基于EV電池系統(tǒng)電氣架構(gòu)下手動(dòng)維修開關(guān)的使用

第一電動(dòng)大牛作者劉敢闖 2017-12-27 13:26

隨著新能源汽車的發(fā)展，手動(dòng)維修開關(guān)（Manual Service Disconnect，MSD）也得到大量使用，應(yīng)用領(lǐng)域主要為電源系統(tǒng)、PDU等。【本文作者為樓佳烽，深耕電動(dòng)力總成數(shù)年，授權(quán)第一電動(dòng)網(wǎng)發(fā)布，謝絕任何形式未經(jīng)許可的轉(zhuǎn)載】

MSD的功能被廣泛定義成“為了保護(hù)在高壓環(huán)境下維修電動(dòng)汽車的技術(shù)人員安全或應(yīng)變某些突發(fā)的事件，可以快速分離高壓電路的連接，使維修等工作出于一種較為安全的狀態(tài)”。從以上定義來講，MSD似乎成了電動(dòng)汽車不可或缺的一部分，或者成為了應(yīng)急救援必備的斷開裝置。

圖1 MSD結(jié)構(gòu)示意圖

基于電氣安全、經(jīng)濟(jì)成本、結(jié)構(gòu)空間考慮，在整車高壓系統(tǒng)（或部件）設(shè)計(jì)過程中，有必要重新思考并定義MSD的功能。MSD功能是否可以得到實(shí)現(xiàn)，須結(jié)合整車高壓電氣架構(gòu)分析，尤其是動(dòng)力電池系統(tǒng)。

一定數(shù)量的電池單體經(jīng)過串并組合后構(gòu)成電池模組，然后多個(gè)電池模組再進(jìn)行組合，配置上BMS及電氣器件等，最終構(gòu)成一個(gè)電池系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱RESS或REESS，以下簡(jiǎn)稱RESS），為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)提供能量。

圖2 電池系統(tǒng)示意圖

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的切斷的標(biāo)準(zhǔn)上，美國SAE J2344、歐標(biāo)EN 1987、ISO 6469、國標(biāo)GB/T 18384電動(dòng)汽車安全要求條例具有相應(yīng)的切斷裝置的要求，如表1：

表1 電動(dòng)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于切斷裝置條例

其中，ISO 6469，EN 1987關(guān)于RESS切斷說明中要求至少斷開1極，RESS切斷開關(guān)可通過手動(dòng)操作（如鑰匙開關(guān)或其他附加的裝置）來控制斷開和吸合；國標(biāo)GB/T 18384只說明B級(jí)電壓出現(xiàn)問題時(shí)可通過斷電的方式進(jìn)行保護(hù)，而SAE J2344則明確要求在某些事件觸發(fā)時(shí)，需同時(shí)對(duì)RESS正負(fù)極實(shí)現(xiàn)電隔離，且分別明確了自動(dòng)斷開和手動(dòng)斷開的要求。

從以上標(biāo)準(zhǔn)而言，除了SAEJ2344中明確提到在車輛維修及保養(yǎng)時(shí)，可通過手動(dòng)斷開裝置實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)電壓的電隔離，其他標(biāo)準(zhǔn)均未提及手動(dòng)斷開裝置。另外，在GB/T電動(dòng)客車安全技術(shù)條件征求稿中，則直接硬性規(guī)定了RESS需安裝維修開關(guān)和熔斷器。

為了實(shí)現(xiàn)RESS的過流斷開和切斷，在整車高壓電氣架構(gòu)中，目前普遍通過Fuse（保險(xiǎn)絲）和接觸器這兩類器件實(shí)現(xiàn)。如何將Fuse和接觸器通過一定方式組合，來有效確保電安全，不同類型車型（如乘用車&商用車）因RESS系統(tǒng)的不同，兩者系統(tǒng)方案面臨不同選擇，而系統(tǒng)方案的不同，則決定了電氣器件（如MSD）的應(yīng)用條件（功能&意義）。

圖3 電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素示意圖

考慮碰撞安全、空間干涉、離地間隙、車輛重心、前后軸荷等問題，乘用車電池布置目前普遍在底盤；相對(duì)而言，商用車電池布置空間選擇余地稍大，主要有底盤、車頂及車廂局部等方案。由于多包電池需面臨電池包間的線纜（高/低壓）、水管路（熱管理）連接、能量分配和采樣檢測(cè)管理等問題，電池組統(tǒng)一封裝在一個(gè)殼體內(nèi)成為當(dāng)前乘用車的主要解決方案，在遵從SAE J2344電動(dòng)汽車安全要求規(guī)范基礎(chǔ)上，RESS電氣基本方案主要如下：

圖4 RESS電氣架構(gòu)基本方案

不同車輛系統(tǒng)配置，其高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)在以上基礎(chǔ)方案上進(jìn)行演化，如電池包內(nèi)集成預(yù)充回路、增加充電控制等等。以上基礎(chǔ)電氣架構(gòu)的單點(diǎn)失效（如接觸器粘連或電池內(nèi)部某處絕緣失效）不會(huì)導(dǎo)致電氣安全，只有多點(diǎn)失效情況下，如接觸器C1粘連且電池正極部位絕緣失效情況，則觸碰電池箱負(fù)極與外殼，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。此處需要強(qiáng)調(diào)的是，以上分析均基于系統(tǒng)級(jí)別的失效分析，而單體電芯、電池模組的失效不加以特別說明。

在以上電氣架構(gòu)方案基礎(chǔ)上，目前普遍使用MSD（內(nèi)置熔斷器）代替Fuse的使用，方案架構(gòu)圖如下：

圖5 RESS電氣架構(gòu)MSD演化方案

其中，MSD放置于電池系統(tǒng)中間原因主要基于對(duì)失效風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估：

圖6 MSD不同布置方案的失效評(píng)估

MSD拔下時(shí)，若電池存在失效風(fēng)險(xiǎn)：

1、 MSD在電池中間位置，在單點(diǎn)失效（接觸器粘連）時(shí)，可降低失效電壓等級(jí)，失效電壓Umax=1/2 UBattery；

2、若MSD放置于電池正極或負(fù)極，在單點(diǎn)失效（接觸器粘連）時(shí)，失效電壓最大值Umax=UBattery。

值得注意的是，由于乘用車動(dòng)力電池標(biāo)稱電壓普遍＞300VDC（如圖7），因此，MSD布置在電池中間位置時(shí)，失效最大電壓1/2 UBattery＞60VDC，屬于危險(xiǎn)電壓。車輛維護(hù)時(shí)，為避免人員觸碰到該危險(xiǎn)電壓，此時(shí)，MSD基座的防觸指設(shè)計(jì)及正確的操作規(guī)范（操作前須用萬用表和絕緣測(cè)試表確認(rèn)狀態(tài)）就顯得尤為重要。

圖7 主流車型電壓平臺(tái)（圖片來源于中國普天）

評(píng)價(jià)上述以維修開關(guān)MSD替代Fuse方案的必要性，首先需明確在滿足過流斷開的作用上，兩者作用一致；其次，基于審視MSD的基礎(chǔ)定義，需明確MSD的使用環(huán)境是在何時(shí)、當(dāng)何種情況下才會(huì)使用，維修開關(guān)的操作對(duì)象主要是針對(duì)RESS系統(tǒng)或其他高壓總成的維修（拆卸&裝配）；進(jìn)一步可以理解為，不是車輛一發(fā)生任何問題，就需要操作MSD，也不意味當(dāng)車輛發(fā)生故障或緊急狀態(tài)（如起火）下，操作MSD就可以確保電隔離安全或阻止緊急狀態(tài)的繼續(xù)發(fā)生；另外，由于乘用車結(jié)構(gòu)空間有限，MSD布置位置及安放尺寸會(huì)限制電池包殼體設(shè)計(jì)，Mini MSD的出現(xiàn)就是為了適應(yīng)部分乘用車對(duì)尺寸的嚴(yán)格要求。

相對(duì)而言，由于商用車裝載電池能量較多，無法將電池組統(tǒng)一封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，電氣設(shè)計(jì)面臨多電池包問題。另外，目前商用車電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)還比較粗放式，例如未設(shè)計(jì)主動(dòng)熱管理，較少考慮電芯單體&模組間的失效風(fēng)險(xiǎn)，在評(píng)價(jià)商用車電池系統(tǒng)使用MSD方案時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)若忽視了電芯短路&模組短路情況，而只考慮系統(tǒng)級(jí)別短路情況，在緊急情況下（如碰撞、漏液等），將存在嚴(yán)重的安全隱患。

由于商用車電池系統(tǒng)采用多包電池的串并設(shè)計(jì)，面臨的失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)更多，MSD的使用幾率（或功能）將被增強(qiáng)。目前，商用車采用多電池包方案，視車型的不同，一般安裝6~16個(gè)電池包，在滿足單體電芯&模組過流失效設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，每個(gè)電池包理想的安全電氣架構(gòu)可基于圖4方案進(jìn)行演化。但在多包電池?cái)?shù)量較多時(shí)，由于整車廠對(duì)于經(jīng)濟(jì)成本（接觸器總成本0.8~2萬/輛）、接觸器失效監(jiān)測(cè)、空間限制等因素，大部分情況下，未能做到一個(gè)電池包加裝2個(gè)接觸器。由此，電池包電氣設(shè)計(jì)方案主要演化為如下幾種：

1、單接觸器+MSD

a）接觸器放置于電池中間，MSD在接觸器旁邊

在正常情況下，MSD基座負(fù)極（或正極）與電池負(fù)極（或正極）存在電壓1/2 UBattery，在單點(diǎn)失效情況下，其失效電壓1/2 UBattery（MSD放置于接觸器左側(cè)與右側(cè)，存在的電壓位置不同）；

圖8 單接觸器+MSD方案

注：接觸器放置于電池中間，MSD在電池一極，此時(shí)當(dāng)接觸器粘連失效時(shí)，MSD的一極與電池一極存在的電壓為UBattery。

b）接觸器放置于電池一極，MSD在接觸器旁邊

若接觸器在電池正極（或負(fù)極），則MSD需放置于接觸器右側(cè)（或左側(cè)），正常情況下，各點(diǎn)電壓為O，在單點(diǎn)失效情況下，其失效電壓UMax=UBattery；

注：MSD放置于接觸器左側(cè)時(shí)，正常情況下，MSD負(fù)端與電池負(fù)極存在電壓UBattery。

2、單接觸器，無MSD

接觸器放置于電池中間時(shí)，當(dāng)接觸器粘連失效時(shí)，電池正負(fù)極存在電壓為UBattery。

3、單MSD，無接觸器

MSD放置于電池中間比放置于電池正極或負(fù)極風(fēng)險(xiǎn)要小，但在正常情況下，MSD基座

正端（或負(fù)端）與電池正極（或負(fù)極）存在1/2 UBattery，絕緣單點(diǎn)失效時(shí)，失效電壓UMax=1/2 UBattery。

基于以上所述，對(duì)于商用車單個(gè)電池包設(shè)計(jì)而言，保障UBattery電壓在一定范圍內(nèi)、MSD基座防觸指設(shè)計(jì)對(duì)于保證電氣安全十分重要。而在電池箱體設(shè)計(jì)時(shí)，選擇連接器插件比采用接線柱方式，在裝配時(shí)，安全系數(shù)更高。

另外，比較方案3（單MSD，無接觸器）與方案1（單接觸器+MSD），維修保養(yǎng)時(shí)，使用MSD，其電氣特征基本類同。

注：電池系統(tǒng)后級(jí)高壓部件安裝調(diào)試時(shí)，方案1比方案3安全操作便捷性要好。

若電氣設(shè)計(jì)直接演化為方案3，商用車電池系統(tǒng)采用多個(gè)電池包+PDU（含正負(fù)極接觸器）形式，其多電池包間短路失效風(fēng)險(xiǎn)如下：

圖9 多電池包串聯(lián)方案

此時(shí)，相鄰電池包MSD基座之間，將存在U1=UBattery，單電池包設(shè)計(jì)時(shí)盡量保障UBattery≤60V；另外，為防止電池系統(tǒng)出現(xiàn)局部單個(gè)或多個(gè)電池包間的短路，MSD選型時(shí)須配置Fuse，此點(diǎn)在EN1987-1/1997標(biāo)準(zhǔn)中也有規(guī)定：“為了防止連接電池或電池包的動(dòng)力線纜可能短路，過流開關(guān)應(yīng)能夠斷開每一種可能的短路電流。如果電池由N個(gè)電池包組成，至少要求有N個(gè)過流開關(guān)（如保險(xiǎn)）。過流開關(guān)可設(shè)置在電池包一極，或依據(jù)其技術(shù)整合到電池包中?！?/p>

同時(shí)可知，a）為避免多電池包連接時(shí)的安全操作，即使單電池包電壓UBattery≤60V，也不意味著可以省去MSD；b）電池系統(tǒng)采用高能量密度，減少電池包有效數(shù)量，意味著降低失效風(fēng)險(xiǎn)幾率。

對(duì)于商用車而言，為了減少開發(fā)周期，降本提效，電池包往標(biāo)準(zhǔn)箱方向延伸。同時(shí)，在特定領(lǐng)域中，動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)上可能會(huì)出現(xiàn)模塊級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的二次（或三次）并聯(lián)，在電池管理復(fù)雜性和運(yùn)行可靠性等方面都有了新的要求，比如，并聯(lián)的電池系統(tǒng)對(duì)電池的一致性提出了更高的要求；電源系統(tǒng)采用兩并以上方案，則會(huì)造成單電池包電壓較大；若采用并聯(lián)方案后，若某支路出現(xiàn)故障，另外支路繼續(xù)使用，跛行模式造成各支路SOC不一致該如何有效恢復(fù)成為售后成本問題。