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纯电动汽车高压电气系统设计原理来源：线束工程师技术丨编辑 / 小连整理 / 小连本文介绍了纯电动汽车高压电气系统原理设计的各个方面和注意事项，文章对多个研发项目中纯电动汽车高压电系统出现的故障及存在的安全隐患进行分析，并提出一整套针对高压电系统安全防护、故障处理及碰撞安全的设计方案，对纯电动汽车高压系统安全设计具有一定的参考意义。
以下为正文。
一、纯电动汽车电气系统安全分析纯电动轿车电气系统主要包括低压电气系统、高压电气系统及CAN 通讯信息网络系统。
1.低压电气系统采用 12 V 供电系统，除了为灯光照明系统、娱乐系统及雨刷器等常规低压用电器供电外，还为整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC 转换器及电动空调等高压附件设备控制回路供电；2.高压电气系统主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC 电压转换器、电动空调、电暖风、车载充电系统、非车载充电系统及高压电安全管理系统等；3.CAN 总线网络系统用来实现整车控制器和电机控制器、以及电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机和非车载充电设备等控制单元之间的相互通信。
人体的安全电压及电流纯电动汽车电压和电流等级都比较高，动力电压一般都在300～400 V（直流），电流瞬间能够达到几百安。
人体能承受的安全电压值的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。
有关研究表明，人体电阻一般在 1 000～3 000 Ω。
人体皮肤电阻与皮肤状态有关，在干燥、洁净及无破损的情况下，可高达几十千欧，而潮湿的皮肤，特别是受到操作的情况下，其电阻可能降到1 000 Ω 以下。
由于我国安全电压多采用 36 V，大体相当于人体允许电流 30 mA、人体电阻 1 200Ω的情况。
所以要求人体可接触的电动汽车任意2 处带电部位的电压都要小于36 V。
根据国际电工标准的要求，人体没有任何感觉的电流安全阈值是 2 mA，这就要求人体直接接触电气系统任何一处的时候，流经人体的电流应该小于2 mA 才认为整车绝缘合格。
氢能源纯电动汽车高压系统的组成和设计1前言汽车作为重要的交通工具，为人们生活带来便捷和舒适的同时，也带来了诸多负面影响，能源消耗、环境污染和温室效应已经成为全球性难题，寻求替代能源、发展绿色交通刻不容缓。
新能源汽车以汽油、柴油之外的非常规的车用替代燃料或者电能、太阳能等动力能源，具有污染小、噪声低、转换效率高、使用成本低等优点，被视为汽车工业节能减排、减少对石油依存的最有效途径。
我国传统汽车工业基础相对薄弱，技术创新能力较低，许多关键核心技术受制于人，与汽车工业发达国家之间差距仍然较大。
目前，国务院印发的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中将新能源汽车列入七大战略新兴产业之一，在国家政策的大力支持下，行业发展迅速，我国汽车工业以纯电驱动作为技术转型的主要战略方向，重点突破电池、电机和电控技术，推进纯电动汽车产业化发展。
2新能源汽车的概述新能源汽车基础的是 EV：Electric vehicle（电动车），顾名思义就是使用电作为动力的汽车。
EV 这个概念是“元概念”。
所谓新能源汽车的分类，就是在“EV”前面，增加了一些修饰性的前缀而已。
2.1纯电动汽车（BEV：Battery Electric Vehicle）BEV 是由电动机驱动的汽车，单纯由车载可充蓄电池或者其他能量储存装置来提供动力的车型。
图 1 纯电动汽车构造图电池有两种方案：三元锂电池和磷酸铁锂电池。
一般来说，乘用车倾向于采用三元锂电池，而商用客车用磷酸铁锂电池会更合适，也有使用钛酸锂电池的案例。
2.2燃料电池电动车（FCEV：Fuel Cell Electric Vehicle）燃料电池车指的就是以燃料电池作为动力电源的汽车。
燃料电池是氢为燃料的静态发电系统，通常还带有一组动力电池作为辅助动力源，燃料电池汽车与纯电动汽车除了动力源不同之外，其驱动电机、传动系统等部件都完全相同。
FCEV 在运行过程中只会产生水，氢燃料电池本身也不会造成污染，所以 FCEV 有很多独特的优势。
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。
电动汽车高压系统的组成部件与功能介绍你知道电动汽车那高压系统，听起来是不是很高大上？别看名字这么专业，它的构成也就那么几样东西，平时开车的时候可能都没注意到。
这些零件就像是汽车的“心脏”和“神经系统”，稍微出点小问题，整辆车就可能“罢工”，但是只要一切都正常，你就可以享受那种“开车像飞一样”的爽快感。
今天我们就来聊聊电动汽车高压系统的那些事儿，保证让你一听就懂，轻松又有趣。
首先说说电池。
你看，电池就是电动汽车的“能量源泉”，没有它，车子就成了个“死猪”。
电动汽车一般都用锂电池，这种电池储能大，放电速度快，能让你一脚油门下去，感觉像是“开了挂”一样。
不过，这个电池可不是小事儿，电压高达几百伏，搞不好有点儿“触电”的风险，所以它得被保护得好好的。
电池组通常都被装在车底，像是“车子的骨架”，稳稳当当的。
电池管理系统（BMS）就像是电池的“保镖”，负责监控电池的温度、电压、状态啥的，确保它不打瞌睡。
然后就是高压配电系统。
这个家伙有点像电动汽车的“交通警察”，它负责把电池里的电流分配到各个地方。
要知道，电池里面的电是高压电，可不能乱接乱用。
配电系统的任务就是把这些电流分配得妥妥当当，让每个需要的地方都能及时拿到电，像是给发动机、空调、动力系统供电一样。
这套系统好比是把车子里所有电流的“路况”搞得井井有条，要是出点问题，车子就可能“卡壳”了，甚至一度不能行驶。
说到高压系统，肯定离不开充电系统了。
你要知道，电动汽车可不像油车加油，充电也是个“技术活”。
充电系统就像是车子的“加油站”，负责把电池充得满满的。
充电桩和车子之间要通过高压电缆连接，这可不是一般的电线，电压可高了，万一弄错了可不只是一根“烧焦的电线”那么简单。
充电桩一旦插上，电流就会开始流动，充电的速度也和你选的模式有关，有的是慢充，有的是快充。
你得看情况来选择，千万别等车开到电量仅剩1%的时候再去充电，想想也挺着急。
说完了这些，还得提一提电动汽车的高压开关和保护装置。
大众ID.4纯电动汽车是2021年世界年度车型，高电压系统经过全新设计，与模块化纯电动平台架构无缝集成。
动力蓄电池是车辆底盘的一部分，安装在车辆下部，以提供较低的重心。
ID.4纯电动汽车高电压系统如图1所示。
图1 ID.4纯电动汽车高电压系统ID.4上市后先配备了82kWh的动力蓄电池，稍后将提供62kWh动力蓄电池的车型。
82kWh动力蓄电池在12个电池模块中有288个单体电池。
这些电池模块安装在一个轻型铝制结构的壳体中，动力蓄电池外壳用螺栓固定在车身上。
ID.4可以通过交流(AC)和直流(DC)快速充电桩充电。
车载充电器允许ID.4充电使用家用或公共2级充电桩，动力蓄电池充电1h，可以行驶约53km，并在约7.5h内充满电(图2)。
在直流快速充电站，使用125kW的充电桩，ID.4可以在大约38min内从5%充电到80%，充电口如图3所示。
图2 ID.4充电◆文/北京 冯永忠大众ID.4纯电动汽车高电压系统详解(上)图3 ID.4充电口一、电气元件位置ID.4纯电动汽车的高电压电气元件包括动力蓄电池AX2、电压转换器A19、高电压加热器(PTC)ZX17、PTC加热器元件Z132、空调压缩机VX81、动力蓄电池充电器AX4、充电口UX4、三相电流驱动电机VX54、电机电力和控制电子装置JX1，电气元件位置如图4所示。
图4 电气元件位置图1-动力蓄电池；2-高电压加热器；3-PTC 加热器元件；4-空调压缩机；5-电压转换器；6-充电口；7-动力蓄电池充电器；8-三相电流驱动电机；9-电机的电力和控制电子装置。
二、动力蓄电池AX282kW h锂离子动力蓄电池A X 2的最大交流充电功率为11kW，最大直流充电功率为125kW。
包括12个蓄电池模块，如图5所示。
62kWh锂离子动力蓄电池的最大交流充电功率为7.2kW，最大直流充电功率为50kW。
包括9个蓄电池模块，如图6所示。
图5 82kWh动力蓄电池图6 62kWh动力蓄电池锂离子动力蓄电池AX2的技术规范包括质量382~503kg，净能量含量58~77kWh，额定电压400V，蓄电池模块数量9～12个，容量156 ~234Ah，冷却系统使用液体冷却，工作温度范围为-28~60℃，防护等级IP6K7、IP6K9K。
纯电动汽车高压原理设计
一、电动汽车概述
电动汽车定义及组成
电动汽车（EV，electric vehicle）是指以为动力，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，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。
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。
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，这比德国人和本茨发明汽油发动机汽车早了10年以上。
随后，从开始，广泛应用了可以充放电的，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），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
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。
图纯电动汽车高压主回路图
纯电动汽车的控制回路设计
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，如图所示，主
要工作电压为12/24V。
图纯电动汽车的控制回路设计
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，如图所示。
图高压检测设计
纯电动汽车高压原理图设计
如图所示，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。
图纯电动汽车高压原理图
三、纯电动汽车高压器件选型
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，如图为美国泰科高压接触器的外形图。
泰科LEV100 泰科EV200
图泰科接触器外形图
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，如图为巴斯曼高压熔断器外形图。
图BUSSMANN熔断器
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。
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
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。
预充与放电设计
绝缘电阻实时监测设计
绝缘电阻是指在规定条件下的。
是和最基本的指标，在本应电气隔离的两个介质中加直流电压，经过一定时间过程结束后，流过电介质的对应的称绝缘电阻。
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。
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。
