積累效應，可能造成車輛電氣火災。因此，高壓電氣系統(tǒng)相對車輛底盤的電氣絕緣性能的實時檢測，也是電動汽車電氣安全技術的重要內容。 電動汽車電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)需要實時監(jiān)測整車電氣狀態(tài)信息，如總電壓、總電流、正負母線對地電壓值、正負母線絕緣電阻值、輔助電壓、繼電器連接情況等，并通過CAN總線輸出測得的各部分狀態(tài)機數(shù)值，輸出系統(tǒng)的報警狀態(tài)和通斷指令，從而確保電動汽車的安全運行。 電動汽車的電氣安全技術2

16、013-03-14 在電動汽車中，高壓電氣系統(tǒng)的工作電壓可以達到300V以上，較高的工作電壓對高壓系統(tǒng)與車輛底盤之間的絕緣性能提出了更高要求。高壓電纜線絕緣介質老化或受潮濕環(huán)境影響等因素都會導致高電壓電路和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正負極引線將通過絕緣層和底盤構成漏電流回路，使底盤電位上升，不僅會危及乘客的人身安全，而且將影響低壓電氣和車輛控制器的正常工作。當高電壓電路和底盤之間發(fā)生多點絕緣性能嚴重下降時，還會導致漏電回路的熱積累效應，可能造成車輛的電氣火災。因此，高壓電氣系統(tǒng)相對車輛底盤的電氣絕緣性能的實時檢測是電動汽車電氣安全技術的核心內容，對乘客安全、電氣設備正常工作和車輛安全運行

17、具有重要的意義。 1電氣絕緣檢測的一般方法 對于封閉回路的高壓直流電氣系統(tǒng)，其絕緣性能通常用電氣系統(tǒng)中電源對地漏電流的大小來表征，現(xiàn)在普遍使用兩種漏電流檢測的方法：輔助電源法和電流傳感法。 1）輔助電源法 在我國某些電力機車采用的漏電檢測器中，使用一個直流110V的檢測用輔助蓄電池，蓄電池正極與待測高壓直流電源的負極相連，蓄電池負極與機車機殼實現(xiàn)一點連接。在待測系統(tǒng)絕緣性能良好的情況下，蓄電源沒有電流回路漏電流為零；在電源電纜絕緣層老化或環(huán)境潮濕等情況下，蓄電池通過電纜線絕緣層形成閉合回路、產生漏電流，檢測器根據(jù)漏電流的大小進行報警，并關斷待測系統(tǒng)的電源。這種檢測方法不僅需要直流110V的輔助

18、電源，增加了系統(tǒng)結構的復雜程度；而且，這種檢測方法難以區(qū)分絕緣故障源是來自電源的正極引線電纜還是負極引線電纜。 2）電流傳感法 采用霍爾式電流傳感器是對高壓直流系統(tǒng)進行漏電檢測的另一種方法，將待測系統(tǒng)中電源的正極和負極一起同方向穿過電流傳感器，當沒有漏電流時，從電源正極流出的電流等于返回到電源負極的電流，因此，穿過電流傳感器的總電流為零，電流傳感器輸出電壓為零；當發(fā)生漏電現(xiàn)象時，電流傳感器輸出電壓不為零。根據(jù)該電壓的正負可以進一步判斷產生漏電流的來源是來自電源正極引線電纜還是電源負極引線電纜，但是，應用這種檢測方法的前提是待測電源必須處于工作狀態(tài)，要有工作電流的流出和流入，它無法在電源空載狀態(tài)

19、下評價電源的對地絕緣性能。 在目前的一些電動汽車研發(fā)產品中，采用母線電壓在“直流正極母線一底盤” 和“直流負極母線一底盤”之間的分壓來表征直流母線相對于車輛底盤的絕緣程度，但是，這種電壓分壓法只能表征直流正、負母線對底盤的相對絕緣程度，無法判別直流正、負母線對底盤絕緣性能同步降低的情況；同時，對直流正、負母線對底盤絕緣電阻差異較大的情況會出現(xiàn)絕緣性能下降的誤判斷。嚴格地說，對于電動汽車，只有定量地分別檢測直流正極母線和負極母線對底盤的絕緣性能，才能保證電動汽車的電氣安全性。 2電動汽車電氣絕緣性能的描述 電動汽車的電氣設備直接安裝在車輛底盤上，每個電氣設備都有獨立的電流回路，與底盤之間沒有直接的電氣連接。整個高壓系統(tǒng)是與底盤絕緣、封閉的電氣系統(tǒng)。 絕緣體是相對導電體而言的，在直流電源系統(tǒng)中，定量描述一種介質絕緣性能和導電性能的物理量是電阻。導體的電阻小，絕緣體的電阻大，絕緣體電阻的大小表征了介質的絕緣性能。電阻越大，絕緣性能越好，反之亦然，稱該電阻為絕緣電阻。在電動汽車的高壓電氣系統(tǒng)中，分別利用電源的正極引線電纜和負極引線電纜對底盤的絕緣電阻，來反映電氣系統(tǒng)的絕緣性能。 3絕緣電阻檢測原理 為了檢測上述絕緣電阻，直接將車載高壓電源作為檢測電源。在電源正極、負極和車輛底盤之間建立了