纯电动汽车高压原理设计讲解学习

纯电动汽车高压原理设计

一、电动汽车概述

1.1 电动汽车定义及组成

电动汽车（EV，electric vehicle）是指以车载电源为动力，由电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

电动汽车区别于内燃机汽车的最大不同点是动力系统由电力驱动系统组成，电力驱动系统是电动汽车的核心，由驱动电机及其控制器、动力电源、高压配电系统和电力附件组成，电动汽车的其他装置则基本与内燃机汽车相似。

目前，电动汽车上使用的驱动电机广泛采用为永磁无刷或异步交流电机，随着电机和电机控制技术的发展，开关磁阻电机和轮毂电机等势必成为将来电动汽车驱动电机应用的方向。

目前，电动汽车上应用最广泛的动力电源是锂离子动力电池，但随着新型储能装置的发展和技术革新，类似燃料电池、金属电池、超级电池、超级电容等储能装置也将会改变电动汽车应用的进程。

1.2 电动汽车的分类

电动汽车的种类：纯电动汽车(BEV，battery electric vehicle )、混合动力汽车(HEV，Hybrid-electric vehicle)、燃料电池汽车(FCEV，Fuel cell electric vehicle)。

纯电动汽车，驱动电机的能源完全来自于车载电力储能装置——动力电池。

混合动力汽车，驱动电机的能源来自于传统或新型燃和电力储能装置。

串联式混合动力汽车（SHEV）：车辆的驱动力只来源于电动机。

并联式混合动力汽车（PHEV）：车辆的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给。

混联式混合动力汽车（CHEV）：同时具有串联式、并联式驱动方式。

燃料电池汽车：以燃料电池作为动力电源的汽车。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是完全无污染的汽车。

1.3 电动汽车的历史

早在1873年，由英国人罗伯特·戴维森用一次电池作动力发明了可供实用的

电动汽车，这比德国人戴姆勒和本茨发明汽油发动机汽车早了10年以上。随后，从1881年开始，广泛应用了可以充放电的二次电池，由此电动汽车需求量有了很大提高。由于当时车用内燃机技术还相当落后，行驶里程短，故障多，维修困难，而电动汽车却维修方便，所以在19世纪的下半叶成为交通运输的重要产品，当时汽车使用主要有蒸汽机汽车、电动汽车、内燃气车，由于受当时生产力和发展的限制，电动汽车充电时间长、续驶里程短的问题还不突出，在1900年美国制造的汽车数量中，电动汽车为15755辆，蒸汽机汽车1684辆，而汽油机汽车只有936辆。可是进入20世纪以后，由于内燃机技术的不断进步（启动电机技术的应用、高性能点火装置等），1908年美国福特汽车公司T型车问世，以流水线生产方式大规模批量制造汽车使汽油机汽车开始普及，致使在市场竞争中蒸汽机汽车与电动汽车由于存在着技术及经济性能上的不足，使前者被无情的岁月淘汰，后者则呈萎缩状态。

二、纯电动汽车高压原理设计

2.1 纯电动汽车高压主回路设计

纯电动汽车的高压主回路如图2.1所示，由动力电池、正、负极接触器、预充电回路（预充电接触器和预充电阻）、高压负载（电机控制器和高压器件）组成。其中，由于电机控制器和一些高压用电设备内部有较大的电容电路，为了高压电路接通瞬间的用电安全，设计了预充电回路，即预充电接触器和预充电阻。

图2.1 纯电动汽车高压主回路图

纯电动汽车的控制回路，是指纯电动汽车高压主回路里面高压接触器的低压控制回路以及控制器等低压控制装置在高压原理图中的控制回路，如图2.2所示，主要工作电压为12/24V。

图2.3 纯电动汽车的控制回路设计

2.3纯电动汽车的高压检测回路设计

纯电动汽车的高压原理图设计中，需要对高压回路中的电压、电流、绝缘电阻等高压信号进行实时检测，所以高压原理图中的高压检测设计是十分重要的，如图2.3所示。

图2.3高压检测设计

如图2.4所示，为某车型纯电动汽车的高压原理图。图中高压原理设计了高压配电系统的开盖互锁、高压接插件互锁、充电互锁、放电控制等高压安全控制电路。

图2.4 纯电动汽车高压原理图

三、纯电动汽车高压器件选型

3.1 高压接触器选型

高压接触器起着高压回路接通与切断的作用，是高压回路重要开关，在选型时要根据高压电气参数做适当选择，主要指标有电压等级、电流承受能力、带载切断能力与次数、灭弧能力、辅助触点功能、安装方式与结构特点等，如图3.1为美国泰科高压接触器的外形图。

泰科LEV100 泰科EV200

图3.1泰科接触器外形图

3.2 高压熔断器选型

高压熔断器起到对高压回路中高压线束以及高压用电器的过流保护的作用，即在大电流或短路电流通过的时候，及时熔断以保护高压用电器不因大电流的冲击而受到损害盒保护过流导致高压线束的升温甚至熔断起火。高压熔断器选型也应考虑电压等级，电流分断能力，分断特性等要求，如图3.2为巴斯曼高压熔断器外形图。

图3.2 BUSSMANN熔断器

3.3 预充电阻和预充时间的确定

前面说过了，为了避免内含较大容量电容的用电设备在上电时产生大电流冲击高压用电器、高压接触器和高压熔断器，设计了预充电回路，但是选择多大的预充电阻和控制多长的预充电时间，还需要经过科学的计算，如式3-3所示，为预充电回路设计的理论计算依据。

根据公式Vc=E(1-e-(t/R*C))………………………………………………（式3-3）式3-3中，Vc为预充电容两端电压，E为动力电池两端电压，C为预充总电容，t为充电时间，R为预充电阻。

由上式计算出充电电阻R和预充电时间t。

3.4 放电电阻和时间的确定

同理，在高压系统下电后，那些内部含有大容量电容的高压用电设备还储存有大量的电能，对整车和人员的安全产生极大的危险，所以需要设计放电电路泄放掉大容量电容内的电能，一般要求高压用电设备自带泄放回路，但安装不满这一要求用电设备的车辆，就需要单独设计泄放回路，泄放回路中电阻和时间的确定也是有科学的理论计算依据的，如3.4式。

根据公式Vc=E* e-(t/R*C)………………………………………………（式3-4）

式3-4中，Vc=36V（安全电压），E为动力电池两端电压，C为高压回路总电容值，t为放电时间，R为放电电阻。

由式3-4计算出放电电阻R和放电时间t。

四、高压原理设计中的改进和创新

4.1 互锁设计

顾名思义，互锁就是指某两种功能或状态的相互锁定，即通过软件或硬件手段实现的，同一时刻或工况下只能有一种状态存在的可能。前面已经在高压原理设计中体现了高压系统内的互锁设计：充电互锁、开盖互锁、插接件互锁等。

4.2 预充与放电设计

4.3 绝缘电阻实时监测设计

绝缘电阻是指绝缘物在规定条件下的直流电阻。

绝缘电阻是电气设备和电气线路最基本的绝缘指标，在本应电气隔离的两个介质中加直流电压，经过一定时间极化过程结束后，流过电介质的泄漏电流对应的电阻称绝缘电阻。

对于纯电动汽车，国家标准GB/T 18384中对动力电池及高压用电器的绝缘电阻有着明确的规定和要求。

4.4 专利

在工作中，处处存在着问题和解决问题的情况，善于总结就会从平凡的工作中体会到不平凡的发现和改善，结合科学的手段，不难就可以从中得到颇丰的收获。