1 引言

　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源與環(huán)保問題日益突出，世界各國都將目光投向了環(huán)保和節(jié)能的電動汽車。而電動汽車的一個重要特點就是車內(nèi)裝有保證足夠動力性能的高電壓回路，其高達300v以上［1］的電壓危及人身安全和車載高壓用電器的使用安全。高壓系統(tǒng)的正常工作電流可能達到數(shù)十、甚至數(shù)百安培，當(dāng)瞬時短路時放電電流更是成倍增加。因此，在設(shè)計、規(guī)劃高壓動力系統(tǒng)和對高壓系統(tǒng)重要部件的選型時不僅應(yīng)充分滿足整車動力驅(qū)動要求，還必須確保車輛運行安全、駕乘人員安全和車輛運行環(huán)境安全［2］。因此對電動汽車的高壓電氣系統(tǒng)的管理［3］和安全性已經(jīng)成為電動汽車研究設(shè)計時必須要解決的重要問題。

　　純電動汽車高壓電氣電氣系統(tǒng)中含有大量大功率設(shè)備，具有高電壓、大電流、電磁干擾強烈的特點，且主電路中電流變化劇烈，極短的控制延遲和干擾就可能對電氣系統(tǒng)造成極大的損害，這就對高壓電氣安全控制系統(tǒng)的采集速度、響應(yīng)速度提出了更高的要求［4］。

       2 純電動汽車高壓電安全管理系統(tǒng)設(shè)計

　　純電動汽車高壓電安全管理系統(tǒng)是實現(xiàn)高壓電系統(tǒng)故障診斷和安全管理的智能管理系統(tǒng)。針對高壓電系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，高壓電安全管理系統(tǒng)應(yīng)具備如下主要功能［6］［7］：

　　1）系統(tǒng)上電防瞬態(tài)沖擊；

　　2）實時過電流檢測及故障處理；

　　3）高低壓保護及故障處理；

　　4）絕緣檢測及故障處理；

　　5）互鎖故障檢測及故障處理。

　　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖1為純電動汽車高壓電安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能如下：

　　（1）實時監(jiān)測電動汽車高壓電系統(tǒng)的電壓，總線剩余電量，電流，溫度和絕緣電阻等電氣參數(shù)對高壓電氣系統(tǒng)進行故障檢測。

　　（2）與電動汽車其他模塊進行can總線通信，方便信息的傳遞。

　　（3）通過故障檢測及相應(yīng)的控制模塊實現(xiàn)高壓電氣系統(tǒng)的安全管理和保護功能。

　　如圖1所示k2和k3為安全管理系統(tǒng)mcu模塊控制的高壓主電路常開直流接觸器開關(guān)；k1為預(yù)充電控制模塊的高壓常開直流接觸器開關(guān)；fuse為熔斷器；k4和k5絕緣電阻檢測開關(guān)的直流接觸器。主電路的直流接觸器是結(jié)合實際情況和參考國家標(biāo)準(zhǔn)要求進行選型設(shè)計的。

　　2.2高壓電系統(tǒng)故障檢測及安全管理策略

　　高壓電系統(tǒng)故障診斷與安全管理的整體思想是要保證純電動汽車在靜止或運行全過程的高壓用電安全。

　　2.2.1高壓電安全管理策略

      （1）上電過程

　　對于純電動汽車高壓電路的整個動力回路，存在著大量的容性負載。如果在高壓電路接通過程中不采取有效的防范措施，高壓電路在瞬時上電時，由于系統(tǒng)電路容性負載的存在，將會對整個高壓系統(tǒng)電路造成上電沖擊。為此，在上電過程中需要對高壓電路進行防電流瞬態(tài)沖擊預(yù)充電。純電動汽車在接到有效啟動的命令組合信號之后，高壓電安全管理系統(tǒng)上電。首先對高壓電路系統(tǒng)進行上電前預(yù)診斷，如果蓄電池剩余電量充足，電壓正常，并且電路無絕緣和短路等故障，接通防電流瞬態(tài)沖擊預(yù)充電系統(tǒng)進行高壓電路預(yù)充電。如果高壓電路預(yù)充電在約定的正常時間范圍內(nèi)完成，則系統(tǒng)允許接通高壓電路，否則禁止高壓電路接通。

　　（2）系統(tǒng)運行過程

　　在高壓電路預(yù)充電過程結(jié)束并成功接通高壓電路之后，車輛進入正常待機或運行狀態(tài)。這時為了保證高壓電路系統(tǒng)用電安全，避免人員和車輛損害，系統(tǒng)進入實時故障診斷狀態(tài)，重點針對電壓、電流、絕緣電阻等和高壓電系統(tǒng)安全直接相關(guān)的重要參數(shù)進行循環(huán)的實時檢測，根據(jù)發(fā)生故障的嚴重程度做出相應(yīng)的故障處理措施。如果判斷高壓電路發(fā)生絕緣失效、高壓環(huán)路互鎖故障、短路、高低壓故障以及車輛碰撞、側(cè)翻事故時，應(yīng)果斷的及時斷開高壓電路并給出警報。

　　（3）斷電過程

　　如果是正常的關(guān)機信號到來，則電動汽車進入關(guān)機斷電程序，在正式切斷高壓電源輸出之前，需要首先對車輛動力蓄電池溫度值進行判斷，在溫度值許可的情況下直接完成斷電操作，但如果溫度值過高，則需要由電路驅(qū)動風(fēng)扇進行強制降溫，并在溫度許可時切斷高壓電路。在緊急情況下，所有參與高壓電安全管理與控制的模塊都可以直接通過管理系統(tǒng)跨過整車控制器而直接切斷高壓電路。

　　2.2.2高壓電系統(tǒng)故障檢測

　　針對純電動汽車安全管理策略的要求并結(jié)合車載儲能裝置、功能安全和人員觸電防護以及故障防護等幾個方面出發(fā)，電動汽車高壓電氣系統(tǒng)的安全檢測和保護主要包括：

　　（1）預(yù)充電保護電路：由于純電動汽車高壓電氣系統(tǒng)的供電回路中存在著大量的容性負載和可能出現(xiàn)的設(shè)備故障（如短路），如果在高壓電路接通過程中不采取有效的防范措施，在高壓電路接通瞬間，將會對整個高壓系統(tǒng)電路造成瞬時上電沖擊，甚至損毀設(shè)備，危及車輛和人身的安全。為了安全接通高壓電路，需要針對高壓電路進行防電流瞬態(tài)沖擊保護的預(yù)充電設(shè)計。

　　（2）電流檢測電路：由于高壓供電電路電流變化迅速，如果控制系統(tǒng)不能做出有效的檢測主電路電流，則可能造成功率器件損壞，并危及高壓電氣系統(tǒng)的安全。因此一旦檢測到過流，則表明高壓供電電流超過了設(shè)定的可允許范圍，立即進入故障斷開控制流程，斷開供電主接觸器，并發(fā)出故障報警信號，以提醒駕駛?cè)藛T。

　　（3）主電路互鎖檢測：為保證高壓供電電路的可靠連接，在高壓電路接通之前需要對供電電路的完整性進行檢測。

　　（4）觸點檢測：為滿足整車功能控制和高壓電氣自動切斷保護的需求，在純電動汽車的高壓電氣系統(tǒng)中必須配置可自動切斷主回路的接觸器。如果電動車輛在運行過程中高壓電氣接觸器發(fā)生閉合或斷開失效，且不能及時采取有效處理措施， 輕者會發(fā)生高壓電氣系統(tǒng)不能實現(xiàn)正常控制的情況， 重者危及車輛和人身安全甚至可能產(chǎn)生重大安全事故。

　　（5）絕緣檢測：高電壓系統(tǒng)主要由動力電池、電源變換器、電動機控制器和電動機等電氣設(shè)備組成，動力的工作電壓一般在直流300v以上，采用較高的電壓規(guī)范，減小了電氣設(shè)備的工作電流、降低了電氣設(shè)備和整車的重量。但是，較高的工作電壓對高電壓系統(tǒng)與車輛底盤之間的絕緣性能提出了更高的要求。為了消除高壓系統(tǒng)對人員和車輛的潛在威脅，只有定量地分別檢測直流“直流正極母線-底盤”和“直流負極母線-底盤”的絕緣性能，才能保證純電動汽車的高壓電氣安全性。

　　（6）余電泄放保護：由于純電動汽車高壓電氣系統(tǒng)的供電回路中存在著大量的容性負載，在動力電池斷開后，供電回路中仍會殘留很高的電壓和電能，如果不采取有效的泄放措施，將會危及車輛和人身的安全。為了避免剩余電能可能帶來的危害，高壓電氣系統(tǒng)在高壓電源切斷后采取了余電泄放的方法。

      （7）電壓檢測：由于動力電池的電壓與動力電池的放電能力和放電效率有很大的關(guān)系，如果在動力電池電壓較低的情況下仍以額定放電電流或更大的電流放電，則將損壞動力電池和高壓用電設(shè)備。因此，為了保障純電動汽車在動力蓄電池低壓時用電器及動力蓄電池的安全，需要設(shè)計電壓檢測電路對高壓電路系統(tǒng)工作電壓進行實時準(zhǔn)確的檢測并進行供電保護。

　　（8）溫度檢測：驅(qū)動功率器件在輸出功率的同時自身也要消耗功率，主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，這些損耗通常表現(xiàn)為熱，隨著熱量的累積，將會使驅(qū)動功率器件的基板溫度和工作結(jié)溫升高。如果溫度過高，則可能會造成驅(qū)動器件過熱損壞。為了能使驅(qū)動功率器件可靠穩(wěn)定工作，必須采取行之有效的散熱措施把這些熱量從功率器件傳導(dǎo)到外部環(huán)境，同時加強驅(qū)動功率器件的溫度監(jiān)測和過熱保護，因此需要設(shè)計過溫檢測電路以實現(xiàn)高壓電氣安全控制系統(tǒng)的溫度檢測和過熱保護功能。

　　通過以上故障檢測判斷高壓電路，一旦監(jiān)測到高壓電路發(fā)生故障則控制器封鎖輸出信號，同時高壓電管理系統(tǒng)斷開高壓電路。

       3 高壓電氣系統(tǒng)電路延時分析及模型

　　純電動汽車高壓電氣電氣系統(tǒng)中含有大量大功率設(shè)備，具有高電壓、大電流、電磁干擾強烈的特點且主電路中電流變化劇烈，極短的控制延遲和干擾就可能對電氣系統(tǒng)造成極大的損害。這就對高壓電氣安全控制系統(tǒng)的采集速度、響應(yīng)速度提出了更高的要求。

　　針對高壓電安全管理系統(tǒng)的故障檢測及處理需要設(shè)計相應(yīng)的電路，我們以電流檢測電路和過流處理的執(zhí)行電路為例。

　　3.1電流檢測和故障處理電路

　　3.1.1電流采集電路

　　圖2是電流采集的電路原理。圖2中的con3是電流傳感器的信號輸入端，+3.3vref為偏置電壓電源；mcu4是處理后最終輸入mcu模塊adc通道（模擬量采集通道）的信號；lf353為雙單元封裝的運算放大器芯片，其前級構(gòu)成1/2衰減電路，次級構(gòu)成電壓跟隨器。電流傳感器輸出的信號通過運放lf353電路的衰減和偏移來達到處理芯片能接收的電壓等級，再通過由r5，c4組成的r-c濾波電路進入到mcu中進行處理。

　　又有rc濾波器的截止頻率計算有：

　　因此在采樣電路中選擇器件參數(shù)時要考慮到延時和對濾波器截止頻率的要求同時要使采樣延時遠遠小于處理芯片的控制周期。

　　3.1.2故障處理電路

　　圖3是過流故障輸出執(zhí)行電路。圖3中的mcu140是過流故障時mcu模塊輸出的關(guān)斷主接觸器，切斷高壓電路的信號；tlp281-4是光耦隔離芯片，用于控制電路和繼電器線圈的隔離。relay-spst是信號繼電器用于控制主接觸器的通斷，達到隔離的效果，保證電路的安全。