电动汽车结构与原理-第5章-电动汽车电气系统

第5章电动汽车电气系统5.1电气系统概述5.2电动汽车空调系统5.3功率变换器5.4电动汽车高压安全5.5电气系统的电磁兼容性 5.1电气系统概述u电 动 汽 车 的 “ 神 经 ”u分 类 ： 低 压 电 气 系 统 、 高 压 电 气 系 统 图5-1电动汽车电气系统的结构原理 图5-2典型的电动汽车高低压电路原理 1、 低 压 电 气 系 统（ 1） 组 成 ： DC/DC功 率 变 换 器 、 辅 助 蓄 电 池 和 若 干 低压 电 器 设 备 。 如 图 5-3所 示 。（ 2） 低 压 电 器 设 备 主 要 包 括 灯 光 系 统 、 仪 表 系 统 和 娱乐 系 统 等 。（ 3） 燃 油 汽 车 的 辅 助 蓄 电 池 与 发 动 机 相 连 由 发 电 机 来充 电 ， 而 电 动 汽 车 的 辅 助 蓄 电 池 则 由 动 力 电 池 通 过DC/DC变 换 器 来 充 电 。 图5-3常见低压电气原理 （ 2） 图 5-4所 示 ， 动 力 电 池 的 高 压 能 量 从 正 极 出 发 ， 首 先通 过 位 于 驾 驶 员 操 控 台 的 高 压 开 关 DK1， 该 开 关 受 低 压 控制 ， 作 为 整 车 高 压 电 源 的 总 开 关 及 充 电 开 关 。 经 线 路 2可以 进 行 充 电 操 作 ， 经 线 路 3与 主 电 机 控 制 器 （ 通 过 驱 动 电机 驱 动 车 辆 ） 、 直 流 电 源 变 换 器 （ 为 低 压 电 源 充 电 ） 、 转向 系 统 控 制 器 （ 控 制 转 向 助 力 机 构 ） 、 制 动 控 制 系 统 控 制器 （ 控 制 和 驱 动 气 泵 提 供 制 动 能 量 ） 及 冷 暖 一 体 化 空 调 ，最 后 经 过 分 流 器 FL流 回 负 极 ， 分 流 器 的 作 用 是 检 测 高 压 线路 中 的 电 流 值 。2、 高 压 电 气 系 统（ 1） 组 成 ： 动 力 电 池 、 驱 动 电 机 和 功 率 变 换 器 等 大 功 率 、高 电 压 的 电 气 设 备 。 图5-4整车高压电气系统原理 图5-5高压电器组成部件设计图与实物图 5.2电动汽车空调系统5.2.1电动汽车空调的发展现状1、 空 调 系 统 是 传 统 汽 车 和 电 动 汽 车 功 耗 最 大 的 辅 助 子系 统 ， 它 的 功 耗 占 所 有 辅 助 子 系 统 功 耗 的 60%以 上 。2、 与 传 统 汽 车 空 调 系 统 不 同 ：（ 1） 需 要 采 用 热 泵 型 空 调 系 统 或 辅 助 加 热 器 ；（ 2） 压 缩 机 可 以 采 用 电 动 机 直 接 驱 动 。 克 莱 森 新 型 货 车 电 动 空 调 工 程 车 电 动 空 调 电 驱 动 压 缩 机 空 调 系 统 可 以 采 用 全 封 闭 的 HFC134a(目前 汽 车 空 调 主 要 用 制 冷 剂 )系 统 及 制 冷 剂 回 收 技 术 ， 整 体的 高 度 密 封 性 可 以 减 小 正 常 运 行 以 及 修 理 维 护 时 制 冷 剂的 泄 漏 损 失 ， 从 而 减 少 了 对 环 境 的 污 染 。 电 动 空 调 的 压 缩 机 靠 电 机 驱 动 ， 因 此 可 以 通 过 精 确 的控 制 以 及 在 常 见 热 负 荷 工 况 下 的 高 效 率 运 行 来 降 低 空 调系 统 的 能 耗 ， 从 而 提 高 整 车 的 经 济 性 。3、 电 动 空 调 系 统 优 点 （ 与 传 统 相 比 ） ： 采 用 电 驱 动 ， 噪 声 较 低 、 可 靠 性 高 、 使 用 寿 命 长 、 故障 率 低 。 对 于 一 体 式 电 动 压 缩 机 ， 取 消 了 发 动 机 与 压 缩 机 之 间的 传 动 带 ， 没 有 了 张 紧 件 的 质 量 ， 相 对 于 传 统 结 构 减 小了 整 车 质 量 。 可 以 在 上 车 之 前 预 先 遥 控 起 动 电 动 空 调 ， 对 车 厢 内 的空 气 进 行 预 先 调 节 ， 相 比 传 统 空 调 可 增 加 乘 客 的 舒 适 性 。 图5-6电动空调的应用示例 5.2.2 技 术 特 点 可 实 现 完 全 由 空 调 自 身 独 立 实 现 制 冷 、 制 热 功 能 。 可 根 据 车 厢 内 热 负 荷 的 变 化 自 动 调 节 制 冷 量 输 出 ， 达到 节 能 降 耗 的 要 求 。 压 缩 机 直 接 由 电 驱 动 ， 这 对 于 电 动 客 车 而 言 ， 动 力 机构 不 再 布 置 在 发 动 机 舱 内 ， 整 个 系 统 可 集 成 设 计 全 部 放在 车 顶 。 采 用 制 冷 能 力 更 强 的 R407C制 冷 剂 (传 统 燃 油 汽 车 普 遍采 用 R134a制 冷 剂 )， 减 少 产 品 尺 寸 ， 减 少 能 源 消 耗 。 电 动 空 调 系 统 采 用 变 频 调 速 的 电 动 一 体 化 压 缩 机 取 代了 传 统 的 机 械 传 动 方 式 的 压 缩 机 ； 由 于 取 消 了 冷 却 系 统 ，将 采 用 电 加 热 器 进 行 冬 天 供 暖 。 暖 风 机 空 调 系 列 -加 热 器 .PTC加 热 器 5.2.3 关 键 部 件 及 控 制 技 术(1)全 封 闭 柔 性 涡 旋 压 缩 机u效 率 高 、 体 积 小 、 质 量 轻 、 噪 声 低 、 结 构 简 单 、 运 行平 稳 。u有 内 置 AC3 8 0 V 3 P、 5 0 Hz（ 6 0 Hz） 电 机 可 以 直 接 由电 驱 动 ， 没 有 开 放 式 活 塞 压 缩 机 的 缺 点 。u装 车 的 安 装 方 式 ， 运 行 的 可 靠 性 和 性 能 是 设 计 和 测 试的 关 键 。 24V涡 旋 式 空 调 压 缩 机 旋 涡 式 空 调 压 缩 机 原 理 n 互 错 开 180度 的 涡 旋 叶 片 圈 组 合 一 对 啮 合 ， 动 圈 2以 回 旋 半 径 的 圆 作 回 转 运 动 n 动 圈 涡 旋 中 心 绕 定 圈 涡 旋 中 心 连 续 公 转 ， 原 最 大 的 月 牙 容 积 实 现 a b c的 压 缩 ， 达 到 预 定压 力 ， 由 排 气 口 9排 出n 动 圈 和 定 圈 的 外 周 形 成 吸 气 容 积 4、 8 ， 如 此 周 而 复 始 地 吸 气 、 压 缩 、 排 气 12 (2)高 效 率 的 制 冷 剂u采 用 制 冷 能 力 更 强 的 R4 0 7 C制 冷 剂 。uR4 0 7 C的 导 热 系 数 高 ， 粘 度 系 数 小 ， 在 同 等 条 件 下 ， 其 换热 系 数 高 。 管 道 的 阻 力 损 失 也 小 ， 这 对 提 高 系 统 能 效 比 、 减小 系 统 ， 减 少 车 辆 自 重 ， 节 约 成 本 有 着 不 可 低 估 的 作 用 。u相 比 于 传 统 的 R1 3 4 a制 冷 剂 ， 其 破 坏 臭 氧 层 潜 能 (ODP)、 全球 温 室 效 应 潜 能 (GWP)较 小 。 (3)高 效 传 热 和 散 热 机 构u传 统 管 片 式 两 器 传 热 管 为 9 .5 2 mm， 为 市 场 使 用 主 流 。u相 比 之 下 ， 7 mm传 热 管 有 着 重 量 轻 、 传 热 效 率 高 、 制冷 剂 使 用 少 的 优 点 。 u管 片 式 冷 凝 器 一 般 采 用 铜 管 铝 片 式 ， 但 存 在 换 热 效 率不 足 的 缺 陷 ， 全 铜 翅 片 的 应 用 使 得 在 有 限 的 空 间 内 将 芯体 的 制 冷 能 力 发 挥 到 极 致 。 (4)全 焊 接 、 高 集 成u电 动 压 缩 机 ， 安 装 不 受 发 动 机 位 置 的 限 制 ， 将 两 器 、 压缩 机 、 系 统 管 路 、 电 器 控 制 单 元 集 成 为 一 体 。 这 种 结 构 使得 安 装 与 维 修 变 得 非 常 的 简 单 。u整 个 系 统 采 用 全 焊 接 形 式 ， 实 现 制 冷 剂 的 零 泄 漏 。u技 术 难 点 ： 压 缩 机 、 冷 凝 风 扇 体 积 较 大 ， 壳 体 内 有 两 套单 独 系 统 ， 因 此 零 部 件 较 多 ， 所 以 整 个 零 部 件 的 布 置 和 产品 造 型 是 很 大 的 难 点 。 (5)变 频 器 技 术u随 着 电 动 压 缩 机 技 术 的 成 熟 ， 一 种 基 于 电 动 压 缩 机 控 制的 变 频 器 孕 育 而 生 。u此 变 频 器 专 用 于 车 载 空 调 交 流 异 步 电 机 的 启 动 和 运 行 ，采 用 脉 宽 调 制 方 式 ， 变 频 变 压 ， 主 电 路 专 门 针 对 电 车 电 网设 计 ， 能 在 频 繁 的 浪 涌 电 压 、 电 流 下 可 靠 工 作 。u主 开 关 器 件 使 用 IGBT， 体 积 小 ， 效 率 高 ， 能 实 现 交 流 电机 的 柔 性 快 速 启 动 和 变 速 运 行 。 (6)智 能 化 模 糊 控 制u随 着 人 们 对 客 车 空 调 系 统 功 能 要 求 的 提 高 ， 一 种 基 于 智能 化 、 人 性 化 的 控 制 器 逐 步 运 用 于 电 车 空 调 系 统 。u他 不 仅 能 够 完 成 传 统 空 调 的 功 能 ， 而 且 能 够 根 据 车 内 负荷 大 小 自 动 调 节 压 缩 机 的 转 速 ， 从 而 使 空 调 达 到 最 佳 节 能效 果 。 (7)独 特 的 控 制 系 统 电 流 保 护 设 计 。 电 压 保 护 设 计 。 采 用 IGBT、 IPM智 能 模 块 。 具 备 软 起 动 特 性 ， 使 机 组 可 以 正 常 起 动 。 防 液 激 保 护 设 计 。 系 统 压 力 保 护 设 计 。 压 缩 机 单 机 运 行 保 护 设 计 。 (1)制 冷 系 统u半 导 体 制 冷 又 称 为 热 电 制 冷 ， 是 固 态 制 冷 技 术 ， 不 用制 冷 剂 ， 没 有 运 行 件 。u热 电 堆 起 着 压 缩 式 制 冷 压 缩 机 的 作 用 ，u冷 端 及 其 热 交 换 器 则 相 当 于 压 缩 式 制 冷 蒸 发 器 ，u热 端 及 其 热 交 换 器 相 当 于 冷 凝 器 。5.2.4 工 作 原 理 热 泵u由 传 动 带 驱 动 的 直 流 无 刷 电 动 机 的 电 动 汽 车 热 泵 式 空调 系 统 工 作 原 理 如 图 5-7所 示 。u空 调 系 统 的 制 冷 制 热 模 式 由 四 通 换 向 阀 转 换 ， 实 线箭 头 表 示 制 冷 工 况 ， 虚 线 箭 头 表 示 制 热 工 况 。(2)暖 风 系 统 图5-7电动汽车热泵式空调系统原理 空 调 的 制 热 和 制 冷 的 道 理 是 相 同 的 ， 不 过 并 不 是 重新 把 空 调 反 装 一 次 ， 也 不 是 让 压 缩 机 倒 转 ， 而 是 通 过一 个 巧 妙 的 四 通 阀 实 现 了 制 冷 和 制 热 的 切 换 。 四 通 阀 这 个 东 西 很 巧 妙 ， 让 压 缩 机 的 运 行 方 向 没 有改 变 的 情 况 下 ， 替 换 了 蒸 发 器 和 冷 凝 器 的 位 置 ， 从 而 改变 了 冷 媒 的 运 行 方 向 ， 从 而 实 现 了 冷 暖 的 切 换 。 【 汽 车 空 调 可 以 制 热 吗 ？ 】 普 通 的 汽 车 上 ， 因 为 汽 车 有 发 动 机 这 个 热 源 ， 空 调系 统 里 是 没 有 设 计 四 通 阀 的 ， 也 就 是 只 能 制 冷 ， 而 不 能制 热 。【 电 动 车 遇 到 的 尴 尬 ？ 】 电 动 车 上 的 空 调 ， 在 夏 季 还 比 较 好 解 决 ， 只 需 要 将压 缩 机 变 成 电 动 驱 动 即 可 。 而 到 了 冬 季 ， 就 会 遇 到 麻 烦 ，因 为 电 动 车 没 有 发 动 机 这 个 热 源 ， 所 以 很 多 厂 家 选 择 了一 种 最 简 单 的 取 热 方 式 ， 就 是 “ 电 热 ” ， 就 是 利 用 电 阻的 热 效 应 产 生 热 量 。 这 样 的 好 处 就 是 简 单 ， 但 是 带 来 的一 个 问 题 就 是 费 电 。 具 体 哪 款 车 用 的 是 空 调 热 泵 制 热 ， 哪 款 车 使 用 的 是电 热 制 热 ， 这 个 资 料 难 查 ： 北 汽 E电 动 版 ： 从 使 用 制 热 会 影 响 续 航 里 程 上 分 析 ，应 该 是 电 阻 制 热 。 北 京 出 租 车 司 机 反 映 ： 冬 天 开 暖 风 会 缩 短 续 航 里 程 比 亚 迪 秦 ： 不 清 楚沃 蓝 达 ： 电 阻 制 热 ， 会 影 响 续 航 里 程特 斯 拉 ModelS： 电 阻 制 热 ， 使 用 的 是 PTC制 热 趋 势 ： 在 电 动 车 上 ， 使 用 热 泵 来 实 现 制 冷 和 制热 ， 一 定 是 必 然 趋 势 ， 否 则 电 阻 制 热 的 方 式 ， 对能 源 的 消 耗 太 大 ， 会 影 响 续 航 里 程 ， 也 不 符 合 电动 车 环 保 的 初 衷 。 PTC电 加 热 器u采 用 PTC热 敏 电 阻 元 件 为 发 热 源 的 一 种 加 热 器 。u通 常 是 用 半 导 体 材 料 制 成 的 ， 它 的 电 阻 随 温 度 变 化 而 急剧 变 化 ， 当 外 界 温 度 降 低 ， PTC电 阻 值 随 之 减 小 ， 发 热 量反 而 会 相 应 增 加 。u按 材 质 可 以 分 为 陶 瓷 PTC热 敏 电 阻 和 有 机 高 分 子 PTC热 敏电 阻 。 用 于 空 调 辅 助 电 加 热 器 的 是 陶 瓷 PTC热 敏 电 阻 。u具 有 随 环 境 温 度 高 低 的 变 化 ， 其 电 阻 值 随 之 增 加 或 减 小的 变 化 特 性 ， 所 以 PTC加 热 器 具 有 节 能 、 恒 温 、 安 全 和 使用 寿 命 长 等 特 点 。 暖 风 机 空 调 系 列 -加 热 器 .PTC加 热 器 图5-8粘接式陶瓷PTC加热器1散热片(铝片)2插片3铝管4绝缘纸5陶瓷PTC发热片6电极(不锈钢) 图5-9金属PTC管状加热器1法兰(不锈钢)2电热管3散热片4温度控制组件5熔断器组件 余热+辅助PTC。利 用 大 功 率 器 件 (功 率 变 换 、 驱 动 电 机 、电 机 控 制 器 等 )工 作 时 产 生 的 热 量 ， 对 车 内 环 境 进 行 热 交换 。 当 热 量 不 足 时 ， 启 用 辅 助 PTC加 热 器 。 5.3功率变换器分 类 ： 直 流 /直 流 （ DC/DC） 变 换 直 流 /交 流 （ DC/AC） 变 换 电 动 汽车 采 用形 式 ： 降 压 、 升 压 、 双 向 DC/DC： 将 一 个 固 定 的 直 流 电 压 变 换 为 可 变 的 直流 电 压 ， 也 称 直 流 斩 波 器 。 用 于 无 轨 电 车 、 地 铁 列 车 、 电 动 汽 车 的 无 级 变速 和 控 制 。 DC/DC作 用 ： 调 压 （ 开 关 电 源 ） 、 抑 制 电 网 侧 谐 波 电流 噪 声 。DC/DC变 换 原 理 ： 将 原 直 流 电 通 过 调 整 其 占 空 比 （ PWM）来 控 制 输 出 的 有 效 电 压 大 小 。DC/DC变 换 器 分 类 ： 硬 开 关 和 软 开 关 。 功率变换器的功能： 不 同 电 源 之 间 的 特 性 匹 配 。 例 如 ， 可 利 用 DC/DC变 换 器 实 现 燃 料 电 池 和 动 力 电 池 之 间 的 特 性 匹 配 。 驱 动 辅 助 系 统 中 的 直 流 电 动 机 。 在 小 功 率 (一 般低 于 5kW)直 流 电 动 机 驱 动 的 转 向 、 制 动 等 辅 助 系 统中 ， 一 般 直 接 采 用 DC/DC变 换 器 供 电 。 给 低 压 辅 助 蓄 电 池 充 电 。 在 电 动 汽 车 中 ， 需 要 高压 电 源 通 过 降 压 变 换 器 给 辅 助 电 池 充 电 。 对功率变换器的要求： 变 换 功 率 大 。 输 出 响 应 快 捷 。 工 作 稳 定 ， 抗 电 磁 干 扰 。 控 制 方 便 、 准 确 。 具 有 能 量 回 馈 功 能 。电动汽车的功率变换器一般为双向设计。 (1)直流斩波(Buck)式降压功率变换器(2)单端正激式降压功率变换器 (1)直流斩波(Buck)式降压功率变换器 图5-10Buck式降压变换器的基本电路 Buck电 路 是 非 隔 离 式 的 ， 一 般 用 在 输 入 、 输 出 电压 相 差 不 大 的 场 合 ， 例 如 用 于 车 载 小 功 率 高 压 直 流 电机 的 调 速 。 5.3.1降压功率变换器 (2)单端正激式降压功率变换器 图5-11单端正激式降压变换器的电路原理 图5-12降压功率变换器实物及示意 图5-13内部结构组成示意图 (1)Boost型升压功率变换器 图5-14Boost型升压变换器的电路原理 Boost型 变 换 器 也 称 为 并 联 开 关 变 换 器 ， 其 电 路原 理 如 图 5-14所 示 ， 由 开 关 管 、 二 极 管 、 储 能 电 感 和输 出 滤 波 电 容 组 成 。 5.3.2升压功率变换器 (2)全桥逆变式升压功率变换器 图5-15全桥逆变式升压变换器的电路原理 全 桥 逆 变 式 变 换 器 的 电 路 原 理 图 如 图 5-15所 示 ，主 要 由 开 关 管 、 中 频 升 压 变 压 器 和 输 出 整 流二 极 管 、 组 成 。 1V 4V1VD 2VD 图5-16双向功率变换器的电路原理 双 向 功 率 变 换 器 采 用 Buck-Boost复 合 电 路 结 构 ，如 图 5-16所 示 。 5.3.3双向功率变换器 图5-17双向功率变换器实物及示意 (1)直流不停电电源系统(DC-UPS) 图5-18DC-UPS电源系统 图 5-18是 一 种 DC-UPS的 结 构 框 图 ， 由 AC/DC变 换 器 、 电 池 包 BA和 双 向 DC/DC变 换 器 构 成 。 (2)电动汽车燃料电池电源系统 图5-19电动汽车燃料电池电源系统结构框图 图 5-19为 电 动 汽 车 燃 料 电 池 电 源 系 统 结 构 框 图 ，双 向 DC/DC变 换 器 是 此 电 源 管 理 系 统 中 的 重 要 组 成 部分 之 一 。 5.4.1高压系统布置要求 供 电 的 所 有 动 力 电 池 做 到 分 组 串 联 ， 且 每 组 电 压小 于 96V， 并 配 熔 断 器 ， 可 在 发 生 意 外 短 路 时 断 开 电池 组 之 间 的 连 接 。 将 一 个 含 有 多 个 动 力 电 池 包 、 两 个 高 压 直 流 接 触器 以 及 熔 断 器 各 自 集 成 在 绝 缘 封 闭 壳 体 内 ， 这 样 就可 以 将 高 电 压 的 带 电 部 件 与 外 部 环 境 隔 绝 ， 同 时 相互 之 间 的 电 磁 干 扰 也 得 到 了 较 好 的 屏 蔽 。5.4电动汽车高压安全 设 计 的 高 压 电 安 全 监 控 系 统 也 安 装 在 一 个 绝 缘 封闭 壳 体 内 ， 而 且 布 置 位 置 需 要 尽 量 靠 近 电 池 包 以 便 在发 生 高 压 故 障 时 可 及 时 切 断 高 压 回 路 。 高 压 电 安 全 监 控 系 统 包 含 有 高 压 回 路 预 充 电 电 路 ，目 的 是 为 了 防 止 高 压 系 统 容 性 负 载 产 生 的 瞬 态 冲 击 ，在 系 统 断 电 后 ， 保 证 预 充 电 继 电 器 能 够 完 全 断 开 。 高 压 电 安 全 监 控 系 统 通 过 控 制 高 压 接 触 器 通 断 ，可 以 确 保 电 动 汽 车 高 压 回 路 的 安 全 性 ， 且 在 系 统 断 电后 ， 两 个 高 压 接 触 器 能 够 完 全 断 开 。 在 高 压 回 路 中 布 置 高 压 环 路 互 锁 电 路 ， 以 确 保 电池 组 外 的 所 有 高 压 电 路 的 连 续 性 。 设 置 手 动 切 断 高 压 回 路 装 置 ， 用 于 维 修 或 者 紧 急情 况 下 手 动 切 断 高 压 回 路 。 5.4.2安全要求及检测参数 人 体 的 安 全 电 压 低 于 36V， 触 电 电 流 和 持 续 时 间 乘积 的 最 大 值 小 于 30mA.s。 绝 缘 电 阻 除 以 电 池 的 额 定 电 压 至 少 应 该 大 于 100/V， 最 好 是 能 够 确 保 大 于 500 /V。1、安全要求 对 于 高 于 60V的 高 压 系 统 的 上 电 过 程 至 少 需 要 100ms， 在 上 电 过 程 中 应 该 采 用 预 充 电 过 程 来 避 免 高压 冲 击 。 在 任 何 情 况 下 继 电 器 断 开 时 间 为 20ms， 当 高 压系 统 断 开 后 1s， 汽 车 的 任 何 导 电 部 分 应 该 和 可 触 及的 部 分 对 地 电 压 的 峰 值 应 当 小 于 42.4V(交 流 )或 60V(直 流 )， 储 存 的 能 量 应 该 小 于 20J。 高 压 电 气 参 数 ： 高 压 系 统 电 压 、 电 流 ， 高 压 总 线剩 余 电 量 。 高 压 电 路 参 数 ： 动 力 电 池 绝 缘 电 阻 、 高 压 总 线 等效 电 容 。 非 电 测 量 参 数 ： 环 境 温 度 、 湿 度 。 数 字 量 测 控 参 数 ： 主 要 是 开 关 量 的 输 入 和 输 出 。2、检测参数 (1)漏电保护器 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 。5.4.3高压安全防护措施 (2)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 意 外 电 击 出 现 。 (3)绝缘电阻检测 较 高 的 供 电 电 压 对 整 车 的 电 气 安 全 就 提 出 了 更 高的 要 求 ， 尤 其 是 对 高 压 系 统 的 绝 缘 性 能 提 出 了 更 为 苛刻 的 要 求 。 绝 缘 电 阻 是 表 征 电 动 汽 车 电 气 安 全 好 坏 的重 要 参 数 ， 相 关 电 动 汽 车 安 全 标 准 均 作 了 明 确 规 定 ，目 的 是 消 除 高 压 电 对 车 辆 和 驾 乘 人 员 人 身 的 潜 在 威 胁 ，保 证 纯 电 动 汽 车 电 气 系 统 的 安 全 。 (1)电气绝缘监测的一般方法 辅 助 电 源 法 。 在 我 国 某 些 电 力 机 车 采 用 的 漏 电 检 测 器 中 ，使 用 一 个 直 流 110V的 检 测 用 辅 助 蓄 电 池 ， 蓄 电 池 正 极 与 待 测高 压 直 流 电 源 的 负 极 相 连 ， 蓄 电 池 的 负 极 与 车 辆 机 壳 实 现一 点 连 接 。 在 待 测 系 统 绝 缘 性 能 良 好 的 情 况 下 ， 蓄 电 源 没 有电 流 回 路 ， 漏 电 流 为 零 ； 在 电 源 线 缆 绝 缘 层 老 化 或 者 环 境 潮湿 等 情 况 下 ， 蓄 电 池 通 过 电 源 线 缆 绝 缘 层 形 成 闭 合 回 路 、 产生 漏 电 流 ， 检 测 器 根 据 漏 电 流 的 大 小 进 行 报 警 ， 并 关 断 待 测系 统 电 源 。5.4.4高压绝缘监测 电 流 传 感 法 。 将 待 测 系 统 中 电 源 的 正 极 和 负 极 一 起 同 方向 穿 过 电 流 传 感 器 ， 当 没 有 漏 电 流 时 ， 从 电 源 正 极 流 出 的 电流 等 于 返 回 到 电 源 负 极 的 电 流 ， 因 此 穿 过 电 流 传 感 器 的 总 电流 为 零 ， 电 流 传 感 器 的 输 出 电 压 为 零 ； 当 发 生 漏 电 现 象 时 ，电 流 传 感 器 输 出 电 流 不 为 零 。 根 据 电 压 的 正 负 可 以 进 一 步 判断 产 生 漏 电 流 的 来 源 是 来 自 电 源 正 极 引 线 电 缆 还 是 电 源 负 极引 线 电 缆 。 但 是 ， 应 用 此 方 法 的 前 提 是 待 测 电 源 必 须 处 于 工 作 状 态 。 (2)电动汽车电气绝缘性能的描述 在 直 流 电 源 系 统 中 ， 定 量 描 述 一 种 介 质 绝 缘 性 能 和 导电 性 能 的 物 理 量 是 电 阻 。 导 体 的 电 阻 小 ， 绝 缘 体 的 电 阻 大 ， 绝 缘 体 电 阻 的 大 小 表征 了 介 质 的 绝 缘 性 能 。 电 阻 越 大 ， 绝 缘 性 能 越 好 ， 反 之 亦 然 ， 称 该 电 阻 为 绝 缘电 阻 。 在 电 动 汽 车 的 高 压 电 气 系 统 中 ， 分 别 利 用 电 源 的 正 极 引线 电 缆 和 负 极 引 线 电 缆 对 底 盘 的 绝 缘 电 阻 ， 来 反 映 电 气 系统 的 绝 缘 性 能 。 (3)绝缘电阻检测原理 为 了 监 测 上 述 绝 缘 电 阻 ， 直 接 将 车 载 高 压 电 源 作 为 监 测 电 源 。电 源 正 极 、 负 极 和 车 辆 底 盘 之 间 建 立 了 桥 式 阻 抗 网 络 ， 如 图 5 -2 0所 示 。 图5-20桥式阻抗网络 5.5电气系统的电磁兼容性电 磁 兼 容 性 ： 能 抵 御 环 境 中 的 电 磁 干 扰 、 不 对 环 境 造 成 不 能 承 受 的 电 磁 骚 扰 。 电 磁 兼 容 实 验 室 （ EMC） ： 可 进 行 抗 电 磁 干 扰强 度 测 试 、 电 磁 骚 扰 强 度 测 试 ， 满 足 国 家 最 新 标 准要 求 的 静 电 放 电 抗 干 扰 度 、 射 频 电 磁 场 辐 射 抗 扰 度 、电 快 速 瞬 变 脉 冲 群 抗 扰 度 、 工 频 磁 场 抗 扰 度 、 浪 涌抗 扰 度 、 射 频 场 感 应 的 传 导 骚 扰 抗 扰 度 等 。 图 5-21电 磁 兼 容 实 验 室 组 织 结 构 。 图5-21电磁兼容实验室组织结构 图5-22电波暗室内部实物 图5-23全电波暗室与半电波暗室示意 5.5.1电磁兼容性主要术语 国 家 标 准 电 磁 兼 容 术 语 定 义 ： 设 备 或系 统 在 电 磁 环 境 中 能 正 常 工 作 ， 且 不 对 该 环 境中 任 何 事 物 构 成 不 能 承 受 的 电 磁 骚 扰 能 力 。 5.5.1电磁兼容性主要术语表5-1国际主要汽车电磁兼容标准 表5-2国内汽车电磁兼容的标准 5.5.2电动汽车电磁环境分析 (1)车载干扰源n这 主 要 是 指 车 上 各 种 电 子 电 气 系 统 产 生 的 电 磁 干 扰 。n车 载 干 扰 源 主 要 有 驱 动 系 统 、 动 力 电 池 、 功 率 变 换 器 、继 电 器 、 电 动 辅 助 系 统 、 开 关 、 通 讯 设 备 以 及 微 处 理 器 等电 子 设 备 。 n车 载 干 扰 源 的 电 磁 传 播 模 式 很 复 杂 ， 它 有 传 导 干 扰 和 辐射 干 扰 两 种 形 式 。 n一 般 情 况 下 ， 在 电 动 汽 车 系 统 的 辐 射 干 扰 中 ， 共 模 高 频干 扰 占 据 着 主 导 地 位 ， 而 其 他 频 段 干 扰 较 小 。 (2)自然干扰源n自 然 干 扰 源 是 指 由 自 然 现 象 引 起 的 电 磁 干 扰 。n比 较 典 型 的 自 然 界 电 磁 现 象 产 生 的 电 磁 噪 声 有 大 气 噪 声 、太 阳 噪 声 、 宇 宙 噪 声 以 及 静 电 放 电 等 。n大 多 数 情 况 下 ， 这 种 电 磁 噪 声 非 常 复 杂 ， 并 且 对 汽 车 的干 扰 影 响 可 以 忽 略 。n但 是 ， 闪 电 和 静 电 放 电 可 能 会 产 生 很 大 的 瞬 变 场 强 。 (3)人为干扰源n人 为 干 扰 源 是 指 由 汽 车 外 部 人 工 装 置 产 生 的 电 磁 干 扰 。n主 要 有 其 他 车 辆 的 辐 射 干 扰 ， 车 外 的 雷 达 、 无 线 电 台发 射 机 、 移 动 通 讯 设 备 等 发 射 的 电 磁 波 干 扰 ， 以 及 高 压输 电 线 的 电 晕 放 电 等 。 (1)第一层有源器件的选型和印制板设计 为 了 增 强 抗 扰 度 并 抑 制 骚 扰 ， 应 从 电 磁 敏 感 度 、 电 磁 骚 扰 发射 、 芯 片 封 装 和 电 源 电 压 等 四 个 方 面 优 选 有 源 器 件 。 由 于 噪 声 电流 和 瞬 态 负 载 电 流 是 传 导 骚 扰 和 辐 射 骚 扰 的 初 始 源 ， 为 实 现 电 源的 完 整 性 ， 应 优 选 多 层 板 ， 尽 可 能 减 小 引 线 电 感 ； 减 小 门 电 路 驱动 线 对 地 分 布 电 容 和 驱 动 门 输 入 电 容 ； 选 用 SMD； 安 装 本 地 去 耦电 容 和 整 体 去 耦 电 容 。PCB设 计 具 体 方 法 主 要 包 括 ： 优 选 多 层 板 。 布 局 布 线 原 则 。 层 间 安 排 原 则 。 遵 循 2 H和 2 W设 计 原 则 。5.5.3电磁兼容性设计方法 (2)第二层接地设计 分 析 系 统 内 各 类 部 件 的 骚 扰 特 性 、 敏 感 特 性 、 各 电 路 的 工 作电 平 、 信 号 种 类 和 电 源 电 压 ； 将 地 线 分 类 、 划 组 ； 画 出 系 统 布 局 ；画 出 系 统 地 线 网 。 在 1 MHz以 下 低 频 电 路 部 分 采 用 单 点 接 地 ， 1 0 MHz以 上 高 频 部 分 采 用 多 点 接 地 ； 电 源 地 线 都 接 到 电 源 总 地 线 上 ，信 号 地 都 接 到 信 号 总 地 线 上 ， 两 根 总 地 线 最 后 汇 总 到 一 个 公 共 入地 点 搭 车 体 连 接 ； 信 号 源 接 地 时 ， 屏 蔽 层 在 信 号 侧 接 地 ； 多 个 信号 屏 蔽 双 绞 线 与 多 芯 对 绞 总 屏 电 缆 连 接 时 ， 各 屏 蔽 层 应 相 互 连 接好 ， 3 6 0 度 搭 接 ； 采 用 信 号 隔 离 变 压 器 、 平 衡 变 压 器 、 光 耦 合 器和 差 动 放 大 器 实 现 对 地 环 路 的 隔 离 ； PCB表 面 覆 铜 一 定 要 良 好 接地 ； 多 层 板 中 间 层 的 空 旷 区 不 要 覆 铜 等 。 (3)第三层屏蔽设计 采 用 高 导 电 率 材 料 加 屏 蔽 体 接 地 进 行 静 电 屏 蔽 和 电 场屏 蔽 ； 采 用 高 磁 导 率 材 料 进 行 低 频 磁 场 屏 蔽 ； 采 用 高 导 电率 材 料 进 行 高 频 磁 场 屏 蔽 ； 采 用 高 导 电 率 材 料 加 接 地 进 行远 场 电 磁 屏 蔽 。 永 久 性 接 缝 采 用 焊 接 方 式 ； 非 永 久 性 接 缝采 用 导 电 衬 垫 。 通 风 空 采 用 蜂 窝 状 通 风 板 。 单 根 导 线 或 电缆 穿 过 屏 蔽 体 时 ， 采 用 馈 通 滤 波 器 ； 一 组 导 线 或 电 缆 穿 过屏 蔽 体 时 ， 采 用 滤 波 器 连 接 器 ； 在 I/O端 口 加 装 滤 波 器 ；屏 蔽 电 缆 与 屏 蔽 体 连 接 时 应 成 哑 铃 状 ， 屏 蔽 层 与 屏 蔽 体 3 60 度 搭 接 。 (4)第四层滤波设计和瞬态骚扰抑制 反 射 式 低 通 滤 波 器 按 源 阻 抗 和 负 载 阻 抗 选 择 网 络 结 构 ，并 核 算 其 插 入 损 耗 和 频 率 特 性 ； 反 射 式 低 通 滤 波 器 安 装 时使 输 入 线 尽 可 能 短 ， 输 出 线 与 输 入 线 隔 离 ， 并 良 好 接 地 ；吸 收 式 低 通 滤 波 器 采 用 铁 氧 体 元 件 ， 用 于 电 源 线 、 数 据 线和 PCB上 ， 安 装 在 骚 扰 附 近 ； 采 用 长 而 细 的 铁 氧 体 元 件 抑制 效 果 好 。 (1)屏蔽n屏 蔽 是 在 两 个 区 域 之 间 建 立 电 磁 屏 障 保 护 系 统 中 的 电 路不 受 电 磁 环 境 损 坏 的 最 直 接 方 法 。n可 采 取 两 种 屏 蔽 方 式 ： 其 一 ， 主 动 屏 蔽 ； 其 二 ， 被 动 屏蔽 。 5.5.4抑制电磁干扰的技术措施 n屏 蔽 的 设 计 原 则 ： 高 频 电 场 屏 蔽 应 用 铜 、 铝 和 镁 等 良 导电 材 料 ； 低 频 磁 场 屏 蔽 应 用 磁 性 材 料 ， 如 铁 和 镍 铁 高 导 磁合 金 ； 足 够 厚 度 的 屏 蔽 层 可 屏 蔽 任 何 频 率 的 电 场 ， 且 有 很高 的 屏 蔽 效 能 ； 多 层 屏 蔽 （ 包 括 机 壳 与 电 缆 ） 能 在 宽 频 带上 提 供 高 屏 蔽 有 效 度 ； 用 来 密 封 缝 隙 的 各 种 结 合 面 必 须 清洁 ， 不 能 有 不 导 电 的 涂 层 ； 为 了 保 持 外 壳 的 屏 蔽 效 能 ， 对必 不 可 少 的 穿 线 孔 应 加 导 电 衬 层 、 弹 簧 垫 圈 、 波 导 衰 减 器和 栅 网 等 。 (2)滤波n屏 蔽 主 要 是 为 了 解 决 辐 射 干 扰 ， 而 滤 波 则 主 要 是 解 决 通过 传 导 途 径 造 成 的 干 扰 。n完 成 滤 波 作 用 的 部 件 称 为 滤 波 器 。n滤 波 器 主 要 抑 制 通 过 电 路 通 路 直 接 进 入 的 干 扰 ， 它 是 应用 最 普 遍 的 抗 干 扰 方 法 。n根 据 信 号 与 干 扰 信 号 之 间 的 频 率 差 别 ， 可 以 采 用 不 同 性能 的 滤 波 器 ， 抑 制 干 扰 信 号 ， 提 高 信 噪 比 。 (3)接地 合 理 规 划 线 束 。 在 线 束 布 置 上 ， 使 小 功 率 敏 感 电 路 紧靠 信 号 源 ， 大 功 率 干 扰 电 路 紧 靠 负 载 ， 尽 可 能 分 开 小 功 率电 路 和 大 功 率 电 路 ， 减 小 线 束 间 的 感 应 干 扰 和 辐 射 干 扰 。不 同 用 途 、 不 同 电 平 的 导 线 ， 如 输 入 与 输 出 线 、 弱 电 与 强电 要 远 离 ， 尽 量 不 要 平 行 ； 接 地 线 长 度 要 尽 量 短 ， 截 面 要尽 量 大 。 关 键 元 件 、 电 路 和 走 线 都 要 加 屏 蔽 ， 屏 蔽 要 合 理接 地 。 对 较 长 的 线 束 ， 为 减 小 传 导 和 辐 射 干 扰 ， 应 在 线 束上 增 加 滤 波 ， 比 较 方 便 的 方 法 是 套 接 合 适 的 铁 氧 体 磁 环 。 元 器 件 选 择 和 电 路 设 计 。 元 器 件 选 择 和 电 路 设 计 是 抗电 磁 干 扰 和 电 磁 兼 容 性 设 计 的 重 点 之 一 。 通 过 选 择 元 件 及抗 扰 筛 选 ， 以 得 到 高 抗 干 扰 门 限 值 的 元 件 ， 采 用 屏 蔽 的 双绞 线 作 连 线 ， 缩 短 元 件 和 电 路 的 连 线 。 另 外 ， 还 要 考 虑 到数 字 电 路 比 线 性 、 模 拟 电 路 抗 扰 性 强 ， 低 速 数 字 电 路 比 高速 数 字 电 路 有 更 低 的 电 磁 灵 敏 度 。 5.5.5电磁场辐射强度检测实例 在某所电磁兼容试验室，对某电动客车进行检验，表5-3为试验条件。检测和判定方法依据GB/T 183872001电动车辆电磁场辐射强度的限值和测量方法宽带9kHz30MHz。 电磁场辐射强度检验结果。 在某所电磁兼容试验室表5-3试验条件 电磁场辐射强度检验结果 图5-24v=16km /h、64km /h，棒天线位于车辆后部 电磁场辐射强度检验结果。 图5-25v=16km /h、64km，环天线与车辆后部平行