電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)的組成

1、電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)的組成2013-03-14 根據(jù)不同的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，高壓電氣系統(tǒng)具有不同的電氣部件。一般，電動(dòng)汽車高壓電氣的最大系統(tǒng)是采用燃料電池組或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力電池組構(gòu)成的雙電源結(jié)構(gòu)。燃料電池組或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組是車輛運(yùn)行的主要?jiǎng)恿υ矗瑒?dòng)力電池組是輔助動(dòng)力源。如圖8-2所示，當(dāng)采用燃料電池組為主要?jiǎng)恿υ磿r(shí)，動(dòng)力電池組在車輛啟動(dòng)過程中通過啟動(dòng)控制單元為燃料電池的啟動(dòng)提供能量。在車輛加速過程中，當(dāng)燃料電池輸出功率不足時(shí)，動(dòng)力電池組放電以補(bǔ)充車輛加速所需能量。當(dāng)車輛減速和制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池組吸收制動(dòng)能量，這種結(jié)構(gòu)降低了整車運(yùn)行對燃料電池峰值功率和動(dòng)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(dòng)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(gè)升壓式DCDC變換器，對燃料電池的輸出電壓進(jìn)行升壓變換及穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，DCDC變換器的輸出電壓和動(dòng)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和氣壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)等大功率電氣設(shè)備提供電能，實(shí)現(xiàn)車輛的行駛、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等功能。 圖8-3是燃料電池電動(dòng)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(dòng)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(fù)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(dòng)汽車中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓油泵和制動(dòng)系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)分別由相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此，高壓直流母線不僅要通過K21和F21為驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)提供電能，還要分別通過K22和F25、K21和F21為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)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(guān)于電動(dòng)汽車的國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)是一致的，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電動(dòng)汽車的絕緣狀況以絕緣電阻來衡量。動(dòng)力蓄電池的絕緣電阻定義為：如果動(dòng)力蓄電池與地（車底盤）之間的某一點(diǎn)短路，最大（最壞情況下的）泄漏電流所對應(yīng)的電阻。 準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)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(shè)備正常工作和車輛安全運(yùn)行具有重要意義。對電動(dòng)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(fù)極和電底盤之間接人電阻，通過電子開關(guān)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(jì)算得到絕緣電阻的大小。這些方法都需要電子開關(guān)或高壓繼電器以及電流或電壓傳感器。 因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車要測量的絕緣電阻各支路都是由動(dòng)力蓄電池供電，因此電動(dòng)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(shí)際上，直流母線正、負(fù)兩極分別有自己的對地電阻，可以將它們等效為兩個(gè)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(dòng)力蓄電池電壓，地即為電動(dòng)汽車底盤，VP為正對地電壓，VN為地對負(fù)電壓，那么整車絕緣電阻按照動(dòng)力蓄電池絕緣電阻的定義應(yīng)該取兩者之中的較小者，因?yàn)槿绻邏夯芈返囊欢伺c底盤短接時(shí)，則產(chǎn)生的電流取決于另一端子的對地電阻，顯然這個(gè)電阻越小，則允許流過的電流就越大，產(chǎn)生的危害性就越大。參考電動(dòng)汽車國家標(biāo)準(zhǔn)，如果人或其他物體構(gòu)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(dòng)汽車的絕緣電阻是很大的，但事實(shí)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(rèn)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(diǎn)對地短接都不會(huì)產(chǎn)生電流，可以認(rèn)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(huì)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(shí)絕緣電阻為零。 電動(dòng)汽車絕緣性能檢測裝置主要完成測量、預(yù)警、顯示和通信四大部分的功能。為實(shí)現(xiàn)整車功能控制和高壓自動(dòng)切斷保護(hù)，在電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)中必須配置可自動(dòng)切斷主回路的接觸器，根據(jù)整車設(shè)計(jì)需要，有些電動(dòng)車輛的主回路上甚至有兩個(gè)以上的相關(guān)部件，如果高壓接觸器發(fā)生閉合或斷開失效，且不能及時(shí)采取有效措施，輕者會(huì)發(fā)生不能實(shí)現(xiàn)正常控制的情況，重者會(huì)產(chǎn)生重大安全事故，所以對高壓接觸器的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行有效、實(shí)時(shí)的監(jiān)控，對電動(dòng)汽車

7、的安全、可靠運(yùn)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(diǎn)本身進(jìn)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(shí)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(jī)車采用的漏電檢測器中，使用一個(gè)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(fù)極相連，蓄電池負(fù)極與機(jī)車機(jī)殼實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)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(chǎn)生

8、漏電流，檢測器根據(jù)漏電流的大小進(jìn)行報(bào)警，并關(guān)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(jié)構(gòu)的復(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)極一起同方向穿過電流傳感器，當(dāng)沒有漏電流時(shí)，從電源正極流出的電流等于返回到電源負(fù)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(dāng)發(fā)生漏電現(xiàn)象時(shí)，電流傳感器輸出電壓不為零。根據(jù)該電壓的正負(fù)可以進(jìn)一步判斷產(chǎn)生漏電流的來源是來自正極還是負(fù)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(píng)價(jià)電源的對地絕緣性能。 在目前的一些電動(dòng)汽車研發(fā)產(chǎn)品中，采用母線電壓在“直流正極母線一底盤”和“直流負(fù)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(fù)母線對底盤的相對絕緣程度，無法判別直流正負(fù)母線對底盤絕緣性能同步降低的情況；同時(shí)，對直流正、負(fù)極母線對底盤絕緣電阻差異較大的情況會(huì)出現(xiàn)絕緣性能下降的誤判。嚴(yán)格地說，對于電動(dòng)汽車，只有定量地分別檢測直流正極母線和負(fù)極母線對底盤的絕緣性能，才能保證電動(dòng)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(jī)車采用的漏電檢測器中，使用一個(gè)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(fù)極相連，電動(dòng)汽車蓄電池負(fù)極與機(jī)車機(jī)殼實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)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(chǎn)生漏電流，檢測器根據(jù)漏電流的大小報(bào)警，并關(guān)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(jié)構(gòu)的復(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)極一起同方向穿過電流傳感器，當(dāng)沒有漏電流時(shí)，從電源正極流出的電流等于返回到電源負(fù)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(dāng)發(fā)生漏電現(xiàn)象時(shí)，電流傳感器輸出電壓不為零。根據(jù)該電壓的正負(fù)可以進(jìn)一步判斷產(chǎn)生漏電流的來源是來自電源正極引線電纜還是電源負(fù)極引線電纜。但是，應(yīng)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(píng)價(jià)電源的對地絕緣性能。對于電動(dòng)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(fù)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(dòng)汽車。絕緣體是相對導(dǎo)電體而言的，在直流電源系統(tǒng)中，定量描述一種介質(zhì)絕緣性能和導(dǎo)電性能的物理量是電阻。導(dǎo)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(zhì)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(dòng)汽車的高壓電氣系統(tǒng)中，利用電源的正極引線電纜和負(fù)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(dāng)電動(dòng)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(yán)重威脅，同時(shí)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(yīng)通過實(shí)時(shí)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(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。 高壓電氣系統(tǒng)的安全性2013-03-08 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是具有高電壓、大電流的動(dòng)力回路。為了適應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)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(dá)到數(shù)十甚至數(shù)百安培，瞬時(shí)短路放電電流更是成倍增加。高電壓和大電流會(huì)危及車上乘客的人身安全，同時(shí)還會(huì)影響低壓電氣和車輛控制器的正常工作。因此，在設(shè)計(jì)和規(guī)劃高壓電氣系統(tǒng)時(shí)不僅應(yīng)充分滿足整車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求，還必須確保車輛運(yùn)行安全、駕乘人員安全和

14、車輛運(yùn)行環(huán)境安全。 根據(jù)電動(dòng)汽車的實(shí)際結(jié)構(gòu)和電路特性，設(shè)計(jì)安全合理的保護(hù)措施，是確保駕乘人員和車輛設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵。為了保證高壓電安全，必須針對高壓電防護(hù)進(jìn)行特別的系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和美國、歐洲、日本等先后發(fā)布了若干電動(dòng)汽車的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它們對電動(dòng)汽車的高壓電安全及控制制定了較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和要求，并規(guī)定了高壓系統(tǒng)必須具備高壓電自動(dòng)切斷裝置。其中涉及電動(dòng)車安全有關(guān)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(dòng)汽車的運(yùn)行情況非常復(fù)雜，在運(yùn)行過程中難免會(huì)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(dǎo)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(zhì)老化或潮濕環(huán)境影響等因素都會(huì)導(dǎo)致高電壓電路和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正負(fù)極引線將通過絕緣層和底盤構(gòu)成漏電流回路。當(dāng)高電壓電路和底盤之間發(fā)生多點(diǎn)絕緣性能下降時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致漏電回路的熱積累效應(yīng)，可能造成車輛電氣火災(zāi)。因此，高壓電氣系統(tǒng)相對車輛底盤的電氣絕緣性能的實(shí)時(shí)檢測，也是電動(dòng)汽車電氣安全技術(shù)的重要內(nèi)容。 電動(dòng)汽車電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測整車電氣狀態(tài)信息，如總電壓、總電流、正負(fù)母線對地電壓值、正負(fù)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(jī)數(shù)值，輸出系統(tǒng)的報(bào)警狀態(tài)和通斷指令，從而確保電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行。 電動(dòng)汽車的電氣安全技術(shù)2

16、013-03-14 在電動(dòng)汽車中，高壓電氣系統(tǒng)的工作電壓可以達(dá)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(zhì)老化或受潮濕環(huán)境影響等因素都會(huì)導(dǎo)致高電壓電路和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正負(fù)極引線將通過絕緣層和底盤構(gòu)成漏電流回路，使底盤電位上升，不僅會(huì)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(dāng)高電壓電路和底盤之間發(fā)生多點(diǎn)絕緣性能嚴(yán)重下降時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致漏電回路的熱積累效應(yīng)，可能造成車輛的電氣火災(zāi)。因此，高壓電氣系統(tǒng)相對車輛底盤的電氣絕緣性能的實(shí)時(shí)檢測是電動(dòng)汽車電氣安全技術(shù)的核心內(nèi)容，對乘客安全、電氣設(shè)備正常工作和車輛安全運(yùn)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(jī)車采用的漏電檢測器中，使用一個(gè)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(fù)極相連，蓄電池負(fù)極與機(jī)車機(jī)殼實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)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(chǎn)生漏電流，檢測器根據(jù)漏電流的大小進(jìn)行報(bào)警，并關(guān)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(jié)構(gòu)的復(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)極一起同方向穿過電流傳感器，當(dāng)沒有漏電流時(shí)，從電源正極流出的電流等于返回到電源負(fù)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(dāng)發(fā)生漏電現(xiàn)象時(shí)，電流傳感器輸出電壓不為零。根據(jù)該電壓的正負(fù)可以進(jìn)一步判斷產(chǎn)生漏電流的來源是來自電源正極引線電纜還是電源負(fù)極引線電纜，但是，應(yīng)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(píng)價(jià)電源的對地絕緣性能。 在目前的一些電動(dòng)汽車研發(fā)產(chǎn)品中，采用母線電壓在“直流正極母線一底盤” 和“直流負(fù)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(fù)母線對底盤的相對絕緣程度，無法判別直流正、負(fù)母線對底盤絕緣性能同步降低的情況；同時(shí)，對直流正、負(fù)母線對底盤絕緣電阻差異較大的情況會(huì)出現(xiàn)絕緣性能下降的誤判斷。嚴(yán)格地說，對于電動(dòng)汽車，只有定量地分別檢測直流正極母線和負(fù)極母線對底盤的絕緣性能，才能保證電動(dòng)汽車的電氣安全性。 2電動(dòng)汽車電氣絕緣性能的描述 電動(dòng)汽車的電氣設(shè)備直接安裝在車輛底盤上，每個(gè)電氣設(shè)備都有獨(dú)立的電流回路，與底盤之間沒有直接的電氣連接。整個(gè)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(dǎo)電體而言的，在直流電源系統(tǒng)中，定量描述一種介質(zhì)絕緣性能和導(dǎo)電性能的物理量是電阻。導(dǎo)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(zhì)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(dòng)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(fù)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(fù)極和車輛底盤之間建立了