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新能源汽车高电压组件结构浅析

2020-01-18 21:04:14·  来源:EDC电驱未来  
 
新能源汽车上的高压组件通过高压连接器连接在一起。1.1 高压互锁(High Voltage Interlock)在设计高压连接器时,需要考虑插拔过程中的高压安全保护,如断开时,
 新能源汽车上的高压组件通过高压连接器连接在一起。
 
1.1 高压互锁(High Voltage Interlock)
在设计高压连接器时,需要考虑插拔过程中的高压安全保护,如断开时,高压互锁应先断开,然后高压端子再断开,接合时则相反。高压互锁一般分为内置式和外置式(图1)。内置式高压互锁回路安装在高压端子之间,结构紧凑、体积较小,目前被广泛应用。高压互锁回路通过电平或PWM信号进行监测,主要失效模式为短路或断路。
图1 高压互锁的结构
 
1.2 高压连接器的防护等级要求
高压连接器的防护等级一般要求至少达到IP67。IP是国际防护代码(International Protection code),IP后面第1个数字表示固态防护等级,范围为0~6,表示对从大颗粒异物到灰尘的防护等级;IP后面第2个数字表示液态防护等级,范围为0~8,表示对从垂直水滴到水底压力情况下的防护等级。IP67表示能够防止灰尘进入,且经得起短暂浸泡。
 
1.3 高压连接器端子接触件结构
高压连接器端子接触件结构主要有片簧式、冠簧式、扭簧式等,不同的结构形式决定了电接触方式(面接触、线接触和多点接触)的不同,选用何种形式由连接器的应用场合决定。
片簧式连接器(图2)是第一代传统连接器,它是应用最为广泛的工业连接器。冠簧式连接器(图3)比片簧式连接器端子结构复杂,母头从1个零件增加到2个零件,核心的接触弹片为精密冲压的百叶窗形状的栅栏,它的接触点多达几十个,改善了连接的可靠性。扭簧式连接器(图4)的电流承载能力很强,适用于充电枪和充电插座。
图2 片簧式连接器
图3 冠簧式连接器
图4 扭簧式连接器
2 高压线路
 
2.1 高压标记
每个高压组件的壳体上都带有警告标记(图5),维修人员和车主可通过警告标记得知高电压可能带来的危险。由于高压导线可能有几米长,在一处或两处张贴警告标记的意义不大,维修人员可能会忽视这些标记,因此选用橙色警告色标记出了所有的高压线束(图6),且高压线束的导线连接器也采用橙色设计。
图5 高压组件上的警告标记
图6 高压线束及导线连接器的橙色标记
 
2.2 高压线束
直流电缆组件由2根绝缘的高压线束组成,用来连接动力电池组和变频器。高压线束属于高安全件,所以高压线束的设计及布置至关重要。整车高压线束主要涉及到线束走向、线径、高压连接器、充电口的类型和应用、屏蔽、高压线束固定、高压线槽、高压互锁等。
在很多混合动力汽车中,直流电缆组件从汽车尾部(在这里与汽车的混合动力电池组相连接)一直延伸到发动机室盖下方的变频器上。由于大部分高压线束都位于汽车底盘部位(夹在动力电池组和底盘之间),因此能受到很好的保护。而纯电动汽车和一些插电式汽车安装的电池组要大得多,往往要延长到几乎车辆前部的位置,因此其高压线束通常会比混合动力汽车上的短一些(图7)。
在举升新能源汽车之前,技术人员应参考汽车维修手册确定车辆的规定起吊点,从而确保起重臂或吊板没有接触到高压组件。有些车的规定起吊点信息在车主手册上也能查得到。
图7 纯电动汽车动力电池组上的高压线束
电池组和变频器之间的直流连接电缆还向DC/DC转换器供电,从而实现对12 V辅助系统的供电,并在车辆通电时(READY ON时)对汽车的12 V辅助电池进行充电。尽管DC/DC转换器的输出电压属于低电压,但仍然将其看成是一种高压元件,因为它的输入端接入的是高压电。
3 高压导线连接器的拆装
无论是扁平式高压导线连接器还是圆形高压导线连接器,在松开或固定时都必须严格遵守规定顺序。如果更换了高压组件,组装时必须注意:按规定重新建立高压组件壳体与车辆接地之间的导电连接;严格遵守维修说明;由另外1名维修人员检查维修工作(包括拧紧力矩、接触裸露金属等),并在维修工单上进行书面记录。
 
3.1 扁平式高压导线连接器的拆装
在某些高压组件的导线连接器上有单独的高压互锁回路导线连接器,在松开高压导线连接器前,必须首先松开高压互锁回路导线连接器(图8)。高压互锁回路导线连接器处于连接状态时,高压互锁回路闭合;松开高压互锁回路导线连接器,高压互锁回路断开,此时高电压系统自动关闭。这是一项附加安全措施,确保维修人员在开始工作前已将高电压系统切换为无电压输出状态。
图8 松开高压互锁回路导线连接器
松开高压互锁回路导线连接器后,推移机械锁止件(图9),然后即可拔出高压导线连接器(图10)。将高压导线连接器拔出几毫米(位置A)后,可感觉到较高反作用力,此时要向相同方向继续拔出高压导线连接器(位置B)。注意:在位置A时切勿将高压导线连接器重新压回高压组件上,这样可能会损坏高压导线连接器。
重新连接高压导线连接器时,按松开的相反顺序进行即可。图11展示了高压组件上扁平式高压导线连接器插座的结构。
 
3.2 圆形高压导线连接器的拆装
图9 推移高压导线连接器的机械锁止件
图10 拔出高压导线连接器
如图12所示,将圆形高压导线连接器上的2个锁止元件压向一起,然后即可拔出高压导线连接器。重新连接高压导线连接器时无需再将锁止元件压向一起,只需将高压导线连接器纵向推向高压组件上的高压导线连接器插座即可,此时必须确保锁止元件已卡入(发出咔嗒声),随后还应通过拉动高压导线连接器检查锁止件是否真的卡入。图13展示了圆形高压导线连接器及其插座的结构。
图11 扁平式高压导线连接器插座的结构
1—屏蔽线的电气触点;2—高电压导线的电气触点;3—接触保护;4—机械锁止件;5—高压互锁回路的插座
图12 松开圆形高压导线连接器的方法
图13 圆形高压导线连接器及其插座的结构
1—高电压导线;2—锁止元件操作部位;3—外壳;4—锁止元件;5—高压互锁回路接口;6—用于屏蔽的接口;7—高电压接口(负极);8—导线连接器连接位置标记;9—高压互锁回路接口;10—高电压接口(正极)
4 动力电池组
 
4.1 动力电池的性能指标
电动汽车的动力电池组相当于内燃机驱动车辆的燃油箱,是电驱动装置的蓄能器。动力电池是电动汽车的核心部件,动力电池技术是电动汽车发展的关键。动力电池组主要有以下4个技术参数。
(1)比能量。比能量又称质量比能量,是指单位质量电池所能输出的电能,单位是Wh/kg。比能量反映电池质量水平,影响电动汽车的整车质量和续航里程,是评价电动汽车的动力电池是否满足预定续驶里程的重要指标。
(2)比功率。比功率又称质量比功率,是指单位质量电池所能输出的功率,单位是W/kg。比功率用来判断电动汽车的加速性能和最高车速,直接影响电动汽车的动力性能。比功率越大,电动汽车加速和爬坡性能越好,最高车速越高。
(3)循环寿命。电池经历一次充电和放电的过程称为一个循环,电池所能经历的充放电循环次数称为循环寿命。循环寿命是衡量动力电池寿命的重要指标。循环次数越多,动力电池的使用时间越长。
(4)成本。电池的成本与新技术、原材料、制作工艺和生产规模等因素有关。通常新开发的高比功率电池成本相对较高。
 
4.2 动力电池的类型
新能源汽车电池种类较多,目前市场上主流动力电池为镍氢电池、锂离子电池和燃料电池。现通常采用以电池正极材料来命名的规则。
(1)镍氢电池。镍氢(NiMH)电池的正极材料是氢氧化镍(NiOH),负极材料是金属氢化物,电解液是30%的氢氧化钾水溶液。单体镍氢电池的额定电压为1.2 V,其比能量约为70 Wh/kg~100 Wh/kg。镍氢电池基本上无记忆效应,可循环使用500 次~1 000 次。镍氢电池对过度充电、深度放电、过热、极性接错等情况反应敏感。目前多数非插电式混合动力汽车使用的是镍氢电池组,如非插电的丰田普锐斯混合动力汽车。
(2)锂离子电池。插电式混合动力汽车和纯电动汽车一般使用锂离子电池,其能量密度高于镍氢电池组。锂离子电池种类繁多,如今在售新能源汽车配备的锂电池主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池,这两种电池在自身特点上存在差异。
1)磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池正极材料为磷酸铁锂,负极材料是石墨,电解质是由有机溶剂和锂盐组成。单体磷酸铁锂电池标称电压为3.2 V,现已达到3.7 V,其比能量为100 Wh/kg~110 Wh/kg。磷酸铁锂电池无记忆效应,循环寿命达到2 000 次以上。镍氢电池热稳定性较好,当电池温度处于500 ℃~600 ℃时,其内部化学成分才开始分解。比亚迪e5车、e6车均使用了磷酸铁锂电池。
2)三元锂电池。三元锂电池使用镍钴锰等3种正极材料按一定比例混合,负极材料是石墨,电解质是有机溶剂和锂盐组成。单体三元锂电池标称电压为3.6 V~3.7 V,比能量为150 Wh/kg~180 Wh/kg,特斯拉MODEL S车上比能量已经达200 Wh/kg。三元锂电池无记忆效应,但在安全性能、耐高温性能、使用寿命性能方面比磷酸铁锂电池差。特斯拉MODEL S、吉利帝豪EV300、北汽EV200等车均使用了三元锂电池。
(3)燃料电池。燃料电池是通过化学反应将化学能转换为电能的一种装置,能量的来源主要是依靠不断供给燃料及氧化剂产生,主要是氢和氧。其因能量转换效率高、无污染、寿命长、运行平稳等特点被业界公认为未来汽车的最佳能源。世界首款量产燃料电池汽车是日本丰田Mirai车。
 
4.3 动力电池组的外部特征
(1)机械接口。动力电池组的壳体通过螺栓以机械方式与车辆底盘连接在一起,这种方式可使车身重力及车辆行驶期间产生的加速力作用在车身上。固定螺栓可直接从下方接触到,不必事先拆卸底部饰板。
(2)电气接口。动力电池组电气接口包括高压电接口和低压电接口。以宝马i3车为例,其动力电池组的高压电接口和低压电接口的位置如图14所示。
1)高压电接口。在动力电池组上有1个 2 芯高压电接口(图15)。动力电池组通过该接口与高压电车载网络连接。高压电接口可防止接触导电部件,实际触点带有塑料外壳,无法直接接触,只有连接导线时才压开塑料外壳并进行接触。塑料滑块用于机械锁止插头,也是安全功能的组成部分。未连接高压电导线时,滑块盖住高压电互锁监控电桥的接口(图15b),只有按规定连接了高压电导线且插头已锁止时,才能接触到这个接口并插上电桥(图15a)。这样可以确保只有连接了所有高压电导线时高压电互锁监控电路才闭合,高压电系统才会启用,可以防止接触可能带电的接触面。围绕高压电导线的两个电气触点还各有一个屏蔽触点,这样可使高压电导线屏蔽层(每根导线各有一个屏蔽层)一直持续到动力电池组壳体内,从而有助于确保电磁兼容性(EMV)。
图14 宝马i3车动力电池组的高压电和低压电接口位置
图15 宝马i3车动力电池组高压电接口
2)低压电接口。动力电池组除了1个2芯的高压电接口之外,还有1个12 V低压接口(图14),其可以为电池管理单元提供总电压、总线信号、电流信号和温度信号等。
(3)提示牌。动力电池组上一般装有3个提示牌,即1个型号铭牌和2个警告提示牌。型号铭牌提供逻辑信息(如零件编号)和重要的技术数据(如额定电压)。2个警告提示牌标明动力电池组采用的电池类型,并提醒可能存在的高压危险。图16所示为宝马i3车动力电池组壳体端盖上的3个提示牌。
图16 宝马i3车动力电池组壳体上的提示牌
 
4.4 动力电池组的车载充电接口
插电式混合动力汽车和纯电动汽车需要补充充电,主要包括交流慢充和直流快充2种充电方式。在给动力电池组充电时,需将充电枪插入车载充电接口。对应交流慢充和直流快充2种充电方式,车载充电接口分为交流充电口和直流充电口,图17所示为比亚迪e5车交直流充电口。具备交流慢充充电方式的车装有车载充电器,其可以将交流电压转换为直流电压。在有直流快充功能的汽车上,将交流电压转换为直流电压的装置安装在充电桩内,称为非车载充电器。与交流慢充相比,有直流快充功能的汽车通常具备独立的快充电路和充电连接器。
车载充电口均由2个高压充电端子和多个低压信号端子组成。低压信号端子同时向车辆和充电机传输充电枪是否正确插入信号,并提供充电机能提供的最大充电电流及动力电池组可接收的最大充电电流等信号。
为了达到动力电池组充电时整车防水密封性要求,充电口通过另一个端盖(图18)防止充电接口受潮。另外,车载充电接口要能够承受瞬时大电流的充电过程。
图17 比亚迪e5车的充电口
 
4.5 动力电池组的废弃处理
电动汽车制造商和电池供应商都会使用回收和再利用动力电池组。部分动力电池组制造商还会将旧动力电池组的某些部件重新应用到所更换的电池组上。用于替换的动力电池组通常放在特殊的装运箱中(图19)被运送到汽车维修点。技术人员从装运箱中取出替换电池组后,把故障电池组安全牢固地装入这个装运箱内并寄回发货处。装运箱内通常带有包装说明和安全防护须知。
图18 充电口防潮保护装置
图19 运输动力电池组的装运箱
 
 
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