基于EV電池系統電氣架構下手動維修開關的使用

第一電動大牛作者劉敢闖 2017-12-27 13:26

隨著新能源汽車的發展，手動維修開關（Manual Service Disconnect，MSD）也得到大量使用，應用領域主要為電源系統、PDU等。【本文作者為樓佳烽，深耕電動力總成數年，授權第一電動網發布，謝絕任何形式未經許可的轉載】

MSD的功能被廣泛定義成“為了保護在高壓環境下維修電動汽車的技術人員安全或應變某些突發的事件，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”。從以上定義來講，MSD似乎成了電動汽車不可或缺的一部分，或者成為了應急救援必備的斷開裝置。

圖1 MSD結構示意圖

基于電氣安全、經濟成本、結構空間考慮，在整車高壓系統（或部件）設計過程中，有必要重新思考并定義MSD的功能。MSD功能是否可以得到實現，須結合整車高壓電氣架構分析，尤其是動力電池系統。

一定數量的電池單體經過串并組合后構成電池模組，然后多個電池模組再進行組合，配置上BMS及電氣器件等，最終構成一個電池系統（簡稱RESS或REESS，以下簡稱RESS），為電動汽車的驅動提供能量。

圖2 電池系統示意圖

對于儲能系統的切斷的標準上，美國SAE J2344、歐標EN 1987、ISO 6469、國標GB/T 18384電動汽車安全要求條例具有相應的切斷裝置的要求，如表1：

表1 電動汽車安全標準關于切斷裝置條例

其中，ISO 6469，EN 1987關于RESS切斷說明中要求至少斷開1極，RESS切斷開關可通過手動操作（如鑰匙開關或其他附加的裝置）來控制斷開和吸合；國標GB/T 18384只說明B級電壓出現問題時可通過斷電的方式進行保護，而SAE J2344則明確要求在某些事件觸發時，需同時對RESS正負極實現電隔離，且分別明確了自動斷開和手動斷開的要求。

從以上標準而言，除了SAEJ2344中明確提到在車輛維修及保養時，可通過手動斷開裝置實現危險電壓的電隔離，其他標準均未提及手動斷開裝置。另外，在GB/T電動客車安全技術條件征求稿中，則直接硬性規定了RESS需安裝維修開關和熔斷器。

為了實現RESS的過流斷開和切斷，在整車高壓電氣架構中，目前普遍通過Fuse（保險絲）和接觸器這兩類器件實現。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系統的不同，兩者系統方案面臨不同選擇，而系統方案的不同，則決定了電氣器件（如MSD）的應用條件（功能&意義）。

圖3 電池系統設計因素示意圖

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管理等問題，電池組統一封裝在一個殼體內成為當前乘用車的主要解決方案，在遵從SAE J2344電動汽車安全要求規范基礎上，RESS電氣基本方案主要如下：

圖4 RESS電氣架構基本方案

不同車輛系統配置，其高壓系統電氣架構在以上基礎方案上進行演化，如電池包內集成預充回路、增加充電控制等等。以上基礎電氣架構的單點失效（如接觸器粘連或電池內部某處絕緣失效）不會導致電氣安全，只有多點失效情況下，如接觸器C1粘連且電池正極部位絕緣失效情況，則觸碰電池箱負極與外殼，存在安全風險。此處需要強調的是，以上分析均基于系統級別的失效分析，而單體電芯、電池模組的失效不加以特別說明。

在以上電氣架構方案基礎上，目前普遍使用MSD（內置熔斷器）代替Fuse的使用，方案架構圖如下：

圖5 RESS電氣架構MSD演化方案

其中，MSD放置于電池系統中間原因主要基于對失效風險的評估：

圖6 MSD不同布置方案的失效評估

MSD拔下時，若電池存在失效風險：

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

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

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

圖7 主流車型電壓平臺（圖片來源于中國普天）

評價上述以維修開關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的基礎定義，需明確MSD的使用環境是在何時、當何種情況下才會使用，維修開關的操作對象主要是針對RESS系統或其他高壓總成的維修（拆卸&裝配）；進一步可以理解為，不是車輛一發生任何問題，就需要操作MSD，也不意味當車輛發生故障或緊急狀態（如起火）下，操作MSD就可以確保電隔離安全或阻止緊急狀態的繼續發生；另外，由于乘用車結構空間有限，MSD布置位置及安放尺寸會限制電池包殼體設計，Mini MSD的出現就是為了適應部分乘用車對尺寸的嚴格要求。

相對而言，由于商用車裝載電池能量較多，無法將電池組統一封裝在一個殼體內，電氣設計面臨多電池包問題。另外，目前商用車電池系統設計還比較粗放式，例如未設計主動熱管理，較少考慮電芯單體&模組間的失效風險，在評價商用車電池系統使用MSD方案時，設計時若忽視了電芯短路&模組短路情況，而只考慮系統級別短路情況，在緊急情況下（如碰撞、漏液等），將存在嚴重的安全隱患。

由于商用車電池系統采用多包電池的串并設計，面臨的失效風險點更多，MSD的使用幾率（或功能）將被增強。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個電池包，在滿足單體電芯&模組過流失效設計基礎上，每個電池包理想的安全電氣架構可基于圖4方案進行演化。但在多包電池數量較多時，由于整車廠對于經濟成本（接觸器總成本0.8~2萬/輛）、接觸器失效監測、空間限制等因素，大部分情況下，未能做到一個電池包加裝2個接觸器。由此，電池包電氣設計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基座負極（或正極）與電池負極（或正極）存在電壓1/2 UBattery，在單點失效情況下，其失效電壓1/2 UBattery（MSD放置于接觸器左側與右側，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，此時當接觸器粘連失效時，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（或負極），則MSD需放置于接觸器右側（或左側），正常情況下，各點電壓為O，在單點失效情況下，其失效電壓UMax=UBattery；

注：MSD放置于接觸器左側時，正常情況下，MSD負端與電池負極存在電壓UBattery。

2、單接觸器，無MSD

接觸器放置于電池中間時，當接觸器粘連失效時，電池正負極存在電壓為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極風險要小，但在正常情況下，MSD基座

正端（或負端）與電池正極（或負極）存在1/2 UBattery，絕緣單點失效時，失效電壓UMax=1/2 UBattery。

基于以上所述，對于商用車單個電池包設計而言，保障UBattery電壓在一定范圍內、MSD基座防觸指設計對于保證電氣安全十分重要。而在電池箱體設計時，選擇連接器插件比采用接線柱方式，在裝配時，安全系數更高。

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

注：電池系統后級高壓部件安裝調試時，方案1比方案3安全操作便捷性要好。

若電氣設計直接演化為方案3，商用車電池系統采用多個電池包+PDU（含正負極接觸器）形式，其多電池包間短路失效風險如下：

圖9 多電池包串聯方案

此時，相鄰電池包MSD基座之間，將存在U1=UBattery，單電池包設計時盡量保障UBattery≤60V；另外，為防止電池系統出現局部單個或多個電池包間的短路，MSD選型時須配置Fuse，此點在EN1987-1/1997標準中也有規定：“為了防止連接電池或電池包的動力線纜可能短路，過流開關應能夠斷開每一種可能的短路電流。如果電池由N個電池包組成，至少要求有N個過流開關（如保險）。過流開關可設置在電池包一極，或依據其技術整合到電池包中。”

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

對于商用車而言，為了減少開發周期，降本提效，電池包往標準箱方向延伸。同時，在特定領域中，動力電池系統設計上可能會出現模塊級或系統級的二次（或三次）并聯，在電池管理復雜性和運行可靠性等方面都有了新的要求，比如，并聯的電池系統對電池的一致性提出了更高的要求；電源系統采用兩并以上方案，則會造成單電池包電壓較大；若采用并聯方案后，若某支路出現故障，另外支路繼續使用，跛行模式造成各支路SOC不一致該如何有效恢復成為售后成本問題。