电动汽车高压电气系统的组成

电动汽车高压电气系统的组成

2013-03-14

根据不同的电动汽车动力系统构型，高压电气系统具有不同的电气部件。一般，电动汽车高压电气的最大系统是采用燃料电池组或内燃机／发电机组和动力电池组构成的双电源结构。燃料电池组或内燃机／发电机组是车辆运行的主要动力源，动力电池组是辅助动力源。如图8-2所示，当采用燃料电池组为主要动力源时，动力电池组在车辆启动过程中通过启动控制单元为燃料电池的启动提供能量。在车辆加速过程中，当燃料电池输出功率不足时，动力电池组放电以补充车辆加速所需能量。当车辆减速和制动时，动力电池组吸收制动能量，这种结构降低了整车运行对燃料电池峰值功率和动态特性的要求，有利于提高整车电气系统的可靠性。由于燃料电池组和动力电池组具有不同的输出电压范围和电源外特性，难以直接并联使用，因此，在燃料电池组的输出端串接一个升压式DC／DC变换器，对燃料电池的输出电压进行升压变换及稳压调节，DC／DC变换器的输出电压和动力电池组的工作电压相匹配，该电压称为高压电气系统的母线电压。母线电压通过各种电源变换器向驱动机构、动力转向机构和气压制动机构中的电机等大功率电气设备提供电能，实现车辆的行驶、转向和制动等功能。

图8-3是燃料电池电动汽车高压电气系统的物理部件组成和连接。从图中可以看出，燃料电池组通过升压DC／DC变换器输出的直流高压母线和动力电池的输出端并联，直流母线在高压配电中心形成直流正极母线和负极母线的汇流排，分别通过高压接触器K11～K22和熔断器F11～F27控制不同的电气部件。在燃料电池电动汽车中，转向系统中的液压油泵和制动系统中的空气压缩机分别由相应的电机驱动，因此，高压直流母线不仅要通过K21和F21为驱动电机系统提供电能，还要分别通过K22和F25、K21和F21为转向系统电机和制动系统电机提供电能。

高压电气系统的漏电检测

2013-01-30

我国制定的关于电动汽车的国家标准与国际标准是一致的，标准中规定电动汽车的绝缘状况以绝缘电阻来衡量。动力蓄电池的绝缘电阻定义为：如果动力蓄电池与地（车底盘）之间的某一点短路，最大（最坏情况下的）泄漏电流所对应的电阻。

准确、实时地检测高压电气系统对车辆底盘绝缘性能，对保证乘客安全、电气设备正常工作和车辆安全运行具有重要意义。对电动汽车绝缘电阻的研究方法大同小异，主要是在直流母线正负极和电底盘之间接人电阻，通过电子开关或高压继电器接通电阻和电底盘，然后测量这些电阻上的电压或电流，再计算得到绝缘电阻的大小。这些方法都需要电子开关或高压继电器以及电流或电压传感器。

因为纯电动汽车要测量的绝缘电阻各支路都是由动力蓄电池供电，因此电动汽车直流高压母线（包括各支路）的绝缘电阻也完全可以引用上述定义。实际上，直流母线正、负两极分别有自己的对地电阻，可以将它们等效为两个电阻：R P和R N，其电路模型如图4-16、

图4-17所示，其中V b代表动力蓄电池电压，地即为电动汽车底盘，V P为正对地电压，V N 为地对负电压，那么整车绝缘电阻按照动力蓄电池绝缘电阻的定义应该取两者之中的较小者，因为如果高压回路的一端与底盘短接时，则产生的电流取决于另一端子的对地电阻，显然这个电阻越小，则允许流过的电流就越大，产生的危害性就越大。参考电动汽车国家标准，如果人或其他物体构成高压电路与地之间的外部电路，最坏的情况下泄漏电流不允许超过

2mA，这是人体没有任何感觉的阈值。虽然正常情况下电动汽车的绝缘电阻是很大的，但

事实上，高压母线两端子对地线的绝缘电阻阻值是有限的，而且一般认为它们是不等的，只是理论上存在有两种极限情况。

(1)理想绝缘如果直流高压回路完全绝缘，任何一点对地短接都不会产生电流，可以认为绝缘电阻是“无限大的”。

(2)绝缘短路如果直流高压回路一端与底盘短接，就会有电流流过外部电路，电流的大小就仅取决于外部电阻，此时绝缘电阻为零。

电动汽车绝缘性能检测装置主要完成测量、预警、显示和通信四大部分的功能。为实现整车功能控制和高压自动切断保护，在电动汽车的高压系统中必须配置可自动切断主回路的接触器，根据整车设计需要，有些电动车辆的主回路上甚至有两个以上的相关部件，如果高压接触器发生闭合或断开失效，且不能及时采取有效措施，轻者会发生不能实现正常控制的情况，重者会产生重大安全事故，所以对高压接触器的执行状态进行有效、实时的监控，对电动汽车的安全、可靠运行有十分重要的意义。

对于接触器或继电器的状态监测方法有两种，一种是监测其线圈的得电情况，另一种是对触点本身进行监测。前一种方法简单，但对于监测对象来说，得电状态是间接反映，后一种方法直接，但实现有一定难度。

对于泄漏电流的检测，现在普遍采用两种方法：辅助电源法和电流传感法。

1．辅助电源法

在我国某些电力机车采用的漏电检测器中，使用一个直流110V的检测用辅助蓄电池，蓄电池正极与待测高压直流电源的负极相连，蓄电池负极与机车机壳实现一点连接。在待测系统绝缘性能良好的情况下，蓄电池没有电流回路，漏电流为零；在电源电缆绝缘层老化或环境潮湿情况下，蓄电池通过电缆线绝缘层形成闭合回路、产生漏电流，检测器根据漏电流的大小进行报警，并关断待测系统的电源。这种检测方法需要直流110V的辅助电源，增加了系统结构的复杂程度，而且这种检测方法难以区分绝缘故障源是来自电源的正极引线还是负极引线。

2．电流传感法

采用霍尔电流传感器是对高压直流系统进行漏电检测的另一种方法，将待测系统中电源的正极和负极一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从电源正极流出的电流等于返回到电源负极的电流，因此，穿过电流传感器的总电流为零，电流传感器输出电压为零；当发生漏电现象时，电流传感器输出电压不为零。根据该电压的正负可以进一步判断产生漏电流的来源是来自正极还是负极。但是，用这种检测方法的前提是待测电源必须处于工作状态，要有工作电流的流出和流人，它无法在电源空载状态下评价电源的对地绝缘性能。

在目前的一些电动汽车研发产品中，采用母线电压在“直流正极母线一底盘”和“直流负极母线一底盘”之间的分压来表征直流母线相对于车辆底盘的绝缘程度，但是，这种电压分压法只能表征直流正负母线对底盘的相对绝缘程度，无法判别直流正负母线对底盘绝缘性能同步降低的情况；同时，对直流正、负极母线对底盘绝缘电阻差异较大的情况会出现绝缘性能下降的误判。严格地说，对于电动汽车，只有定量地分别检测直流正极母线和负极母线对底盘的绝缘性能，才能保证电动汽车的电气安全性。

高压电气系统绝缘性能检测

2013-01-18

对于封闭回路的高压直流电气系统，其绝缘性能通常用电气系统中电源对地漏电流的大小来表征，现在普遍使用两种漏电流检测的方法：辅助电源法和电流传感法。在我国某些电力机车采用的漏电检测器中，使用一个直流110V的检测用辅助蓄电池，蓄电池正极与待测高压直流电源的负极相连，电动汽车蓄电池负极与机车机壳实现一点连接。在待测系统绝缘性能良好的情况下，蓄电池没有电流回路，漏电流为零；在电源电缆绝缘层老化或环境潮湿等情况下，蓄电池通过电缆绝缘层形成闭合回路，产生漏电流，检测器根据漏电流的大小报警，并关断待测系统的电源。这种检测方法不仅需要直流110V的辅助电源，增加了系

统结构的复杂程度；而且这种检测方法难以区分绝缘故障源是来自电源正极引线电缆还是负极引线电缆。采用霍尔式电流传感器是对高压直流系统进行漏电检测的另一种方法。将待测系统中电源的正极和负极一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从电源正极流出的电流等于返回到电源负极的电流，因此，穿过电流传感器的总电流为零，电流传感器输出电压为零；当发生漏电现象时，电流传感器输出电压不为零。根据该电压的正负可以进一步判断产生漏电流的来源是来自电源正极引线电缆还是电源负极引线电缆。但是，应用这种检测方法的前提是待测电源必须处于工作状态，要有工作电流的流出和流人，它无法在电源空载状态下评价电源的对地绝缘性能。对于电动汽车，要求在车辆行驶之前、高压电源空载条件下，能够检测电源对车辆底盘的绝缘性能，而且还要求分别定量地检测电源正极引线电缆和负极引线电缆对底盘的绝缘性能。因此，上述检测方法不适用于电动汽车。绝缘体是相对导电体而言的，在直流电源系统中，定量描述一种介质绝缘性能和导电性能的物理量是电阻。导体的电阻小，绝缘体的电阻大，绝缘体电阻的大小表征了介质的绝缘性能，电阻越大，绝缘性能越好，反之亦然，称绝缘体电阻大的电阻为绝缘电阻。在电动汽车的高压电气系统中，利用电源的正极引线电缆和负极引线电缆对底盘的绝缘电阻来反映电气系统的绝缘性能。

当电动汽车上的电路系统发生漏电，将直接对乘员的生命造成严重威胁，同时漏电也将影响车上低压电气和车辆控制器的正常工作。因此，在电源本身安全可靠的条件下，应通过实时测量高压电路与地间的绝缘电阻，根据其大小判断系统绝缘性能，并在电源绝缘性能不好时采取相应的保护措施。

高压电气系统的安全性

2013-03-08

电动汽车动力系统的一个重要特点就是具有高电压、大电流的动力回路。为了适应电动机驱动工作的特性要求并提高效率，高压电气系统的工作电压可以达到300V以上，而且电力传输线路阻抗很小。高压电气的正常工作电流可能达到数十甚至数百安培，瞬时短路放电电流更是成倍增加。高电压和大电流会危及车上乘客的人身安全，同时还会影响低压电气和车辆控制器的正常工作。因此，在设计和规划高压电气系统时不仅应充分满足整车动力驱动要求，还必须确保车辆运行安全、驾乘人员安全和车辆运行环境安全。

根据电动汽车的实际结构和电路特性，设计安全合理的保护措施，是确保驾乘人员和车辆设备安全运行的关键。为了保证高压电安全，必须针对高压电防护进行特别的系统规划与设计。国际标准化组织和美国、欧洲、日本等先后发布了若干电动汽车的技术标准，它们对电动汽车的高压电安全及控制制定了较为严格的标准和要求，并规定了高压系统必须具备高压电自动切断装置。其中涉及电动车安全有关的电气特性有：绝缘特性、漏电流、充电器的过电流特性和爬电距离及电器间隙等。

电动汽车的运行情况非常复杂，在运行过程中难免会出现部件间的相互碰撞、摩擦、挤压，这有可能使原本绝缘良好的导线绝缘层出现破损、接线端子与周围金属出现搭接、高压电缆绝缘介质老化或潮湿环境影响等因素都会导致高电压电路和车辆底盘之间的绝缘性能下降，电源正负极引线将通过绝缘层和底盘构成漏电流回路。当高电压电路和底盘之间发生多点绝缘性能下降时，还会导致漏电回路的热积累效应，可能造成车辆电气火灾。因此，高压电气系统相对车辆底盘的电气绝缘性能的实时检测，也是电动汽车电气安全技术的重要内容。

电动汽车电气安全监测系统需要实时监测整车电气状态信息，如总电压、总电流、正负母线对地电压值、正负母线绝缘电阻值、辅助电压、继电器连接情况等，并通过CAN总线输出测得的各部分状态机数值，输出系统的报警状态和通断指令，从而确保电动汽车的安全运行。

电动汽车的电气安全技术

2013-03-14

在电动汽车中，高压电气系统的工作电压可以达到300V以上，较高的工作电压对高压系统与车辆底盘之间的绝缘性能提出了更高要求。高压电缆线绝缘介质老化或受潮湿环境影响等因素都会导致高电压电路和车辆底盘之间的绝缘性能下降，电源正负极引线将通过绝缘层和底盘构成漏电流回路，使底盘电位上升，不仅会危及乘客的人身安全，而且将影响低压电气和车辆控制器的正常工作。当高电压电路和底盘之间发生多点绝缘性能严重下降时，还会导致漏电回路的热积累效应，可能造成车辆的电气火灾。因此，高压电气系统相对车辆底盘的电气绝缘性能的实时检测是电动汽车电气安全技术的核心内容，对乘客安全、电气设备正常工作和车辆安全运行具有重要的意义。

1．电气绝缘检测的一般方法

对于封闭回路的高压直流电气系统，其绝缘性能通常用电气系统中电源对地漏电流的大小来表征，现在普遍使用两种漏电流检测的方法：辅助电源法和电流传感法。

1）辅助电源法

在我国某些电力机车采用的漏电检测器中，使用一个直流110V的检测用辅助蓄电池，蓄电池正极与待测高压直流电源的负极相连，蓄电池负极与机车机壳实现一点连接。在待测

系统绝缘性能良好的情况下，蓄电源没有电流回路．漏电流为零；在电源电缆绝缘层老化或环境潮湿等情况下，蓄电池通过电缆线绝缘层形成闭合回路、产生漏电流，检测器根据漏电流的大小进行报警，并关断待测系统的电源。这种检测方法不仅需要直流110V的辅助电源，增加了系统结构的复杂程度；而且，这种检测方法难以区分绝缘故障源是来自电源的正极引线电缆还是负极引线电缆。

2）电流传感法

采用霍尔式电流传感器是对高压直流系统进行漏电检测的另一种方法，将待测系统中电源的正极和负极一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从电源正极流出的电流等于返回到电源负极的电流，因此，穿过电流传感器的总电流为零，电流传感器输出电压为零；当发生漏电现象时，电流传感器输出电压不为零。根据该电压的正负可以进一步判断产生漏电流的来源是来自电源正极引线电缆还是电源负极引线电缆，但是，应用这种检测方法的前提是待测电源必须处于工作状态，要有工作电流的流出和流入，它无法在电源空载状态下评价电源的对地绝缘性能。

在目前的一些电动汽车研发产品中，采用母线电压在“直流正极母线一底盘” 和“直流负极母线一底盘”之间的分压来表征直流母线相对于车辆底盘的绝缘程度，但是，这种电压分压法只能表征直流正、负母线对底盘的相对绝缘程度，无法判别直流正、负母线对底盘绝缘性能同步降低的情况；同时，对直流正、负母线对底盘绝缘电阻差异较大的情况会出现绝缘性能下降的误判断。严格地说，对于电动汽车，只有定量地分别检测直流正极母线和负极母线对底盘的绝缘性能，才能保证电动汽车的电气安全性。

2．电动汽车电气绝缘性能的描述

电动汽车的电气设备直接安装在车辆底盘上，每个电气设备都有独立的电流回路，与底盘之间没有直接的电气连接。整个高压系统是与底盘绝缘、封闭的电气系统。

绝缘体是相对导电体而言的，在直流电源系统中，定量描述一种介质绝缘性能和导电性能的物理量是电阻。导体的电阻小，绝缘体的电阻大，绝缘体电阻的大小表征了介质的绝缘性能。电阻越大，绝缘性能越好，反之亦然，称该电阻为绝缘电阻。在电动汽车的高压电气系统中，分别利用电源的正极引线电缆和负极引线电缆对底盘的绝缘电阻，来反映电气系统的绝缘性能。

3．绝缘电阻检测原理

为了检测上述绝缘电阻，直接将车载高压电源作为检测电源。在电源正极、负极和车辆底盘之间建立了桥式阻抗网络，如图8-18所示。其中，A点与电源正极相连，B点与电源负极相连，O点与车辆底盘相连。Uo为高压电源的输出电压，Rg1、Rg2分别为高压电源正、负极引线对底盘的绝缘电阻，R为限流电阻，取R=51kΩ。VT1、VT2为电子控制的开关管，通过控制VT1和VT2的导通与关断，改变了A点和B点之间的等效电阻和电源的输出电流I，根据Uo、I和等效电阻之间的关系，计算出Rg1和Rg2。

相对电压Uo而言，开关管VT1和VT2的导通电压很小，可以忽略不计。在电动汽车运行过程中，电压Uo不是恒定不变的，其读数需要和电流I同时采集。当VT1导通、VT2关断时，桥式阻抗网络的等效形式为Rg1与R并联后与Rg2串联，这时，电源电压为Uo1、电流为I1：

（8-18）

当VT2导通、VT1关断时，桥式阻抗网络的等效形式为Rg2与R并联后与Rg1串联，这时，电源电压为Uo2、电流为I2：

（8-19）

当高压电源正、负极引线对底盘的绝缘性能较好，满足Rg1>10R、Rg2>10R时，可以做以下近似处理：

（8-20）

（8-21）

由式(8-18) -式(8-21)，得到：

(8-22)

(8-23)

如果VT1和VT2同时关断时，电流I大于2mA，说明绝缘电阻Rg1、Rg2之和小于250Ω，电源的的正、负极引线电缆对底盘的绝缘性能都不好，检测系统不再单独检测Rg1和Rg2，立即发出报警信号。

在待测电源输出端建立阻抗网络是电动汽车电气绝缘性能检测的新方法，电路结构简单，能够分别定量检测电源正、负极对车辆底盘的绝缘性能。