动力电池系统高压安全分析及标准解读

程海进，魏万均,杜彦斌

(1.长安福特汽车有限公司, 重庆 401120； 2.重庆工商大学 机械工程学院， 重庆 400067)

动力电池系统高压安全分析及标准解读

程海进1，魏万均1,杜彦斌2

(1.长安福特汽车有限公司, 重庆 401120； 2.重庆工商大学 机械工程学院， 重庆 400067)

从动力电池高压系统组成入手，介绍了高压零部件的功能和主要选型参数，分析了高压系统容易出现的安全问题以及采取的安全功能和实现方式，最后对最新的动力电池高压安全相关标准进行了解读。

动力电池; 高压安全; 电池安全标准

随着环境污染和能源危机的日趋严重，近年来新能源汽车获得了快速发展。动力电池、电机和整车电控作为新能源汽车的三大核心技术越来越受到整车厂和零部件厂商的重视,而动力电池作为技术瓶颈更是成为行业的热点和焦点。

目前汽车动力电池大多采用多个单体电池串并联的连接方式，组成高压、大电流的电池系统。工作电压在几百伏，放电电流高达几百甚至上千安培。动力电池系统的高压安全成为企业和消费者关注的焦点，尤其近年来不断出现的新能源汽车安全事故，使其成为亟待解决的问题。

本文首先对动力电池高压系统组成的关键零部件进行介绍，然后详细分析了高压安全功能设计，最后对动力电池高压安全的最新标准进行了解读。

1 高压系统组成

动力电池高压系统除电芯外，一般由高压继电器、保险丝、电流传感器、预充电阻、手动维修开关、高压连接器和高压电缆等组成，见图1。

图1 动力电池高压系统

1.1 高压继电器

高压继电器是动力电池系统乃至整个电动力总成的关键元件。电池管理系统通过控制高压继电器的闭合与打开完成电池系统对外的动力输出与中断。

目前新能源汽车上使用的大多是电磁继电器，其结构如图2所示。额定电压在400 V以上，额定电流从10～500 A有不同的规格。10 A和20 A继电器主要用于预充回路，上电时承受电流脉冲。100～500 A继电器主要用于充放电主回路，为了能安全切断高压，一般在正极和负极各布置1个继电器。

高压继电器的选型非常重要，主要参数有：

1) 额定电流，需要根据整车实际运行的额定功率进行选择。继电器的额定电流要大于由整车额定功率计算出来的电流值。

2) 脉冲电流，需要根据整车实际运行的峰值功率进行选择。继电器所能承受的脉冲电流要大于由整车峰值功率计算出来的峰值电流。

3) 带载切断寿命，需要评估继电器在一定电流下的带载切断次数，超过一定次数可能导致继电器触点的粘连。

图2 高压继电器

1.2 保险丝

保险丝串联在主回路中，防止高压回路短路而造成危害发生，保护回路中其他电气零部件。保险丝的选型参数主要有：

1) 额定电流，一般选取整车额定电流的1.35倍。

2)I-T熔断曲线，如图3所示，从中可以获得在一定电流下保险丝的熔断时间。该熔断时间内，高压电气回路和零部件不能发生安全事故。

3)I2T寿命曲线，从中可以获得保险丝在一定电流一定时间的冲击下寿命次数，该寿命要与电池包寿命一致。

图3 熔断曲线

1.3 电流传感器

电流传感器串联在主回路中，用于测量主回路的充放电电流值。目前比较流行的是霍尔传感器和分流器，如图4所示。霍尔传感器采用霍尔原理，将主回路母线穿过霍尔传感器，通过电磁感应获得通过母线的电流[1]。分流器采用精密微电阻串联在高压回路中，通过自身的压降而计算出电流的大小。电流传感器的选型参数主要有：

1) 电流测量范围，要覆盖到高压系统可能出现的最大电流值。

2) 电流精度，不仅是BMS进行SOC估算的基础，还是判断电池系统过流和短路的重要参数。

图4 电流传感器

1.4 预充电阻

因为整车高压系统中存在较大的X电容，为了保护主继电器在闭合的瞬间由于电流过大触点粘连，采用预充电阻和预充继电器串联后与主继电器并联的方式。当闭合高压回路时，首先闭合预充继电器，给高压回路电容进行充电。当电容将近充满时，再闭合主继电器，随后断开预充回路。预充回路电压如图5所示，计算公式为

Vt=V0+(V1-V0)×[1-exp(-t/RC)]

(1)

其中：V0为电容上的初始电压值；V1为电容最终可充到或放到的电压值；Vt为t时刻电容上的电压值；R为预充电阻阻值；C为预充电容的电容值。

预充电阻的选型参数主要有：

1) 过载功率。预充电阻主要承受瞬间脉冲电流，其过载功率一定要大于继电器闭合时产生的瞬时功率。

2) 电阻阻值。电阻阻值的选择要与高压回路电容匹配，满足预充时间的要求。

图5 预充回路充电

1.5 手动维修开关

为了保护检修人员和测试人员的安全，在高压回路中串入维修开关，当需要使用电池包时，将维修开关闭合，导通高压回路。当对电池包进行维护时，首先断开维修开关，保证高压回路切断。手动维修开关结构如图6所示，可以集成保险丝，方便进行更换。

图6 手动维修开关

1.6 高压连接器

高压连接器是电池包动力输出及输入的接口，其连接的可靠性非常重要。高压连接器的结构如图7所示，其选型参数主要有：额定电压、额定电流；HVIL，即是否带有高压互锁功能；是否满足IPxxb,即防触指功能。

图7 高压连接器

1.7 高压电缆

电池包内各电气组件需要用高压电缆进行连接。由于空间和体积的要求，有些高压连接采用硬母排或叠层软母排进行连接[2]。高压电缆端子连接的可靠性很重要，要防止振动冲击和腐蚀造成连接松动，使接触电阻增大，最后导致过热而连接失效。

2 高压系统安全功能

为了保护电池系统高压安全，在电池系统中设置了很多安全功能，防止高压系统出现安全问题。

2.1 短路保护

短路是高压系统最容易出现，也是最危险的安全故障之一。如何能检测短路、防止短路的发生，是高压安全最为重要的一个功能。

在汽车上电时，需要对电池外部高压回路进行短路检测。在继电器闭合的预充阶段，由于有预充电阻的存在，回路电流较小，可以对高压回路进行短路检测，如图8所示。当检测到外部短路时，打开继电器，防止高压回路短路。

在汽车行驶过程中，挡突然发生短路时，保险丝会在极短的时间内熔断，切断高压回路，防止其他危害的发生。

图8 外部短路检测

2.2 紧急断电

当电池系统发现过压、过流以及过温等危险工况时，BMS控制继电器断开，切断高压回路，保护电池系统(见图9)。

当汽车发生碰撞时，需要立即切断高压。其控制方式包括：

1) 采用安全爆破装置切断继电器供电，以切断高压回路。

2) 通过碰撞信号硬线反馈给BMS，切断高压继电器，以切断高压回路。

3) 通过CAN通信信号传递给BMS，切断高压继电器。

图9 紧急断电功能

2.3 高压互锁

为了防止人员接触到高压，高压系统连接器一般都采用高压互锁功能，当高压有可能暴露时，切断高压电池系统，防止发生电击伤害。图10中，BMS产生高压互锁信号源，此信号可以是电压信号，也可以是电流信号或PWM信号，经过高压接口后返回BMS进行电路的完整性检测。

图10 高压互锁回路

2.4 继电器诊断

高压继电器作为电池系统的关键部件，需要对其故障进行诊断，对其寿命进行预判，防止由于继电器的失效而导致安全事故的发生。

继电器在使用过程中经常需要进行带载切断，因此必须对继电器的触点进行粘连检测，判断继电器是否真实断开。继电器粘连检测的方法如图11所示，打开主正继电器时，比较电压U21与U31，当两者不一致时，判定主正继电器成功切断；反之，则判定继电器粘连。打开主负继电器，比较电压U21和U23，当两者不一致时，则判定主负继电器成功切断；反之，则判定继电器粘连。

图11 继电器粘连检测

继电器粘连检测是继电器发生故障的事后检测机制，可以保证车辆处于安全状态，但会影响客户的用车体验。因此，在策略上还需要对继电器的寿命进行预判，通过统计继电器在大电流下的带载切断次数判断继电器有可能达到了寿命。这样，客户可以根据提示提前对车辆进行维护，避免出现突然无法启动车辆的现象。

2.5 绝缘监测

相比传统汽车，电动汽车在电气方面除了12 V低压系统外，还存在60 V以上的高压系统，一般在300～400 V左右。高压系统与低压系统的隔离与绝缘非常重要。当高压系统短路到低压系统时，不仅会损坏低压系统设备，还会对车上人员造成伤害。从设计上，电池系统在高压绝缘方面可以进行很好的防护，但是随着绝缘材料的老化，绝缘问题还是经常会出现，因此绝缘监测系统就十分必要。

目前，绝缘监测系统主要采用国标法。如图12所示，在正负极母线和车身地之间接入一系列电阻，然后通过开关切换接入某阻值，测量被测电阻的分压，最后通过计算得出正负极母线对地的绝缘电阻。另外，还有电压注入法等主动监测系统。

图12 绝缘监测系统

3 相关安全标准法规

随着电动汽车的快速发展，国内外对动力电池系统高压安全制定了相应的标准，国内的相关标准也成为电池进入公告目录、汽车进入市场的必要条件。

国家标准GB/T 18384 电动汽车安全要求是针对电动汽车的安全作出的基本要求，也是强制要求。其最新发布的版本是2015版，代替了之前的2001版本。该标准采用修改的国际标准ISO 6469—2009 电动道路车辆安全要求。

GB/T 18384—2015共分为3个部分。

第1部分为GB/T 18384.1—2015“车载可充电储能系统”[3]，其中关于动力电池高压安全的相关要求是：

1) 高压动力电池系统需要有警告标记。此处规定的高压为直流大于60 V且小于或等于1 500 V的动力电池系统。

2) 规定动力电池高压系统绝缘电阻的测量方法，对其试验条件进行了明确要求，并要求直流电路绝缘电阻不小于100 Ω/V。

3) 规定了电气间隙和爬电距离。最小电气间隙为2.5 mm。对于正常使用时不会发生电解液泄漏的动力电池，爬电距离按照GB/T 16935.1的要求。

4) 动力电池需要有防短路功能或过流断开装置，防止对人员、车辆和环境造成危害。一般电池包内都安装了保险丝和继电器用于短路和过流保护。

第2部分为操作安全和故障防护，主要针对电动汽车所特有的危险规定了操作安全和故障防护的要求，其中指出应对可能的单点失效采取管理措施[4]。

第3部分为人员触电防护，规定了电力驱动系统防止车内和车外人员触电的要求。其中规定当高压系统遮拦/外壳允许直接进入时，需要采用例如互锁的方法使高压断电，遮拦/外壳应至少满足GB4308中规定的IPXXB防护等级要求[5]。

国家标准 GB/T 31498—2015 电动汽车碰撞后安全要求是最新发布的对于带有高压系统的纯电动汽车、混合动力电动汽车正面碰撞、侧面碰撞后的特殊安全要求和试验方法，其对触电防护保护作出了要求[6]：

1) 电压要求。母线电压应不大于30 V交流或60 V直流。对于动力电池高压系统的要求则是碰撞后继电器要及时切断。

2) 电能要求。高压母线上的总电能应小于0.2 J。对于动力电池高压系统的要求就是不能选用大容值的X或Y电容。

3) 物理防护。碰撞后车辆应有IPXXB级别的保护。

4) 绝缘电阻。对于直流母线绝缘电阻最小值应为100 Ω/V。

国家标准GB/T 31467.3“电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统”第3部分为安全性要求与测试方法，其中明确要求进行短路保护测试，测试后满足保护装置起作用、电池不爆炸不起火、绝缘电阻不小于100 Ω/V的要求[7]。

4 结束语

针对动力电池系统高压安全问题，从零部件的组成进行了介绍，对比较流行的高压安全功能和实现方式进行了分析，对最新的动力电池高压安全标准进行了解读。

动力电池系统高压安全设计是一个复杂和长期技术积累的过程。从以往的设计经验和事故教训里不断有新技术和新要求的产生。相信随着电动汽车的发展，动力电池高压安全设计和标准也将不断走向成熟。

[1] 宋炳雨，高松，郎华,等.电动汽车高压电故障诊断与安全管理策略研究[J].重庆交通大学学报，2010,29(5):804-831.

[2] ROBERT P,KANTHASAMY E,MILIND G.Voltec battery design and manufacturing[J].SAE International,2010(1)： 1360.

[3] GB/T 18384.1—2015.电动汽车安全要求第1部分：车载可充电储能系统[S].北京：中国标准出版社，2015.

[4] GB/T 18384.2—2015.电动汽车安全要求第2部分：操作安全和故障防护[S].北京：中国标准出版社，2015.

[5] GB/T 18384.3—2015.电动汽车安全要求 第3部分：人员触电防护[S].北京：中国标准出版社，2015.

[6] GB/T31498—2015.电动汽车碰撞后安全要求[S].北京：中国标准出版社，2015.

[7] GB/T 31467.3—2015.电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法[S].北京：中国标准出版社，2015.

(责任编辑 刘 舸)

Research on High Voltage Safety of Power Battery and Standard Study

CHENG Haijin1， WEI Wanjun1， DU Yanbin2

(1.Chang’an Ford Automobile Co., Ltd., Chongqing 401120, China; 2.College of Mechanical Engineering, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

The paper introduces the function and the main selection parameters of the high voltage components. It analyzes the easily occurred safety issue and points out the safety function and the method. Finally it studies the newest standard related to the high voltage safety of the power battery.

power battery; high voltage; battery safety standard

2016-08-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51305470)

程海进(1986—)，女，重庆人，硕士，主要从事新能源汽车研究，E-mail:chenghaijin@cqut.edu.cn。

程海进，魏万均,杜彦斌.动力电池系统高压安全分析及标准解读[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(8):22-27.

format：CHENG Haijin，WEI Wanjun，DU Yanbin.Research on High Voltage Safety of Power Battery and Standard Study[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):22-27.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.004

U461

A

1674-8425(2017)08-0022-06