1 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)保問(wèn)題日益突出，世界各國(guó)都將目光投向了環(huán)保和節(jié)能的電動(dòng)汽車(chē)。而電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是車(chē)內(nèi)裝有保證足夠動(dòng)力性能的高電壓回路，其高達(dá)300v以上［1］的電壓危及人身安全和車(chē)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(dá)到數(shù)十、甚至數(shù)百安培，當(dāng)瞬時(shí)短路時(shí)放電電流更是成倍增加。因此，在設(shè)計(jì)、規(guī)劃高壓動(dòng)力系統(tǒng)和對(duì)高壓系統(tǒng)重要部件的選型時(shí)不僅應(yīng)充分滿足整車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求，還必須確保車(chē)輛運(yùn)行安全、駕乘人員安全和車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境安全［2］。因此對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的高壓電氣系統(tǒng)的管理［3］和安全性已經(jīng)成為電動(dòng)汽車(chē)研究設(shè)計(jì)時(shí)必須要解決的重要問(wèn)題。

　　純電動(dòng)汽車(chē)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(qiáng)烈的特點(diǎn)，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(duì)電氣系統(tǒng)造成極大的損害，這就對(duì)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(dòng)汽車(chē)高壓電安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　純電動(dòng)汽車(chē)高壓電安全管理系統(tǒng)是實(shí)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(duì)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(shí)時(shí)過(guò)電流檢測(cè)及故障處理；

　　3）高低壓保護(hù)及故障處理；

　　4）絕緣檢測(cè)及故障處理；

　　5）互鎖故障檢測(cè)及故障處理。

　　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖1為純電動(dòng)汽車(chē)高壓電安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能如下：

　　（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)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(duì)高壓電氣系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)。

　　（2）與電動(dòng)汽車(chē)其他模塊進(jìn)行can總線通信，方便信息的傳遞。

　?。?）通過(guò)故障檢測(cè)及相應(yīng)的控制模塊實(shí)現(xiàn)高壓電氣系統(tǒng)的安全管理和保護(hù)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(kāi)直流接觸器開(kāi)關(guān)；k1為預(yù)充電控制模塊的高壓常開(kāi)直流接觸器開(kāi)關(guān)；fuse為熔斷器；k4和k5絕緣電阻檢測(cè)開(kāi)關(guān)的直流接觸器。主電路的直流接觸器是結(jié)合實(shí)際情況和參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行選型設(shè)計(jì)的。

　　2.2高壓電系統(tǒng)故障檢測(cè)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(dòng)汽車(chē)在靜止或運(yùn)行全過(guò)程的高壓用電安全。

　　2.2.1高壓電安全管理策略

      （1）上電過(guò)程

　　對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)高壓電路的整個(gè)動(dòng)力回路，存在著大量的容性負(fù)載。如果在高壓電路接通過(guò)程中不采取有效的防范措施，高壓電路在瞬時(shí)上電時(shí)，由于系統(tǒng)電路容性負(fù)載的存在，將會(huì)對(duì)整個(gè)高壓系統(tǒng)電路造成上電沖擊。為此，在上電過(guò)程中需要對(duì)高壓電路進(jìn)行防電流瞬態(tài)沖擊預(yù)充電。純電動(dòng)汽車(chē)在接到有效啟動(dòng)的命令組合信號(hào)之后，高壓電安全管理系統(tǒng)上電。首先對(duì)高壓電路系統(tǒng)進(jìn)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(wú)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(jìn)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(shí)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。

　?。?）系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

　　在高壓電路預(yù)充電過(guò)程結(jié)束并成功接通高壓電路之后，車(chē)輛進(jìn)入正常待機(jī)或運(yùn)行狀態(tài)。這時(shí)為了保證高壓電路系統(tǒng)用電安全，避免人員和車(chē)輛損害，系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)時(shí)故障診斷狀態(tài)，重點(diǎn)針對(duì)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(jìn)行循環(huán)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)發(fā)生故障的嚴(yán)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(chē)輛碰撞、側(cè)翻事故時(shí)，應(yīng)果斷的及時(shí)斷開(kāi)高壓電路并給出警報(bào)。

　　（3）斷電過(guò)程

　　如果是正常的關(guān)機(jī)信號(hào)到來(lái)，則電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入關(guān)機(jī)斷電程序，在正式切斷高壓電源輸出之前，需要首先對(duì)車(chē)輛動(dòng)力蓄電池溫度值進(jìn)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(guò)高，則需要由電路驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制降溫，并在溫度許可時(shí)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(guò)管理系統(tǒng)跨過(guò)整車(chē)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(cè)

　　針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)安全管理策略的要求并結(jié)合車(chē)載儲(chǔ)能裝置、功能安全和人員觸電防護(hù)以及故障防護(hù)等幾個(gè)方面出發(fā)，電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)的安全檢測(cè)和保護(hù)主要包括：

　?。?）預(yù)充電保護(hù)電路：由于純電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)的供電回路中存在著大量的容性負(fù)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(guò)程中不采取有效的防范措施，在高壓電路接通瞬間，將會(huì)對(duì)整個(gè)高壓系統(tǒng)電路造成瞬時(shí)上電沖擊，甚至損毀設(shè)備，危及車(chē)輛和人身的安全。為了安全接通高壓電路，需要針對(duì)高壓電路進(jìn)行防電流瞬態(tài)沖擊保護(hù)的預(yù)充電設(shè)計(jì)。

　　（2）電流檢測(cè)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(cè)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(cè)到過(guò)流，則表明高壓供電電流超過(guò)了設(shè)定的可允許范圍，立即進(jìn)入故障斷開(kāi)控制流程，斷開(kāi)供電主接觸器，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，以提醒駕駛?cè)藛T。

　?。?）主電路互鎖檢測(cè)：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(duì)供電電路的完整性進(jìn)行檢測(cè)。

　?。?）觸點(diǎn)檢測(cè)：為滿足整車(chē)功能控制和高壓電氣自動(dòng)切斷保護(hù)的需求，在純電動(dòng)汽車(chē)的高壓電氣系統(tǒng)中必須配置可自動(dòng)切斷主回路的接觸器。如果電動(dòng)車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中高壓電氣接觸器發(fā)生閉合或斷開(kāi)失效，且不能及時(shí)采取有效處理措施， 輕者會(huì)發(fā)生高壓電氣系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)正?？刂频那闆r， 重者危及車(chē)輛和人身安全甚至可能產(chǎn)生重大安全事故。

　?。?）絕緣檢測(cè)：高電壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、電源變換器、電動(dòng)機(jī)控制器和電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備組成，動(dòng)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(chē)的重量。但是，較高的工作電壓對(duì)高電壓系統(tǒng)與車(chē)輛底盤(pán)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(duì)人員和車(chē)輛的潛在威脅，只有定量地分別檢測(cè)直流“直流正極母線-底盤(pán)”和“直流負(fù)極母線-底盤(pán)”的絕緣性能，才能保證純電動(dòng)汽車(chē)的高壓電氣安全性。

　?。?）余電泄放保護(hù)：由于純電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)的供電回路中存在著大量的容性負(fù)載，在動(dòng)力電池?cái)嚅_(kāi)后，供電回路中仍會(huì)殘留很高的電壓和電能，如果不采取有效的泄放措施，將會(huì)危及車(chē)輛和人身的安全。為了避免剩余電能可能帶來(lái)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(cè)：由于動(dòng)力電池的電壓與動(dòng)力電池的放電能力和放電效率有很大的關(guān)系，如果在動(dòng)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(dòng)力電池和高壓用電設(shè)備。因此，為了保障純電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力蓄電池低壓時(shí)用電器及動(dòng)力蓄電池的安全，需要設(shè)計(jì)電壓檢測(cè)電路對(duì)高壓電路系統(tǒng)工作電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)并進(jìn)行供電保護(hù)。

　　（8）溫度檢測(cè)：驅(qū)動(dòng)功率器件在輸出功率的同時(shí)自身也要消耗功率，主要包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，這些損耗通常表現(xiàn)為熱，隨著熱量的累積，將會(huì)使驅(qū)動(dòng)功率器件的基板溫度和工作結(jié)溫升高。如果溫度過(guò)高，則可能會(huì)造成驅(qū)動(dòng)器件過(guò)熱損壞。為了能使驅(qū)動(dòng)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(shí)加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)功率器件的溫度監(jiān)測(cè)和過(guò)熱保護(hù)，因此需要設(shè)計(jì)過(guò)溫檢測(cè)電路以實(shí)現(xiàn)高壓電氣安全控制系統(tǒng)的溫度檢測(cè)和過(guò)熱保護(hù)功能。

　　通過(guò)以上故障檢測(cè)判斷高壓電路，一旦監(jiān)測(cè)到高壓電路發(fā)生故障則控制器封鎖輸出信號(hào)，同時(shí)高壓電管理系統(tǒng)斷開(kāi)高壓電路。

       3 高壓電氣系統(tǒng)電路延時(shí)分析及模型

　　純電動(dòng)汽車(chē)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(qiáng)烈的特點(diǎn)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(duì)電氣系統(tǒng)造成極大的損害。這就對(duì)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(duì)高壓電安全管理系統(tǒng)的故障檢測(cè)及處理需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，我們以電流檢測(cè)電路和過(guò)流處理的執(zhí)行電路為例。

　　3.1電流檢測(cè)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(hào)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(hào)；lf353為雙單元封裝的運(yùn)算放大器芯片，其前級(jí)構(gòu)成1/2衰減電路，次級(jí)構(gòu)成電壓跟隨器。電流傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)運(yùn)放lf353電路的衰減和偏移來(lái)達(dá)到處理芯片能接收的電壓等級(jí)，再通過(guò)由r5，c4組成的r-c濾波電路進(jìn)入到mcu中進(jìn)行處理。

　　又有rc濾波器的截止頻率計(jì)算有：

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

　　3.1.2故障處理電路

　　圖3是過(guò)流故障輸出執(zhí)行電路。圖3中的mcu140是過(guò)流故障時(shí)mcu模塊輸出的關(guān)斷主接觸器，切斷高壓電路的信號(hào)；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(hào)繼電器用于控制主接觸器的通斷，達(dá)到隔離的效果，保證電路的安全。