2.3 高压电气设计

2.3.1 高压电气设计要求

1．高压电气设计通用要求

高压电气系统应根据系统电压、电流等级和应用环境等因素（如车载工况、温度、湿度、海拔、电磁干扰等）进行选型和设计开发。电池包内部电气布置的设计应符合相关技术标准要求。

2．绝缘和耐压

在全生命周期内，要求高压电气系统的输出端（正极和负极）与电池箱体之间的绝缘阻抗大于2.5MΩ，或者满足《电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护》（GB/T 18384.3—2015）规定的高压电气回路绝缘阻抗要求。同时，动力电池系统的绝缘防护设计还需要考虑密封性能，主要是因为水或者水蒸气进入电池系统内部，会引起系统内部的高压带电部分与売体通过阻值较低的水相连接，导致高压绝缘失效。另外，高压电气系统也要具有绝缘失效检测功能，具体通过电池管理系统（BMS）进行检测。

高压电气系统的输出端（正极和负极）与电池箱体之间的耐电压强度应满足《电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护》（GB/T 18384.3—2015）规定的相关要求。

3．直接接触防护

直接接触防护主要包括电气绝缘和屏护防护要求。除了满足上述绝缘防护要求之外，高压电气系统的带电部件，应具有屏护防护，包括采用保护盖、防护栏、金属网板等来防止发生直接接触。这些防护装置应牢固可靠，并耐机械冲击。在不使用工具或无意识的情况下，它们不能被打开、分离或移开。其中，带电部件在任何情况下都应由至少能提供《外売防护等级（IP代码）》（GB4208—2017）中IPXXD防护等级的売体来防护，同时规定在打开电池箱体上盖后，应具有IPXXB防护等级。

4．间接接触防护

间接接触防护主要包括等电位、电气间隙和爬电距离要求。动力电池系统应通过绝缘的方法来防止与高压电气系统中外露的可导电部件的间接接触，所有电气部件的设计、安装应避免相互摩擦，防止发生绝缘失效。尤其是高压线缆的布置需要考虑安全间隙，并进行必要的固定和绝缘防护，应避免在行车过程中与可导电部件发生摩擦。

电池箱体必须与车辆的地（车身）实现等电位联结，连接阻抗应不超过0.1Ω。电池包上的所有可接触的导电金属部件（比如模组金属端板侧板、电池箱体金属上盖、金属支架、水冷板等），都必须与电池箱体是等电位联结的。对于等电位联结所用的导体（比如接地线等），要求其颜色是黑色，便于维修和拆卸时辨认。等电位联结的螺栓或线束还需满足一定截面积的要求，一般要求等电位联结的导线或螺栓其截面积总和需大于等于电池系统中高压导线截面积。

动力电池系统应满足《低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原理、要求和试验》（GB/T 16935.1—2008）中电气间隙和爬电距离相关要求，尤其是电池模组需要重点关注。

5．预充电回路保护

由于整车端高压电气系统中存在大量的容性负载，直接接通高压主回路可能会产生高压电冲击，为了避免接通瞬间的大电流冲击，高压电气系统需具有预充电功能。通常，要求预充电时间不超过1000ms，并且在短时间内的频繁上下电不能出现预充电阻过热损坏的现象。预充电过程中，应能对整车端高压回路的绝缘、短路状态进行判断和失效保护。

6．余能泄放保护

由于整车端高压电气系统中存在大量的容性负载，断开高压主回路之后仍存在较高的电压和残余电能。为避免可能带来的危害，在高压回路切断后应采用余能泄放的方法，保证动力电池系统端电压不超过DC60V。通常要求整车高压电气系统具有主动能量泄放电路。

7．过电流/短路保护

高压电气系统中的所有零部件都必须满足典型使用工况的动力负载要求，并且能满足一定的过电流能力，不能允许规定的行驶工况条件下出现过热导致高压部件绝缘层融化、烧蚀或者冒烟的情况。同时，应合理地控制过电流时间，防止整个动力系统因为长时间过载而发生过热起火事件。当高压电气系统中发生瞬时大电流或者短路时，要求能自动切断高压回路，以确保高压电附件设备不被损坏，避免发生电池的热失控，保证驾乘人员的安全。高压电气系统设计可以设置过载或短路的保护部件，例如设置熔断器等。

8．高压电电磁兼容性

高压线束布置和接插件选型应考虑电磁兼容需求。高压线束设计时，主回路动力线缆与信号线尽量采用隔离或分开布线。电池包外部连接用高压线束、高压插接件选型要求接地和屏蔽隔离。

9．高压电气功能安全

依据ISO26262《道路车辆功能安全标准》对高压电气系统功能进行危害分析与风险评估，对应的汽车功能安全完整性等级和安全目标如表2.1所示。

2.3.2 高压电气系统设计方案

1．高压电气负载匹配

高压配电主要通过接触器、高压线缆或铜巴、汇流排、熔断器（或手动服务开关）、高压接插件等相互连接，将动力电池系统的电能输送到车辆高压系统。因此，高压系统中的各电气部件首先应基于电气负载特性来进行选型设计，负载特性主要包括稳态电流、电压要求，以及瞬态条件下的电流及波形（脉冲时间、频率）等。在整车大负荷工况运行时，动力电池系统的电压降较大，因此需要考虑对工作电流的影响。

2．高压线束线径面积选择

高压线束的主要功能是在有电压和所需的安装环境下安全传递电流。高压电缆承载的电流较大，线束的直径随之变粗，这对布线走向以及电磁干扰和屏蔽就变得非常重要。高压线束要在车内的较小空间布置，必须有良好的柔软性；高压线束处于车上的高振动环境，必须有良好的耐磨性；为避免车内走线的安全隐患，高压线束一般从外部穿过，必须有良好的机械防护和固定设施。必须基于高压线束所连接的电气部件的负载特性计算稳态电流，进而确定电缆的截面积。在125℃下，常见铜芯电缆线径截面积与载流量的匹配参见表2.2。

3．高压熔断器选型

熔断器主要是在高压回路发生过载或者短路现象时，能对高压线束以及高压电气部件起到保护作用，避免出现过热甚至熔断起火。高压熔断器需要根据熔断器工作环境温度、尺寸限制、负载电流和短路电流特性、电压特性、连接方式等选择合适的类型。原则上，要求熔断器额定电压需大于动力电池系统的最高工作电压，电流分断能力要大于保护回路中预期的短路电流。额定电流（熔断器规格）的选择参考如下：

式中，I_n为熔断器额定电流；I_r为高压回路中的负载电流；K₁为负载形式校正系数；K₂为温度校正系数。其中，负载形式校正系数K₁主要根据负载特性，考虑功率变化、电流纹波、启动与关闭瞬间冲击电流等因素。通常条件下，基于运行过程中的电流波动状态，K₁选择0.6～0.75；通常根据温度变化率可直接计算温度校正系数K₂或者根据熔断器使用的环境温度及熔断器温升曲线，选择0.6～0.8。

手动服务开关（MSD）是保证高压电气安全的关键部件之一，是实现高压系统电气隔离的执行部件，在关键时刻用于切断高压动力回路，以保障维修和驾乘人员安全。通常会将高压熔断器集成内置于MSD中，当需要进行维修时，拔出MSD就可以有效地物理切断动力电池系统的高压输出，从而保障维修人员的安全；在运行过程中，如果发生短路则可以起到熔断保护的作用。

4．预充电阻和预充时间的确定

为了避免高压上电时产生瞬间大电流冲击高压电气部件，设计预充电回路来对容性负载进行预充电，实现安全接通高压回路的目的，把高压系统简化为由电阻和电容组成的模型。当动力电源回路进入预充电过程，先闭合总负继电器K₂，再闭合预充继电器K₃，与预充电阻R_b共同构成预充电回路。当容性负载端电压U_t与电池包端电压U_b相接近（ΔU 小于10%U_b）时，然后，接通总正继电器K₁，再切断预充继电器K₃，预充电完成。

预充电阻的选型主要结合预充时间、容性负载大小等因素来确定。

预充电过程中，容性负载端电压U_t：

式中，U_t为预充电过程中对应的容性负载端电压；U_b动力电池系统电压：U₀为容性负载的初始电压；R为预充电阻；C为容性负载的电容值。

5．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，是高压回路的重要开关。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。