纯电动汽车高压电气安全管理与时间延时研究
1 引言 随着经济的发展，能源与环保问题日益突出，世界各国都将目光投向了环保和节能的电动汽车。而电动汽车的一个重要特点就是车内装有保证足够动力性能的高电压回路，其高达300v以上的电压危及人身安全和车载高压用电器的使用安全。高压系统的正常工作电流可能达到数十、甚至数百安培，当瞬时短路时放电电流更是成倍增加。因此，在设计、规划高压动力系统和对高压系统重要部件的选型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。因此对电动汽车的高压电气系统的管理和安全性已经成为电动汽车研究设计时必须要解决的重要问题。 纯电动汽车高压电气电气系统中含有大量大功率设备，具有高电压、大电流、电磁干扰强烈的特点，且主电路中电流变化剧烈，极短的控制延迟和干扰就可能对电气系统造成极大的损害，这就对高压电气安全控制系统的采集速度、响应速度提出了更高的要求。
2 纯电动汽车高压电安全管理系统设计 纯电动汽车高压电安全管理系统是实现高压电系统故障诊断和安全管理的智能管理系统。针对高压电系统可能发生的故障，高压电安全管理系统应具备如下主要功能： 1）系统上电防瞬态冲击； 2）实时过电流检测及故障处理； 3）高低压保护及故障处理； 4）绝缘检测及故障处理； 5）互锁故障检测及故障处理。 2.1系统结构 图1为纯电动汽车高压电安全管理系统结构，该系统实现的基本功能如下： （1）实时监测电动汽车高压电系统的电压，总线剩余电量，电流，温度和绝缘电阻等电气参数对高压电气系统进行故障检测。 （2）与电动汽车其他模块进行can总线通信，方便信息的传递。 （3）通过故障检测及相应的控制模块实现高压电气系统的安全管理和保护功能。 如图1所示k2和k3为安全管理系统mcu模块控制的高压主电路常开直流接触器开关；k1为预充电控制模块的高压常开直流接触器开关；fuse为熔断器；k4和k5绝缘电阻检测开关的直流接触器。主电路的直流接触器是结合实际情况和参考国家标准要求进行选型设计的。
2.2高压电系统故障检测及安全管理策略 高压电系统故障诊断与安全管理的整体思想是要保证纯电动汽车在静止或运行全过程的高压用电安全。 2.2.1高压电安全管理策略 （1）上电过程 对于纯电动汽车高压电路的整个动力回路，存在着大量的容性负载。如果在高压电路接通过程中不采取有效的防范措施，高压电路在瞬时上电时，由于系统电路容性负载的存在，将会对整个高压系统电路造成上电冲击。为此，在上电过程中需要对高压电路进行防电流瞬态冲击预充电。纯电动汽车在接到有效启动的命令组合信号之后，高压电安全管理系统上电。首先对高压电路系统进行上电前预诊断，如果蓄电池剩余电量充足，电压正常，并且电路无绝缘和短路等故障，接通防电流瞬态冲击预充电系统进行高压电路预充电。如果高压电路预充电在约定的正常时间范围内完成，则系统允许接通高压电路，否则禁止高压电路接通。 （2）系统运行过程 在高压电路预充电过程结束并成功接通高压电路之后，车辆进入正常待机或运行状态。这时为了保证高压电路系统用电安全，避免人员和车辆损害，系统进入实时故障诊断状态，重点针对电压、电流、绝缘电阻等和高压电系统安全直接相关的重要参数进行循环的实时检测，根据发生故障的严重程度做出相应的故障处理措施。如果判断高压电路发生绝缘失效、高压环路互锁故障、短路、高低压故障以及车辆碰撞、侧翻事故时，应果断的及时断开高压电路并给出警报。 （3）断电过程 如果是正常的关机信号到来，则电动汽车进入关机断电程序，在正式切断高压电源输出之前，需要首先对车辆动力蓄电池温度值进行判断，在温度值许可的情况下直接完成断电操作，但如果温度值过高，则需要由电路驱动风扇进行强制降温，并在温度许可时切断高压电路。在紧急情况下，所有参与高压电安全管理与控制的模块都可以直接通过管理系统跨过整车控制器而直接切断高压电路。 2.2.2高压电系统故障检测 针对纯电动汽车安全管理策略的要求并结合车载储能装置、功能安全和人员触电防护以及故障防护等几个方面出发，电动汽车高压电气系统的安全检测和保护主要包括： （1）预充电保护电路：由于纯电动汽车高压电气系统的供电回路中存在着大量的容性负载和可能出现的设备故障（如短路），如果在高压电路接通过程中不采取有效的防范措施，在高压电路接通瞬间，将会对整个高压系统电路造成瞬时上电冲击，甚至损毁设备，危及车辆和人身的安全。为了安全接通高压电路，需要针对高压电路进行防电流瞬态冲击保护的预充电设计。 （2）电流检测电路：由于高压供电电路电流变化迅速，如果控制系统不能做出有效的检测主电路电流，则可能造成功率器件损坏，并危及高压电气系统的安全。因此一旦检测到过流，则表明高压供电电流超过了设定的可允许范围，立即进入故障断开控制流程，断开供电主接触器，并发出故障报警信号，以提醒驾驶人员。 （3）主电路互锁检测：为保证高压供电电路的可靠连接，在高压电路接通之前需要对供电电路的完整性进行检测。 （4）触点检测：为满足整车功能控制和高压电气自动切断保护的需求，在纯电动汽车的高压电气系统中必须配置可自动切断主回路的接触器。如果电动车辆在运行过程中高压电气接触器发生闭合或断开失效，且不能及时采取有效处理措施， 轻者会发生高压电气系统不能实现正常控制的情况， 重者危及车辆和人身安全甚至可能产生重大安全事故。 （5）绝缘检测：高电压系统主要由动力电池、电源变换器、电动机控制器和电动机等电气设备组成，动力的工作电压一般在直流300v以上，采用较高的电压规范，减小了电气设备的工作电流、降低了电气设备和整车的重量。但是，较高的工作电压对高电压系统与车辆底盘之间的绝缘性能提出了更高的要求。为了消除高压系统对人员和车辆的潜在威胁，只有定量地分别检测直流“直流正极母线-底盘”和“直流负极母线-底盘”的绝缘性能，才能保证纯电动汽车的高压电气安全性。 （6）余电泄放保护：由于纯电动汽车高压电气系统的供电回路中存在着大量的容性负载，在动力电池断开后，供电回路中仍会残留很高的电压和电能，如果不采取有效的泄放措施，将会危及车辆和人身的安全。为了避免剩余电能可能带来的危害，高压电气系统在高压电源切断后采取了余电泄放的方法。 （7）电压检测：由于动力电池的电压与动力电池的放电能力和放电效率有很大的关系，如果在动力电池电压较低的情况下仍以额定放电电流或更大的电流放电，则将损坏动力电池和高压用电设备。因此，为了保障纯电动汽车在动力蓄电池低压时用电器及动力蓄电池的安全，需要设计电压检测电路对高压电路系统工作电压进行实时准确的检测并进行供电保护。 （8）温度检测：驱动功率器件在输出功率的同时自身也要消耗功率，主要包括导通损耗和开关损耗，这些损耗通常表现为热，随着热量的累积，将会使驱动功率器件的基板温度和工作结温升高。如果温度过高，则可能会造成驱动器件过热损坏。为了能使驱动功率器件可靠稳定工作，必须采取行之有效的散热措施把这些热量从功率器件传导到外部环境，同时加强驱动功率器件的温度监测和过热保护，因此需要设计过温检测电路以实现高压电气安全控制系统的温度检测和过热保护功能。 通过以上故障检测判断高压电路，一旦监测到高压电路发生故障则控制器封锁输出信号，同时高压电管理系统断开高压电路。
3 高压电气系统电路延时分析及模型 纯电动汽车高压电气电气系统中含有大量大功率设备，具有高电压、大电流、电磁干扰强烈的特点且主电路中电流变化剧烈，极短的控制延迟和干扰就可能对电气系统造成极大的损害。这就对高压电气安全控制系统的采集速度、响应速度提出了更高的要求。 针对高压电安全管理系统的故障检测及处理需要设计相应的电路，我们以电流检测电路和过流处理的执行电路为例。
3.1电流检测和故障处理电路 3.1.1电流采集电路 图2是电流采集的电路原理。图2中的con3是电流传感器的信号输入端，+3.3vref为偏置电压电源；mcu4是处理后最终输入mcu模块adc通道（模拟量采集通道）的信号；lf353为双单元封装的运算放大器芯片，其前级构成1/2衰减电路，次级构成电压跟随器。电流传感器输出的信号通过运放lf353电路的衰减和偏移来达到处理芯片能接收的电压等级，再通过由r5，c4组成的r-c滤波电路进入到mcu中进行处理。 又有rc滤波器的截止频率计算有：
因此在采样电路中选择器件参数时要考虑到延时和对滤波器截止频率的要求同时要使采样延时远远小于处理芯片的控制周期。 3.1.2故障处理电路 图3是过流故障输出执行电路。图3中的mcu140是过流故障时mcu模块输出的关断主接触器，切断高压电路的信号；tlp281-4是光耦隔离芯片，用于控制电路和继电器线圈的隔离。relay-spst是信号继电器用于控制主接触器的通断，达到隔离的效果，保证电路的安全。
3.2电路延时分析 3.2.1延时环节 式中 ：t—时间常数。 图4是惯性环节的bode图，分别显示了惯性环节的幅频特性和相频特性。 因此可以知道惯性环节惯性环节具有低通特性，对低频输入能精确地复现，而对高频输入要衰减，但会产生相位滞后。因此它会对信号产生延时，延时时间由时间常数t决定。 当系统有多个小惯性环节时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于原系统各小时间常数之和：
3.2.2电路延时 通过前面对电流检测和过流故障执行电路的分析可知电路延时主要包括以下几部分： （1）电流采集电路的信号输入端是电流传感器，通过运放电路对电压的变换，这两部分可以等效为惯性环节，设时间常数为t1，因此可以表示为： （2）电流采样信号经过rc滤波器的延时，可以等效为信号经过一个惯性环节。可知时间常数t2= r5·c4，可以表示为： （3）电流信号通过a/d变换器给控制芯片进行处理的延时等效于一个纯延时环节，设延时时间为t3，可以表示为： （4）当检测到过流故障处理时，控制芯片给出故障信号切断主接触器。可以知道输出电路主要延时包括光耦隔离芯片的延时和信号继电器relay-spst的动作延时。 针对以上分析建立了如图5的电路延时仿真模型。
4 仿真分析 根据实际设计的电路及查看相关资料可以知道电流传感器选用内部集成有相位补偿功能的互感器和制造工艺精湛的变压器，同时采用高速的运算放大器，因此取t1=10μs；rc滤波电路的参数选取根据实际情况而定，首先采样延时时间要远远小于控制芯片的处理周期200μs，其次由于采样信号是电机的电流信号，是低频的正弦信号，因此滤波电路要起到滤波的作用截止频率不能太高，因此综合考虑，取滤波截止频率f=7.96khz此时时间常数t2=20μs；而控制芯片若选用快速数据处理芯片，则也可大大降低数据处理阶段的延时，t3在20μs~30μs左右；故障输出电路通过查看datasheet可以知道光偶的延时和relay-spst的断开时间约是0.35ms。 按照以上模型的建立和对相关参数的分析进行仿真，仿真结果如图6所示。实线表示在主接触器流过的实际电流。我们控制器设定在电流300a时进行过流保护，断开主接触。但由于采集电流电路和过流故障执行电路的延时原因导致在电流300a时不能及时的断开主接触器，而是在电流大概420a时才切断高压电路。这就在对主接触器的选型时必须要考虑延时带来的影响。
5 器件选型 在20kw的电机控制器中电机额定功率/峰值功率是20kw/60kw，额定电压是180vac。选用主接触器的型号是ev250-2a-400amps，该接触器在纯电动汽车上应用广泛，它的主要电气特性如下： （1）ev250主要应用于电池开关，直流电路控制，保护和安全断开。 （2）在320v下可长期工作电流400a，500a电流持续时间为6.5min，可断开2500a电流，经过28~1800vdc试验。 （3）内部带有线圈节能器：在不同温度、电压下只需4w保持功率；通过emi频谱试验和认证；内装线圈抑制器。 （4）旋转式触点，使得电阻小，功耗低。 （5）“超级气密封”专利，保护所有运动部件，可在危险环境下运行。 ev250在额定线圈电压下，高压接触器线圈的闭合响应即接触器完全闭合的时间约是135ms，满足国家标准要求的高压电气安全控制系统工作至少大于100ms才允许高压供电回路闭合接通，并且接通时需有预充电过程，以避免接通时瞬态的高压电冲击。接触器断开的时间大约为18ms，可重复性非常好，对于国标gb/t18384.1――2001中切断高压要于20ms内完成的响应要求提高了10%。 同时主接触器在500a电流持续时间为6.5min，根据仿真结果，在考虑延时的影响下，主接触器仍然能够满足电路的要求。
6 结束语 本文针对纯电动汽车高压电系统，设计了在纯电动汽车上的高压电路，为高压电路绝缘等效电阻、等效电容的测量、高压电路泄压过程的放电时间及剩余电量的计算提供了解决方法。设计了高压电系统的电流，电压，温度监测电路，并对电路进行分析，建立了电路的延时模型。通过仿真分析，结果表明，在我们选择了一定的时间常数t时高压电系统中的主接触器满足电路的要求并有一定的余量，对电动汽车的安全性，可靠性都有重要的意义。本文研究的分析方法，为电动汽车的器件选型提出了一个新的方法。
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