第六章 高压系统

第六章高压系统,高压系统(highvoltagepowersystem)是指电动汽车内部与动力电池直流母线相连或动力电池电源驱动的高压驱动零部件系统，主要包括但不限于：动力电池系统和/或高压配电系统（高压继电器、熔断器、电阻器、主开关等）、电机及其控制器系统、电动压缩机总成、DC/DC变换器、车载充电机（如果配置）和PTC加热器等。高压系统根据系统部件的集成情况可以分为分体式高压系统和集成式高压系统。,图6-1分体式的高压系统,图6-2集成式高压系统1,图6-3集成式高压系统2,6.1高压控制盒,图6-4电动汽车高压系统,电动汽车高压控制盒是指用于在电动汽车高压电力系统的输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用，耐压等级在2000V以上的电气单元，它位于电动汽车动力电池组与所有高压电负载之间。,图6-5高压控制盒结构1,图6-6高压控制盒结构2,图6-7高压控制盒结构3,表6-1高压控制盒主要功能,DC-DC（直流-直流转换器）的作用有些类似于内燃机汽车上的发电机（图6-8），而动力电源则取代了内燃机的功能。,图6-8DC-DC转换器在电动汽车电气系统中的位置,图6-9DC/DC,6.2DC/DC变换器,DC-DC转换器按输入电压的不同有:升压式转换器、降压式转换器和可分别工作于升压与降压二种状态的转换器;按控制方式不同可分为PWM(PulseWidthModulated)脉冲调宽式;PFM(PulseFrequencyModulation)脉冲频率调变和充电泵式等,均已广泛应用于便携式仪表产品及通讯产品中。DC-DC电源模块的内部原理框图如图6-10所示。,图6-10DC-DC变换器电路图,6.3高压配线,6.3.1高压线缆,高压元器件之间通过线缆传递电能，而这些线缆对操作者也必然存在高压威胁，所以国际通用的标准是将这些高压线缆用颜色鲜明的橙色外皮或者护套保护起来，不仅能起到良好的绝缘作用还有必要的警示效果如下图6-11所示。,电动汽车上的高压线缆,由几段组成,例如北汽新能源汽车采用PDU的,整车共分为7段高压线束,如下图6-12所示,包括连接动力电池到PDU之间的线缆、连接快充口到PDU之间的线束、连接慢充口到PDU之间的线束、连接PDU到空调压缩机之间的线束、连接PDU到空调PTC之间的线束、连接PDU到电机控制器间的线束、连接电机控制器与电机的线缆。,图6-12外部高压线束及总成连接原理框图,6.3.2车辆电网回路,供电系统是由电源系统和输配电系统组成的产生电能并供应和输送给用电设备的系统。电力供电系统大致可分为TN，IT，TT三种。电网的结构就决定了从供电器（比如高压动力电池）到用电器（比如电机）的电能传输路径。国际上对于不同电网系统使用国际统一符号，其至少是由两位字母组成，具体如表6-2所示。,表6-2国际不同电网系统比较,TN系统在TN系统中，所有电气设备的外露可导电部分均接到保护线上，并与电源的接地点相连，这个接地点通常是配电系统的中性点。TN系统，称作保护接零。当故障使电气设备金属外壳带电时，形成相线和地线短路，回路电阻小，电流大，能使熔丝迅速熔断或保护装置动作切断电源。TN系统又分为TN-C（图6-13）、TN-S（图6-14）、TN-C-S（图6-15）三种表现形式。,图6-13TN-S系统,图6-14TN-C系统,图6-15TN-C-S系统,2.TT系统,在电源中性点直接接地的三相四线系统中，所有设备的外露可导电部分均经各自的保护线PE分别直接接地，称之为TT供电系统（图6-16）。第一个符号T表示电力系统中性点直接接地，第二个符号T表示负载设备外露不与带电体相接的金属导电部分与大地直接联接，而与系统如何接地无关。,图6-16TT系统,3.IT系统IT系统是指在电源中性点不接地系统中，将所有设备的外露可导电部分均经各自的保护线PE分别直接接地，称之为IT供电系统（图6-17）。IT系统一般为三相三线制。IT方式供电系统I表示电源侧没有工作接地。第二个字母T表示负载侧电气设备进行接地保护。,图6-17IT系统,4.电动汽车适用的电网结构-IT网络,电动汽车采用IT网的高压电供电网络结构，高压元件有绝缘监控供电系统的网络结构决定了从供电器（比如高压蓄电池）到用电器（比如电机）的电能传输路径。电源端的带电部分不接地或有一点通过阻抗接地，电气装置的外露可导电部分直接接地。为满足安全要求，纯电动汽车高压网络区别与12V低压车载电网及民用电网的结构形式，实质上是一种IT网：供电器与车身绝缘，用电器壳体与车身连接。相对于单个部件的安全接地，系统层面的安全接地作用更深一层，包含了电气安全和EMC设计。,IT系统，由于电源与车身没有导通连接，所以即便正极对壳体漏电，壳体与车架连接，也不会形成回路。保险丝不会熔断，也就不会被断电。接地目的主要是为了：保证等电位联接以及减少系统电磁干扰。,图6-19在电动汽车上应用IT系统,5.等电位连接,电动汽车的一个重要特点就是带有高压动力回路，为了防止因存在电势差造成的触电危险，在高压组件的外壳或者可导电的外盖等部件之间应该采用导线与车身支架相连的方式，以达到等电势的效果。,图6-20等电位连接,6.充电状态时的TT或者TN网络应用TT网络是将电气设备的外露可导电部分用保护线与大地直接连接的防护措施。一般可作为一种电击防护措施应用在电动汽车充电系统中。图6-21所示对电动汽车车身采用保护接地措施，即利用PE线（通过充电线缆）直接接地，与民用供电网络构成TT形式。此时如果人员站在地面上接触到带有危险电压（由于充电设施漏电）的设备外壳(例如图中所示的电动汽车车身外壳)。,图6-21电动汽车车身保护接地措施,6.4绝缘防护与电隔离,1.绝缘防护（1）绝缘防护等级中华人民共和国国家标准GB/T18384.32015电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护内容中电路的电压分级里明确规定：根据电路的工作电压U,将电路分为A/B两级，如表6-3所示。,表6-3电动汽车的工作电压等级划分,表6-4关于绝缘防护的一些重要定义（根据GB/T18384.32001）,（2）类设备类设备是指依靠基本绝缘对带电部件进行防触电保护，并把这个设备中外露可导电部件与保护导体相连的设备。,图6-22一类设备,（3）类设备类设备是指使用双重绝缘或加强绝缘进行防触电保护的设备，如图6-23所示,图6-23二类设备,（4）触电防护,触电防护应包含防止人员与任何带电部件的直接接触和在带电部件的基本绝缘故障的情况下的触电防护。对于A级电压的电路不要求提供触电防护。直接接触防护：对于任何B级电压电路的带电部件，都应为人员提供危险接触的防护。直接接触防护应由带电部件的基本绝缘提供或由遮挡/外壳，或两者的结合来提供，并满足标准中涉及的要求。基本绝缘故障情况下的防护：任何B级电压电路的带电部件的基本绝缘故障时，应防止人员与外露可导电部件接触而导致的触电电危害。故障情况下，应由类设备（满足电位均衡要求）和类设备（满足绝缘要求）或两者组合来防护。,2.电气隔离,电气隔离的基本原理如右图6-24所示，左侧为供电方一侧，右侧为用电方一侧。如果左侧N级接地，那么人员a是很危险的，一般其站在地面上碰触L线，则会形成从L-a-N的回路，电流流过人体，造成伤亡。,图6-24电气隔离,电动汽车中的DC-DC转换器中的变压器起到了电气隔离的绝缘效果，将高压与低压完全隔离开，如下图6-25,图6-25DC-DC隔离高低压,3.手动断开装置,在电动汽车的装配、保养和维修的操作中，需要有手动断开的电气回路的功能，保证在操作过程中人员和能接触到的电气设备上面不带有危险电压。,图6-26手动断开装置结构与原理,4.自动断路当存在某些特殊条件（如碰撞、绝缘故障、高压电气回路断开、过流或者短路等）发生时，自动断路功能可以在没有使用者干预的情况下，通过继电器、断路器等装置将高压回路电气回路断开，从而达到保护人员和电气系统安全的目的。自动断路装置要具备人工复位的能力。,5.环路互锁安全回路线是个环形线路，通过低压元件（互锁信号源）来收发信号来监控高压电网，来检查整个高压产品、导线、连接器及护盖的电气完整性（连续性），安全回路线要是断路的话，会导致高压系统立即被切断，如图6-27所示：,图6-27大众公司混合动力汽车互锁环路系统原理,6.功能互锁（）充电互锁出于安全考虑，电动汽车要带有充电互锁的功能，即在充电时电动汽车动力系统要处在断开的状态，以防止电动汽车连接在充电电源上时被意外起动。一些电动汽车是通过车辆端的充电插口实现该功能的，当充电插口插入充电插头时，控制系统会辨认插头已经连接到位。这时车辆的起动开关即便处于的位置，操作人员也不能真正起动车辆，加速踏板是失效的。,（）高压互锁高压互锁设计的目的是整车在高压上电前确保整个高压系统的完整性，使高压处于一个封闭的环境下工作提高安全性。当整车在运行过程中高压系统回路断开或者完整性受到破坏的时候，需要启动安全防护，防止带电插拔高压连接器给高压端子造成的拉弧损坏。,7.主动放电当高压电路与电池包断开后（例如，自动断开装置或手动断开装置启动时），由于有容性储能元件及线束上本身存在的容性，高压母线仍会残留有对人体造成电击伤害的危险电压，因此有必要将高压母线的电压释放到安全范围内。根据电压和能量的情况以及电压衰减所需要的时间，不同的制造商可能有不同的方案和设计。某些电动汽车高压系统断电后采用电阻放电就是其中一种方案。,图6-28为奥迪混合动力汽车电子驱动单元主动放电结构与原理图，主动放电由动力电池管理系统来控制，每当高压系统被切断或者低压控制线路被切断时，控制器就会闭合放电电阻支路上的开关，就会与主动放电的动作发生：使中间电容与电阻构成临时回路，电流流过电阻，能量以热量的方式消耗掉。,图6-28奥迪混合动力汽车电子驱动单元主动放电结构与原理,8.高压熔断器纯电动汽车的驱动部分及高压附件系统的电源均为高压动力电池电源，为保护车辆及乘员安全，相关动力电池电源回路均选用相应高压熔断器作为短路保护的措施。在遇到过流或者短路情况下理想熔断器的断开时间不高过5ms，图629为电动汽车典型的熔断器布置方案。,图6-29电动汽车典型的熔断器布置方案,、高压系统是指电动汽车内部与动力电池直流母线相连或动力电池电源驱动的高压驱动零部件系统，主要包括但不限于：动力电池系统和或高压配电系统（高压继电器、熔断器、电阻器、主开关等）、电机及其控制器系统、电动压缩机总成、转换器、车载充电机（如果配置）和加热器等。,本章小结,、电动汽车整车行驶过程中，一般由（直流直流）转换器给整车低压系统供电，同时给低压蓄电池充电，基本不需要低压蓄电池向外输出电流；低压电气系统的供电与低压蓄电池的充电是通过以上的高压直流电转化而来的，因此把这个转化装置叫做转换器，在新能源汽车上主要使用的是降压转换器。,、高压元器件之间通过线缆传递电能，而这些线缆对操作者也必然存在高压威胁，因此国际通用的标准是将这些高压线缆用颜色鲜明的橙色外皮或者护套保护起来，不仅能起到良好的绝缘作用还有必要的警示效果。、为满足安全要求，纯电动汽车高压网络区别于低压车载电网及民用电网的结构形式，实质上是一种网：供电器与车身绝缘，用电器壳体与车身连接。相对于单个部件的安全接地，系统层面的安全接地作用更深一层