摘要：本文利用电动汽车为主要研究对象，针对汽车内部的高压电部分设计了安全管理系统，针对该系统的功能需求分析，完成了系统的硬件电路方案的设计与软件流程等设计工作，能够实现电动汽车高压回路内部的各类变量的精确检测，防止电动汽车在启动或制动过程中出现瞬态的冲击高压，对电动汽车内部绝缘性能的有效检测，并配有相关的声光报警、数据显示等功能。
关键词：纯电动汽车 高压 安全管理 故障诊断
电动汽车采用高压蓄电池对高压电动机进行驱动。混合动力汽车采用单电机结构时，电机直接对汽车的主减速器进行驱动。混合动力汽车双电机结构中采用高压蓄电池对第一个高压电动机进行驱动以使内燃内处于效率最高的工作点附近，工作点附近通常225克汽油汽车就可作功1kwh，汽车可节省三分之一到行二分之一的燃油，排放大大减少。双电机结构混合动力汽车采用第二台电机也对主减速器进直接驱动。电动汽车空调或混合动力汽车空调制冷采用高压单相电动机对压缩机进行变频驱动，制热采用高压PTC加热器加热。低压辅助蓄电池采用高压降为低压12V后为全车低压系统供电。 [1]
1 功能需求分析
电动汽车内部的高压回路需要实时的监控，以确保在电动汽车启动，带负荷运行与驻停过程中的安全。在综合分析比较国内外关于电动汽车的发展现状的基础上，总结得出电动汽车高压的安全管理系统需要完成的功能主要包括：能够对于电动汽车内部高压回路的绝缘状态实时监测，能够具备预充电功能,过压\欠压保护功能,高压环路互锁等.功能。
2 电动汽车高压电系统和高压安全
2.1 高压电池组的高压安全设计
2.1.1 可插拔保险丝的设计
电动汽车在蓄电池中间采用可插拔保险丝的设计，这种设计有许多优势。有些电动汽车采用了手动关断正负直流母线的设计，不过效果上明显不如这种中间采用可插拔保险丝的设计方案。
2.1.2 串联缓冲电阻设计
SMR2、SMR1为正极主继电器，SMR3为系统负主继电器，三个继电器的线圈部分由HV-ECU控制，由于在电池的正负母线上设计了高压电解电容器，并增设了SMR1继电器串联缓冲电阻，工作中先闭合SMR1、SMR3开关，电容充电后当电压上升达达一定值时让SMR2再接通，以减小对继电器的损坏。
2.2 变频器工作原理和高压安全
丰田普锐斯用变频器结构和工作原理，蓄电池由6块1.2伏镍氢蓄电池一组串联后为7.2伏，这样的组有28组，输出的额定电压DC201.6V，为了实现高压驱动，减小工作时的电流增压到DC500V。升压过程由升压器两个IPM管的下管通过斩波完成，回馈发电降压由上管完成。变频器的六个的IPM对直流DC500V进行换流成方波电流。
2.2.1 电动机无保护接地和接零的高压安全
电动机MG1壳体与车身是相连的，一旦漏电时会怎样。这种情况下车身有了DC500V高压，但也不必担心，不会有电击的危险。
2.2.2 高压电容器的高压安全
普锐斯蓄电池的DC201.6V和DC500V端分别采用了高压电解电容，在断电时会分别有DC201.6V和DC500V的电压，所以拆装前一定要等电容放一段时间电，防止电击。
2.3 高低压隔离式DC/DC
丰田普锐斯用DC/DC 转换器，车辆的辅助设备，如车灯、音响系统、空调系统（除空调压缩机）和ECU，它们由DC 12V的供电系统供电。由于发电机输出额定电压为DC 201.6V，因此，需要转换器将这个电压降低到DC 12V来为备用蓄电池充电。
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显然丰田普锐斯用DC/DC转换器采用的是隔离式DC/DC转换器，这种转换器是安全的。
2.4 空调系统的高压安全
①空调压缩机电机的高压供电 1mm通常流5A电流，举例若6kw电动机12V则需要供电线为100mm，可以说这样的线又粗又硬且根本无法绕成电机内的绕组，事实上电动汽车上的大功率设备全需高压供电否则供电线都成问题。②制热PTC高压供电 同理电动汽车空调的电加热PTC功率也在几个千瓦左右，也必须是高压供电，只有这样才能满足大功率的需要否则也有供电线问题。在空调高压安全操作上，操作前一定要把蓄电池的中间保险丝从蓄电池上拔下。
2.5 漏电保护器和高压互锁
电动汽车采用漏电保护器是必要的，一旦有正或负母线与车身相连，保护器报警，这就避免了电机壳体漏电成为高压正极，站在车上的人触摸负极造成电击伤。这样的设计也可避免空调系统高压、DC/DC系统高压的泄漏。
2.6 高压互锁
逆变器封密在高压盒中，非工作人员不能拆开。但会有工作人员疏忽和非工作人员的强行拆开情况，为防止电击伤在逆变器盒盖上设计有高压互锁开关，只要逆变器盒体打开，开关动作，控制器收到信号断开系统的主继电器，可以避免易外电击出现。
2.7 紧固的重要性
在装配电动汽车和对电动汽车的售后服务维修中高压连接部分有时会发生松动现象，在高压供电接通瞬间极易发生接触松动部分的瞬间熔化烧结，工作中特别是电池的连接片与电池的连接，由于连接片数目众多，很容易发生漏紧或多次拧紧操作中，有漏紧一次的情况，在实践中烧结电池与逆变器之间的开关情况常有发生。过紧的情况也有发生，导致电池极桩松动，在电池内部发生虚接触的情况也较多，总结后多为电池厂的极桩固定做的不好，在接近标准力矩前就发生了松动或稍大力矩就发生了松动。
3 硬件设计
本文设计纯电动汽车安全管理系统是以汽车内部高压电系统的故障诊断和电量信息安全管理为主要目的，结合功能需求分析，设计了基于MCU的硬件总体方案。
在硬件设计的方案中，包括了MCU的核心控制单元模块，蓄电池部分的温度检测模块，汽车启动的加速度检测模块，以及关键的高压回路的防瞬态冲击电路模块与绝缘检测模块等。
针对电动汽车日常工作环境中出现的电磁干扰频繁剧烈，灰尘累积与潮湿因素等影响，本文设计的硬件方案按照模块化结构密闭封装在箱体盒内，在盒体周围合理的布置接线端子与通讯接口，以确保能够经受环境干扰，达到稳定安全运行的控制功能实现。设计过程中深刻考虑硬件电路的安装容易程度，按照主要的硬件方案，合理布局2块PCB板，分别完成电动汽车各种状态参量的测量功能与外围的显示指示作用功能。[2]
4 软件设计
根据纯电动汽车高压电安全管理系统的整体功能，给出了系统的主流程图，系统的软件主要按照各个模块所完成的功能进行流程布局，能够完成的主要功能包括了电动汽车各变量参数的测量采集，信号的集中处理，MCU外围声光报警数码显示，与外部上位机进行数据传输的串口通信等。[3]
5 结语
针对目前的电动汽车内部高压回路的安全问题，设计了一套能够完成汽车内部高压绝缘各个电气参量的测量管理系统，包括系统的硬件与软件设计工作。实现各参量的数据采集，信号处理与声光报警显示等基本功能，利用模拟电动汽车在实际运行中出现的各种故障类型，测试该系统能够确保电动汽车的安全稳定运行。
参考文献：
[1]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京理工大学出版社，2002.
[2]宋炳雨.纯电动汽车高压电安全管理系统研究与设计[D].山东理工大学，2011.
[3]朱建新，郑荣良，卓斌，等.电动汽车高压电安全诊断与控制策略的研究[J].汽车工程，2007，29（4）：308-312，332.
论文作者:夏荣华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/20
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