电动汽车高低压电气安全及电磁兼容

一、电气系统概述 电动汽车的“神经”；分类：低压电气系统、高压电气系统。 1、低压电气系统 （1）组成：DC/DC功率变换器、辅助蓄电池和若干低压电器设备。如图所示。 （2）低压电器设备主要包括灯光系统、仪表系统和娱乐系统等。 （3）燃油汽车的辅助蓄电池与发动机相连由发电机来充电，而电动汽车的辅助蓄电池则由动力电池通过DC/DC变换器来充电。 2、高压电气系统 组成：动力电池、驱动电机和功率变换器等大功率、高电压的电气设备。动力电池的高压能量从正极出发，首先通过位于驾驶员操控台的高压开关DK1，该开关受低压控制，作为整车高压电源的总开关及充电开关。经线路2可以进行充电操作，经线路3与主电机控制器（通过驱动电机驱动车辆）、直流电源变换器（为低压电源充电）、转向系统控制器（控制转向助力机构）、制动控制系统控制器（控制和驱动气泵提供制动能量）及冷暖一体化空调，最后经过分流器FL流回负极，分流器的作用是检测高压线路中的电流值。 二、功率变换器 分类：直流/直流（DC/DC）变换直流/交流（DC/AC）变换 形式：降压、升压、双向 DC/DC：将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称直流斩波器。用于无轨电车、地铁列车、电动汽车的无级变速和控制。DC/DC作用：调压（开关电源）、抑制电网侧谐波电流噪声。 DC/DC变换原理：将原直流电通过调整其占空比（PWM）来控制输出的有效电压大小。 DC/DC变换器分类：硬开关和软开关。 功率变换器的功能：①不同电源之间的特性匹配。例如，可利用DC/DC变换器实现燃料电池和动力电池之间的特性匹配。②驱动辅助系统中的直流电动机。在小功率（一般低于5kW）直流电动机驱动的转向、制动等辅助系统中，一般直接采用DC/DC变换器供电。③给低压辅助蓄电池充电。在电动汽车中，需要高压电源通过降压变换器给辅助电池充电。 对功率变换器的要求：①变换功率大。②输出响应快捷。③工作稳定，抗电磁干扰。④控制方便、准确。⑤具有能量回馈功能。电动汽车的功率变换器一般为双向设计。 1、降压功率变换器 （1）直流斩波（Buck）式降压功率变换器 Buck电路是非隔离式的，一般用在输入、输出电压相差不大的场合，例如用于车载小功率高压直流电机的调速。 （2）单端正激式降压功率变换器 2、升压功率变换器 （1）Boost型升压功率变换器：Boost型变换器也称为并联开关变换器，其电路原理如图所示，由开关管、二极管、储能电感和输出 滤波电容组成。 （2）全桥逆变式升压功率变换器：全桥逆变式变换器的电路原理图如图所示，主要由开关管V1-V4、中频升压变压器和输出整流二极管VD1、VD2组成。 3、双向功率变换器 双向功率变换器采用Buck-Boost复合电路结构，如图所示。 双向功率变换器的电路原理 （1）直流不停电电源系统（DC-UPS）：下图是一种DC-UPS的结构框图，由AC/DC变换器、电池包BA和双向DC/DC变换器构成。 （2）电动汽车燃料电池电源系统：下图为电动汽车燃料电池电源系统结构框图，双向DC/DC变换器是此电源管理系统中的重要组成部分之一。 三、电动汽车高压安全 1、高压系统布置要求 ①供电的所有动力电池做到分组串联，且每组电压小于96V，并配熔断器，可在发生意外短路时断开电池组之间的连接。 ②将一个含有多个动力电池包、两个高压直流接触器以及熔断器各自集成在绝缘封闭壳体内，这样就可以将高电压的带电部件与外部环境隔绝，同时相互之间的电磁干扰也得到了较好的屏蔽。 ③设计的高压电安全监控系统也安装在一个绝缘封闭壳体内，而且布置位置需要尽量靠近电池包以便在发生高压故障时可及时切断高压回路。 ④高压电安全监控系统包含有高压回路预充电电路，目的是为了防止高压系统容性负载产生的瞬态冲击，在系统断电后，保证预充电继电器能够完全断开。 ⑤高压电安全监控系统通过控制高压接触器通断，可以确保电动汽车高压回路的安全性，且在系统断电后，两个高压接触器能够完全断开。 ⑥在高压回路中布置高压环路互锁电路，以确保电池组外的所有高压电路的连续性。 ⑦设置手动切断高压回路装置，用于维修或者紧急情况下手动切断高压回路。 2、安全要求及检测参数 （1）安全要求 ①人体的安全电压低于36V，触电电流和持续时间乘积的最大值小于30mA.s。 ②绝缘电阻除以电池的额定电压至少应该大于100Ω/V，最好是能够确保大于500Ω/V。 ③对于高于60V的高压系统的上电过程至少需要100ms，在上电过程中应该采用预充电过程来避免高压冲击。 ④在任何情况下继电器断开时间为20ms，当高压系统断开后1s，汽车的任何导电部分应该和可触及的部分对地电压的峰值应当小于42.4V（交流）或60V（直流），储存的能量应该小于20J。 （2）检测参数 ①高压电气参数：高压系统电压、电流，高压总线剩余电量。②高压电路参数：动力电池绝缘电阻、高压总线等效电容。③非电测量参数：环境温度、湿度。④数字量测控参数：主要是开关量的输入和输出。 3、高压安全防护措施 （1）漏电保护器 电动汽车采用漏电保护器是必要的，一旦有正或负母线与车身相连，保护器报警，这就避免了电机壳体漏电成为高压正极，站在车上的人触摸负极造成电击伤。这样的设计也可避免空调系统高压、DC/DC系统高压的泄漏。 （2）高压互锁 逆变器封密在高压盒中，非工作人员不能拆开。但会有工作人员疏忽和非工作人员的强行拆开情况，为防止电击伤在逆变器盒盖上设计有高压互锁开关，只要逆变器盒体打开，开关动作，控制器收到信号断开系统的主继电器，可以避免意外电击出现。 （3）绝缘电阻检测 较高的供电电压对整车的电气安全就提出了更高的要求，尤其是对高压系统的绝缘性能提出了更为苛刻的要求。绝缘电阻是表征电动汽车电气安全好坏的重要参数，相关电动汽车安全标准均作了明确规定，目的是消除高压电对车辆和驾乘人员人身的潜在威胁，保证纯电动汽车电气系统的安全。 4、高压绝缘监测 （1）电气绝缘监测的一般方法 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，蓄电池的负极与车辆机壳实现一点连接。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；在电源线缆绝缘层老化或者环境潮湿等情况下，蓄电池通过电源线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进行报警，并关断待测系统电源。 ②电流传感法：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，电流传感器的输出电压为零；当发生漏电现象时，电流传感器输出电流不为零。根据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，应用此方法的前提是待测电源必须处于工作状态。 （2）电动汽车电气绝缘性能的描述 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 为了监测上述绝缘电阻，直接将车载高压电源作为监测电源。电源正极、负极和车辆底盘之间建立了桥式阻抗网络，如图5-20所示。 四、电气系统的电磁兼容性 电磁兼容性：能抵御环境中的电磁干扰、不对环境造成不能承受的电磁骚扰。 电磁兼容实验室（EMC）：可进行抗电磁干扰强度测试、电磁骚扰强度测试，满足国家最新标准要求的静电放电抗干扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、工频磁场抗扰度、浪涌抗扰度、射频场感应的传导骚扰抗扰度等。 下图为电磁兼容实验室组织结构。 1、电磁兼容性主要术语 国家标准《电磁兼容术语》定义：设备或系统在电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰能力。 2、电动汽车电磁环境分析 （1）车载干扰源 这主要是指车上各种电子电气系统产生的电磁干扰。 车载干扰源主要有驱动系统、动力电池、功率变换器、继电器、电动辅助系统、开关、通讯设备以及微处理器等电子设备。 车载干扰源的电磁传播模式很复杂，它有传导干扰和辐射干扰两种形式。一般情况下，在电动汽车系统的辐射干扰中，共模高频干扰占据着主导地位，而其他频段干扰较小。 （2）自然干扰源 自然干扰源是指由自然现象引起的电磁干扰。比较典型的自然界电磁现象产生的电磁噪声有大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声以及静电放电等。大多数情况下，这种电磁噪声非常复杂，并且对汽车的干扰影响可以忽略。但闪电和静电放电可能会产生很大的瞬变场强。 （3）人为干扰源 人为干扰源是指由汽车外部人工装置产生的电磁干扰。主要有其他车辆的辐射干扰，车外的雷达、无线电台发射机、移动通讯设备等发射的电磁波干扰，以及高压输电线的电晕放电等。 3、电磁兼容性设计方法 （1）第一层有源器件的选型和印制板设计 为了增强抗扰度并抑制骚扰，应从电磁敏感度、电磁骚扰发射、芯片封装和电源电压等四个方面优选有源器件。 由于噪声电流和瞬态负载电流是传导骚扰和辐射骚扰的初始源，为实现电源的完整性，应优选多层板，尽可能减小引线电感；减小门电路驱动线对地分布电容和驱动门输入电容；选用SMD；安装本地去耦电容和整体去耦电容。 PCB设计具体方法主要包括：①优选多层板；②布局布线原则；③层间安排原则；④遵循2H和2W设计原则。 （2）第二层接地设计 分析系统内各类部件的骚扰特性、敏感特性、各电路的工作电平、信号种类和电源电压；将地线分类、划组；画出系统布局；画出系统地线网。在1MHz以下低频电路部分采用单点接地，10MHz以上高频部分采用多点接地；电源地线都接到电源总地线上，信号地都接到信号总地线上，两根总地线最后汇总到一个公共入地点搭车体连接；信号源接地时，屏蔽层在信号侧接地；多个信号屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，360度搭接；采用信号隔离变压器、平衡变压器、光耦合器和差动放大器实现对地环路的隔离；PCB表面覆铜一定要良好接地；多层板中间层的空旷区不要覆铜等。 （3）第三层屏蔽设计 采用高导电率材料加屏蔽体接地进行静电屏蔽和电场屏蔽；采用高磁导率材料进行低频磁场屏蔽；采用高导电率材料进行高频磁场屏蔽；采用高导电率材料加接地进行远场电磁屏蔽。永久性接缝采用焊接方式；非永久性接缝采用导电衬垫。通风空采用蜂窝状通风板。单根导线或电缆穿过屏蔽体时，采用馈通滤波器；一组导线或电缆穿过屏蔽体时，采用滤波器连接器；在I/O端口加装滤波器；屏蔽电缆与屏蔽体连接时应成哑铃状，屏蔽层与屏蔽体360度搭接。 （4）第四层滤波设计和瞬态骚扰抑制 反射式低通滤波器按源阻抗和负载阻抗选择网络结构，并核算其插入损耗和频率特性；反射式低通滤波器安装时使输入线尽可能短，输出线与输入线隔离，并良好接地；吸收式低通滤波器采用铁氧体元件，用于电源线、数据线和PCB上，安装在骚扰附近；采用长而细的铁氧体元件抑制效果好。 4、抑制电磁干扰的技术措施 （1）屏蔽 屏蔽是在两个区域之间建立电磁屏障保护系统中的电路不受电磁环境损坏的最直接方法。可采取两种屏蔽方式：其一，主动屏蔽；其二，被动屏蔽。屏蔽的设计原则：高频电场屏蔽应用铜、铝和镁等良导电材料；低频磁场屏蔽应用磁性材料，如铁和镍铁高导磁合金；足够厚度的屏蔽层可屏蔽任何频率的电场，且有很高的屏蔽效能；多层屏蔽（包括机壳与电缆）能在宽频带上提供高屏蔽有效度；用来密封缝隙的各种结合面必须清洁，不能有不导电的涂层；为了保持外壳的屏蔽效能，对必不可少的穿线孔应加导电衬层、弹簧垫圈、波导衰减器和栅网等。 （2）滤波 屏蔽主要是为了解决辐射干