动力电池管理系统（BMS）策略与开发方法

动力电池需要从”电量管理“、”充放电“、”能量回收“等等各个方面来管理。那么对于新能源汽车BMS如此重要，今天漫谈君就和大家聊一聊动力电池管理系统（BMS）策略与开发方法。

动力电池需要从”电量管理“、”充放电“、”能量回收“等等各个方面来管理。那么对于新能源汽车BMS如此重要，今天漫谈君就和大家聊一聊动力电池管理系统（BMS）策略与开发方法。

一直以来，电动汽车没有发展起来的原因就是电池，电池的瓶颈太大，现有技术无法保证续航里程，其实最早发展的是电动车，比燃油车更早，但因为续航的原因，在100多年前，电动车胎死腹中，直到近些年，能量密度的提升特别是BMS的出现，也就是BMS的出现，使得纯电动汽车有了跨越式的发展。

一、BMS是什么

BMS英文名称BatteryManagement System，中文名称动力电池管理系统，对电池进行监控和管理的系统，通过对电压、电流、温度以及SOC等参数采集、计算，进而控制电池的充放电过程，实现对电池的保护，提升电池综合性能的管理系统，是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。




二、BMS主要功能



1、参数检测
实时采集电池充放电状态。采集的数据有电池总电压、电池总电流、每包电池测点温度以及单体模块电池电压等。

2、剩余电量（SOC）估计
电池剩余能量相当于传统车的油量。为了让司机及时了解SOC，系统应即时采集充放电电流、电压等参数，通过相应的算法进行SOC的估计。

3、充放电控制
根据电池的荷电状态控制对电池的充放电。若某个参数超标，如单体电池电压过高或过低，为保证电池组的正常使用及性能的发挥，系统将切断继电器，停止电池的能量供给。

4、热管理
实时采集每包电池测点温度，通过对散热风扇的控制防止电池温度过高。

5、均衡控制
由于每块电池个体的差异以及使用状态的不同等原因，因此电池在使用过程中不一致性会越来越严重。系统应能判断并自动进行均衡处理。

6、故障诊断
通过对电池参数的采集，系统具有预测电池性能、故障诊断和提前报警等功能。

7、信息监控
电池的主要信息在车载显示终端进行实时显示。

8、参数标定
由于不同的车型使用的电池类型、数量、电池包大小和数量不同，因此系统应具有对车型、车辆编号、电池类型和电池模式等信息标定的功能。BMS通过RS232接口与上位机标定软件进行通信来实现。

9、CAN总线接口
根据整车CAN通信协议，与整车其他系统进行信息共享。



三、BMS结构
在纯电动汽车中将动力电池分组串并联形成整车高压电源为整车提供动力源。
BMS主要结构如下图所示：



从整车角度考虑，设计BMS采用分布式网络控制系统结构，系统结构和在车上的布置情况如下图所示。系统中在每个电池包中布置电池测控模块，各个电池测控模块通过485总线与BMS中央控制器连接在一起形成整个系统。BMS中央控制器同时通过RS232总线将监控信息发送到信息显示器，通过CAN总线接口与整车控制系统进行通信。




四、BMS电气架构
对于分布式BMS，由1个主控制器、1个高压控制器、2个从控制器及相关采样控制线束组成，通过CAN总线实现各控制器间信息交互，如下图所示。



1、主控制器
处理从控制器和高压控制器上报的信息，同时根据上报信息判断和控制动力电池运行状态，实现BMS相关控制策略，并作出相应故障诊断及处理。

2、高压控制器
实时采集并上报动力电池总电压、电流信息，通过其硬件电路实现按时积分，为主板计算荷电状态（State of Charge，SOC）、健康状态（State of Health，SOH）提供准确数据，同时可实现预充电检测和绝缘检测功能。

3、从控制器
实时采集并上报动力电池单体电压、温度信息，反馈每一串电芯的SOH和SOC，同时具备被动均衡功能，有效保证了动力使用过程中电芯的一致性。

4、采样控制线束
为动力电池各种信息采集和控制器间信息交互提供硬件支持，同时在每一根电压采样线上增加冗余保险功能，有效避免因线束或管理系统导致的电池外短路。



五、BMS控制方法
一个完整、合理的BMS控制方法，才能保证动力电池安全可靠地实现其最优的性能并保证最长的使用寿命，BMS主要控制方法有如下几种：



1、工作模式控制
BMS具有以下5种工作模式



A、下电模式
下电模式是整个系统的低压与高压部分处于不工作状态的模式。在下电模式下，BMS控制的所有高压接触器均处于断开状态；低压控制电源处于不供电的状态。下电模式属于省电模式。
B、待机模式
BMS在此模式下不处理任何数据，能耗极低，能快速启动。准备模式下，系统所有的接触器均处于未吸合状态。在该模式下，系统可接受外界的点火锁、整车控制器、电机控制器、充电插头开关等部件发出的硬线信号或受CAN报文控制的低压信号来驱动各高压接触器，从而使BMS进入所需工作模式。
C、放电模式
BMS在待机模式下检测放电WAKEUP信号后，接收车辆控制器（Vehicle Control Unit，VCU）发来的动力电池运行状态指令和接触器的动作指令，并执行相关指令，完成BMS上电及预充电流程，进入放电模式。
当BMS检测到点火锁的高压上电信号Key_ST信号后，系统将首先闭合B-接触器。由于电机是一感性负载，为防止过大的电流冲击，B-接触器闭合后，即闭合预充接触器进入预充电状态；当预充电容两端电压达到母线电压的95%时，立即闭合B+接触器并断开预充接触器进入放电模式。目前轿车常用的低压电源由12V铅酸蓄电池提供，不仅可为低压控制系统供电，还为转向电机、雨刮电机、安全气囊及后视镜驱动电机等提供电源。为保证低压蓄电池能持续为整车控制系统供电，低压蓄电池需有充电电源，而直流转换接触器的开启即可满足这一需求。因此，当电池系统处于放电状态时，打开B+接触器后即闭合直流转换接触器，以保证低压电源持续供电。
D、充电模式
BMS在待机模式下检测充电WAKEUP信号后，接收VCU发来的动力电池运行状态指令和接触器的动作指令，并执行相关指令，完成BMS充电流程，进入充电模式，同时与车载充电机通讯。当BMS检测充电唤醒信号Charge Wake Up时，系统即进入充电模式。在该模式下B-接触器与车载充电接触器闭合，同时为保证低压控制电源持续供电，直流转换接触器处于工作状态。充电模式下，系统不响应点火锁发出的任何指令，充电插头发出的充电唤醒信号可作为判定为充电模式的依据。磷酸铁锂电池在低温下不具有很好的充电特性，低温下对锂电池充电有一定的危险性。基于安全的考虑，还应在系统进入充电模式之前对系统进行一次温度判别。当电池温度低于0时，系统进入充电预热模式，此时可通过接通直流转换接触器对低压蓄电池供电，同时可用预热装置对电池模组预热；当电池包内的温度达到并超过0时，系统可进入充电模式，即闭合B-接触器。
E、故障模式
BMS在任何模式下检测到故障，均进入故障模式，同时上报VCU故障状态和相关故障代码。故障模式是控制系统中常出现的一种状态。由于车用电池的使用关系到用户的人身安全，因而系统对于各种相应模式总是采取安全第一的原则。BMS对于故障的响应还需根据故障等级而定，当其故障级别较低时，系统可采取报错或发出轻微报警信号的方式告知驾驶人员；而当故障级别较高，甚至伴随有危险时，系统采取直接断开高压接触器的控制策略。电压蓄电池是整车控制系统的供电来源，无论是处于充电模式、放电模式还是故障模式，直流转换接触器的闭合都可使得低压蓄电池处于充电模式，从而提供接连不断的低压电力供应。



2、预充电控制方法
BMS在上电状态下检测到VCU发来预充使能信号后，闭合预充电相关接触器，并反馈接触器状态，同时检测动力母线电压，与动力电池电压比较，当动力母线电压达到合理条件时吸合主正接触器，切断预充回路，完成预充电流程。
3、充放电控制方法
通过分析电芯充放电功率特性，并结合动力电池在不同环境、不同工况下的充放电能力，提出合理的充放电条件及阀值。分别从放电电流、电压、温度控制，充电电流、电压、温度控制，以及总电压上限、总电压下限、单体电压上限、单体电压下限、电流上限、电流下限、温度上限、温度下限和绝缘等方面控制电池充放电，同时每个控制阀值均具有二级冗余保护，提高动力电池充放电安全性。
根据环境温度、动力电池SOH、SOC及可充电功率等不同维度控制动力电池快速充电条件及阀值。



4、热管理控制方法
根据BMS从控制器上报的环境温度和动力电池温度信息，充分评估动力电池可充放电能力，控制开启、关闭相关加热冷却装置。常用热管理系统为风冷，模式分为充电热管理和放电热管理，冷却功能具有两个挡位：电池热管理、空调一体化热管理，其中电池热管理单一启动动力电池内部冷却装置，空调一体化热管理同时开启整车空调和动力电池内部冷却装置。

5、SOC估算及修正方法
通过高精度电流传感器对电流进行采样并积分，基本计算方法如下：



式中：
SOC0为初始时刻的SOC；
CN为电池额定容量；
I为电池充放电电流，
η为电池充放电效率。

由于车辆行驶工况较为复杂，电流采用精度有限，加之温度变化对电池容量变化的影响，SOC计算很难计算准确，所以产生了以下几种修正策略。
开路电压（Open Circuit Voltage，OCV）修正：根据不同温度下电池单体电压与SOC关系模型估算当前SOC。下图是常温（25℃）下的OCV修正模型。



A、SOC动态修正
结合车辆不同工况，在不同温度下建立动力电池充放电状态下单体电压与SOC的关系模型，估算当前SOC。下图是不同温度下的SOC动态修正模型。



B、充电修正
基于SOC动态修正，在相对稳定的充电工况下，通过建立动力电池单体电压与SOC的关系模型估算当前SOC。下图是常温（25℃）下的充电修正模型。



6、故障诊断方法
随着车辆长期行驶，动力电池短路、开路、电性能下降、过充过放电及通风系统不畅等现象均可能出现，所以合理的故障诊断机制尤为重要。通过BMS监控及电气系统硬件匹配，合理识别有效故障，并给出安全预警或保护策略，对于每个故障均具有三级冗余判断：轻微故障、严重故障、致命故障。

7、安全监控方法
安全监控通过相关软件代码实现对外部硬件电路和功能零部件的功能失效判断，其目的在于为动力电池增加一层软件冗余保护，从而使车辆更加安全可靠地行驶。具体内容如下图所示，通过对电压、电流、温度、时间、通讯等信息的监控，结合不同信息间的关系，由BMS处理并识别出潜在的失效模式。




六、BMS硬件设计
根据BMS的组成，系统硬件的设计主要包括数据采集、通信、安全控制、热管理等模块，接下来看看硬件设计。



1、数据采集电路设计
电压、电流测量准确度将直接影响到SOC估计的精度。下图为电压采样电路图。



母线正负极电压由L1、L2组成的初级滤波电路滤波后，经过R1、R2、R3、RP采样电路进行采样，之后通过基于LM258的放大电阻转化成0~5V电压，送往单片机的A/D端口。由于母线电压很高，系统中加入了由D1、D2组成的保护电路，以保证单片机安全工作。

对电池单体电压进行采样时，必须对地进行隔离。本设计中，使用AQW214EH光控MOS管开关实现对电池单体进行循环采样，在任意时刻，都只采集一个单体电压。不但提高了系统的可靠性，而且降低了成本。电流的采样通过霍尔电流传感器实现。输出的信号经分压、比较、放大后进入MCU进行处理。

2、通信模块设计
与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而在汽车电子中得到了广泛的应用。系统的微处理器PIC18F4585带有CAN控制器，同时以PAC82C250芯片为CAN总线收发器，BMS通过CAN与整车控制器（VCU)等其他控制模块进行通信。为保证通信质量，在CAN收发器与微控制器之间加入了6N137芯片进行光耦隔离，同时CAN专用电源对信号地和模拟地进行了隔离。此外，为了方便对系统进行参数调试，预留了UART端口与计算机进行通信。

3、安全控制模块设计
电动汽车动力电池总电压一般在300V以上，因此必须设计安全控制模块，安全控制模块如下图所示。



在电池接入车辆前，系统使预加电传感器闭合，将一个大电阻R通过预加电继电器接入电池母线，并检测其他参数，确保车辆运行正常后再断开预加电继电器，闭合母线继电器，将电池直接接入车辆。

漏电流霍尔传感器用来检测系统漏电故障。将正负母线同时穿过霍尔传感器，若系统发生漏电故障，则通过正负母线的电流代数和不为0，霍尔传感器输出电流信号。本系统中，设定当电流信号大于25mA时，漏电检测电路向CPU发送中断请求。CPU响应中断，切断母线继电器，并将故障信息发送给整车控制器（VCU)。

4、热管理模块设计
电池包的位置及外部条件都可能导致不均匀的温度分布。温度分布不均会引起电池单体之间的电压不均衡，从而影响电池及整车的性能。电池温度平衡的主要方法是通风处理和使用散热板，采用有限元方法对并行通风和串行通风进行分析，结果表明并行通风的效果要明显高于串行通风，热管理模块如下图所示。



在电池包的不同位置共安置了6个数字温度传感器DS18B20。每隔1s，系统就通过总线对DS18B20进行采样，当检测到任一点的温度或者温度变化率高于设定值时，启动变速风机。仅当所有点的温度及其变化率都低于设定值时，停止变速风机。

5、硬件抗干扰设计
汽车其他设备和充电时的强电磁干扰，会使BMS出现大量数据误采集情况。因此采取以下防干扰措施：
A、在电池包和汽车之间以及BMS电源接口电路中接入高频滤波旁路电容，消除共模干扰；
B、子板和模板之间加入高速数字隔离器ISO721，防止子板的过电压对母板的冲击。

七、BMS软件设计
1、BMS软件流程
本设计采用模块化的设计方法，以实现对动力电池的有效管理。从功能上将系统软件设计分为初始化、数据采集、温度控制、SOC估计、CAN通信和中断服务几部分。软件流程如下图所示。



系统中断响应服务程序包括过流、漏电等外部中断服务，当预加电测试失败或者电池电压过高时，系统也会进入中断响应，以保障车辆及乘员的安全。考虑到电动汽车车内电磁环境较恶劣，本设计完全避免了使用多分支语句，以减少电磁干扰对系统的影响。通过RS232与上位机相连，以方便对系统参数进行标定，并观测电压、电流、温度及SOC估计值等。

2、软件抗干扰设计
BMS电磁环境恶劣，极易受到各种电磁信号，如IGBT和功率二极管频繁导通截止的干扰，直接影响数据采集的精度，降低系统的可靠性和稳定性。对于该类干扰信号在硬件抗干扰外加以软件滤波，不但能提高滤波效果，还能降低系统成本。考虑到IGBT和功率二极管导通截止等干扰的频率都在100Hz以上，本系统采用双线性Z变换实现了一个二阶巴特沃斯低通滤波器，以消除高频干扰。

八、系统测试试验
系统设计完成后，采用10节额定电压为3.2V、标称容量为50A·h的锂电池封装包进行周期性放电试验。由于电压、电流、温度的真值难以确定，为了验证本设计BMS的有效性和准确性，在周期性放电试验的同时进行了基于d SPACE的硬件在环仿真测试试验。本试验中，将BMS测量的结果通过UART输送到PC机与真值进行比较。下表给出了7组随机采样的电压、电流、温度的测试值、真值以及测量误差。



由上表可知，该BMS电压测量精度小于0.5%，电流测量精度小于0.5%，温度误差小于0.5%。测试表明，该BMS测量精度较高，功能完善，运行稳定，能够有效地提高锂电池性能。

九、仿真及测试分析
1、BMS控制方法软件仿真测试
在软件中写入相关测试代码，验证BMS能否按提出的控制方法实现控制和保护功能，并验证BMS对数据的处理和故障的诊断是否正常。下表是BMS控制方案的相关测试。



根据上述软件仿真及测试结果，BMS控制方法均可实现，为后期匹配动力电池试验验证提供可靠支撑。

2、热管理性能仿真分析
以热管理系统为基础，热管理控制策略为依托，下图所示，利用相关软件进行热管理仿真分析，研究电池组温度分布趋势，并针对某款动力电池不同倍率放电容量和温升情况进行分析，见下表。





通过模拟动力电池温度场分布，得出动力电池稳态温度分布，并根据热管理相关控制方法，使动力电池在高倍率放电工况下仍能够保证其放电容量，为动力电池在极限工况下的可靠运行提供数据支持。

3、动力电池循环寿命测试分析
对动力电池配备BMS控制方法的前后进行对比，根据QC/T743—2006《电动汽车用锂离子蓄电池》中相关测试方法开展动力电池组循环寿命试验，通过动力电池单体一致性衡量此BMS控制方法的可行性。下图是验证控制方法时的曲线图。由图中数据分析，增加BMS控制方法后，在充电末期，单体电压一致性取得了明显的改善，同时电压平台也有所提升，即充放电容量有了一定的提升。





4、动力电池动态SOC测试分析
通过在控制方法中增加和减少动态SOC修正策略，得到在相同放电模式情况下的SOC估算精度，如下图所示。



由上图可知，在正常驾驶工况下的电流波动会导致SOC估算偏差较大；在没有动态SOC修正的控制方案中，放电截止时对应的SOC为10%左右，而包含有动态SOC修正的控制方案中，在放电截止时SOC为0，这说明动态SOC修正策略对放电末期SOC估算起着至关重要的作用。在放电末期，准确的SOC估算可以避免驾驶员在车辆驾驶过程中被误导而抛锚的情况。

十、结语
BMS控制方法作为动力电池中心控制思想，直接影响动力电池的使用寿命及电动汽车的安全运行与整车性能。对续航具有重大的影响，决定着新能源汽车的未来，做好电池管理系统，将极大的促进新能源汽车的发展。



纯电动汽车高压电气系统安全设计
纯电动汽车电气设计
一、纯电动汽车电气系统安全分析

纯电动轿车电气系统主要包括低压电气系统、高压电气系统及 CAN 通讯信息网络系统。

1、低压电气系统采用 12 V 供电系统，除了为灯光照明系统、娱乐系统及雨刷器等常规低压用电器供电外，还为整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC 转换器及电动空调等高压附件设备控制回路供电；

2、高压电气系统主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC 电压转换器、电动空调、电暖风、车载充电系统、非车载充电系统及高压电安全管理系统等；

3、CAN 总线网络系统用来实现整车控制器和电机控制器、以及电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机和非车载充电设备等控制单元之间的相互通信。

纯电动汽车高压电气系统安全设计



图a 高压配电盒

纯电动汽车电压和电流等级都比较高，动力电压一般都在 300～400 V（直流），电流瞬间能够达到几百安。人体能承受的安全电压值的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。有关研究表明，人体电阻一般在 1 000～3 000 Ω。人体皮肤电阻与皮肤状态有关，在干燥、洁净及无破损的情况下，可高达几十千欧，而潮湿的皮肤，特别是受到操作的情况下，其电阻可能降到 1 000 Ω 以下。由于我国安全电压多采用 36 V，大体相当于人体允许电流 30 mA、人体电阻 1 200 Ω的情况。所以要求人体可接触的电动汽车任意 2 处带电部位的电压都要小于 36 V。根据国际电工标准的要求，人体没有任何感觉的电流安全阈值是 2 mA，这就要求人体直接接触电气系统任何一处的时候，流经人体的电流应该小于2 mA 才认为整车绝缘合格。

因此，在纯电动汽车的开发过程中，应特别考虑电气系统绝缘问题，严格按照电动汽车相关国标标准要求设计，确保绝缘电阻能够满足人身安全需求，保证绝缘电阻值大于 100 Ω/V。

二、电动汽车高压电气系统安全设计概述

相对于传统汽车而言，纯电动汽车采用了大容量、高电压的动力电池及高压电机和电驱动控制系统，并采用了大量的高压附件设备，如：电动空调、PTC 电加热器及 DC/DC 转换器等。由此而隐藏的高压安全隐患问题和造成的高压电伤害问题完全有别于传统燃油汽车。

根据纯电动汽车的特殊结构及电路的复杂性，并考虑纯电动汽车高压电安全问题，必须对高压电系统进行安全、合理的规划设计和必要的监控，这是电动汽车安全运行的必要保证。

1、高压系统构成

图1示出纯电动汽车高压系统框图。作为纯电动汽车高压系统安全管理的单元，合理的功能布局和安全可靠的控制策略是实现该系统功能的重要保证。



图1 纯电动汽车高压系统框图

2、高压电气安全系统的总目标

高压电气系统控制与安全管理和故障诊断的总目标是确保纯电动汽车在静止、运行及充电等全过程的高压用电安全。

三、高压电气系统安全设计

根据纯电动汽车安全标准要求，并从车载储能装置、功能安全、故障保护、人员触电防护及高压电安全管理控制策略等方面综合考虑，应对电动汽车高压电系统进行以下四方面设计。

1、 高压电电磁兼容性设计

由于纯电动汽车上存在高压交流系统，具有较强的电磁干扰性，因此高压线束设计时电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线；电源线两端考虑采用隔离接地，以免接地回路形成共同阻抗耦合将噪声耦合至信号线；输入与输出信号线应避免排在一起造成干扰；输入与输出信号线尽量避免在同一个接头上，如不能避免时应将输入与输出信号线错开放置。

2、 高压部件和高压线束的防护与标识设计

高压部件的防护主要包括防水、机械防护及高压警告标识等。尤其是布置在机舱内的部件，如电机及其控制系统、电动空调系统、DC/DC 电压转换器、车载充电机等及它们中间的连接接口，都需要达到一定的防水和防护等级。并且高压部件应具有高压危险警告标识，以警示用户与维修人员在保养与维修时注意这些高压部件。

由于纯电动汽车线束包括低压线束与高压线束，为提示和警示用户和维修人员，高压线束应采用橙色线缆并用橙色波纹管对其进行防护。同时高压连接器也应标识为橙色，起到警示作用，并且所选高压连接器应达到 IP67 防护等级。

3、预充电回路保护设计

因为高压设备控制器输入端存在大量的容性负载，直接接通高压主回路可能会产生高压电冲击，故为避免接通时的高压电冲击，高压系统需采取预充电回路的方式对高压设备进行预充电。图 2 示出纯电动汽车高压系统预充电回路原理图。



图2 纯电动汽车高压系统预充电回路原理图

4、高压设备过载/短路保护设计

当汽车高压附件设备发生过载或线路短路时，相关高压回路应能自动切断供电，以确保高压附件设备不被损坏，保证汽车和驾乘人员的安全。因此在高压系统设计中应设置过载或短路的保护部件，如在相关回路中设置保险和接触器，当发生过载或短路而引起保险或接触器短路时，高压管理系统会通过对接触器触点和相关控制接触器闭合的有效指令进行综合判定，若检测出相关电路故障，高压管理系统会发出声光报警以提示驾驶员。

5、故障检测与故障处理方法

1）绝缘电阻故障处理

电动汽车电气化程度相对传统汽车要高，其中像电池包、电驱动系统、高压用电辅助设备、充电机及高压线束等在汽车发生碰撞、翻转及汽车运行的恶劣环境（汽车振动、外部环境湿度及温度）影响下，都有可能导致高压电路与汽车底盘间的绝缘性能降低，由此可能造成汽车火灾的发生，直接影响汽车驾乘人员的生命安全。因此，在电动汽车高压系统设计时，首先应确保绝缘电阻值大于 100 Ω/V；其次当汽车发生绝缘电阻值低于规定值时，高压管理系统应及时切断所有的高压回路并发出声光报警，并持续一定时间待原先故障消失后，汽车才能允许进行下一次上电。高压电路进行绝缘检测具体实施标准参照国标《电动汽车安全要求第 1 部分：车载储能装置》。

2）电压检测与故障处理

纯电动汽车的动力来源是动力电池，动力电池的电压与其放电能力和放电效率有很大的关系。当动力电池电压处于低电压时仍大电流放电，将会损坏高压用电设备并会严重影响电池使用寿命。当检测到电压过高或过低时，应及时切断相关回路。因此为了保障纯电动汽车在动力蓄电池低压时用电器及动力蓄电池和驾乘人员的安全，需要设计电压检测电路对高压电路系统工作电压进行实时准确的检测和安全合理的故障处理

3）电流检测与故障处理

汽车由于受到运行道路环境及驾驶员操控的影响，汽车运行状态会随时发生变化，动力电池的放电电流会随驾驶员的操控而发生明显变化。当电流超过预设定的允许范围，就会引起温度过分升高，此时不仅影响电池的寿命，而且极端情况下还会引起异常的反应，造成汽车功率器件的损坏，危及汽车高压系统安全。因此，这就要求高压管理系统需对动力电池实时进行电流监控，当检测到电流异常时，高压管理系统将会及时切断所有高压回路并发出声光报警，提示驾乘人员和其他汽车。为了提高测量的准确度和精确度，文章选取霍尔式电流传感器对动力电池充放电电流进行检测，如图 3 示出霍尔式电流传感器原理图。



图3 霍尔式电流传感器原理图

4）高压接触器触点状态检测与故障处理

为实现纯电动汽车的控制功能和高压电路的可自行切断保护功能，在电动汽车的高压系统中必须配置可控制的并且有自我保护切断高压回路功能的高压接触器。根据整车设计的需求，任何电动汽车在动力主回路中都会配置高压接触器，如果高压接触器触点发生闭合或断开失效时，没有相应的正确处理方式应对，将有可能引起不正常的控制而造成汽车不能正常启动或不能启动。严重的情况下，将会给汽车和人身安全造成危险。鉴于上述问题的严重性，应对高压接触器触点状态进行安全有效的实时监控，并对故障进行处理。当高压接触器触点发生闭合或断开失效故障时，高压管理系统会发出声光报警，以提示操作人员并根据故障的级别控制汽车是否可进行其他操作。

5）高压互锁回路检测及故障处理

高压回路互锁功能设计是针对高压电路连接的可靠程度提出的。危险电压闭锁回路也称为高压互锁回路（HVIL）,它是一个典型的互锁系统，通过使用电气的信号，来检查整个模块、导线及连接器的电气完整性 。当高压安全管理系统检测到某处连接断开或某处连接没有达到预期的可靠性时，安全管理系统将直接或通过整车控制器切断相关动力电源的输出并发出声光报警,直到该故障完全排除。如图 4 示出高压互锁回路检测原理图。



图4 高压互锁电路检测原理图

6）充电互锁检测及故障处理

出于安全考虑，充电时，整个驱动系统都需要处于断电状态，即驱动系统高压接触器需处于断开状态，当高压安全管理系统接收到有效的充电信息指令后，高压管理系统首先检测驱动系统相关接触器是否处于断开状态。若处于断开状态则闭合充电回路相关接触器。否则，充电接触器将不会闭合，高压管理系统将发出声光报警以提示相关人员，直至故障排除。

6、高压系统余电放电保护设计

由于高压系统的电机控制器和电动空调等高压部件存在大量的电容。当高压主回路断开时，因高压部件电容的存在，高压系统中还存有很高的电压和电能。为避免对人员和汽车造成危害，在切断高压系统后应将电容的高压电通过并联在高压系统中的电阻释放掉。



图b 车载充电机

四、静止停放时安全管理概述

汽车静止停放时，每隔一定时间（20 s 或 30 s）高压安全管理系统需对高压电网系统进行 1 次绝缘测量，即判别高压电网系统有无绝缘故障，整个高压回路系统包括动力电池内部、动力线、电驱动系统（电机控制器和电机三相线）及连接高压设备附件的导线。当检测到有绝缘故障且故障一直存在时，仪表便会显示绝缘故障指示，以提示驾驶员。

五、碰撞安全概述

通常，电动汽车采用了高达 400 V 左右的大容量动力电池作为驱动汽车的动力源，因而电力未切断的动力电池会对汽车和人员造成不容忽视的威胁和伤害 。若汽车在行驶过程中发生碰撞、翻滚或在充电状态中被其他汽车撞击等意外事故，将会使动力电池组、高压用电设备及高压线束等与车身之间发生摩擦或接触，造成潜在的绝缘失效和短路等危险。为避免由于上述状况而引起的汽车安全问题，可通过一些相关的传感器（如碰撞传感器、角度传感器）来检测汽车的状态，当高压管理系统接收到相关传感器发出的信息后，立即关闭高压电，并利用高压系统余电放电电路将汽车高压部件电容端的电压在 1 s 内放掉，避免火灾或漏电事故引起的人员触电事故的发生。

六、结论

通过参与大量的电动汽车开发项目设计，文章对多个研发项目中纯电动汽车高压电系统出现的故障及存在的安全隐患进行分析，并提出一整套针对高压电系统安全防护、故障处理及碰撞安全的设计方案，对纯电动汽车高压系统安全设计具有一定的参考意义。