高壓電氣系統的案例
純電動汽車高壓電氣系統設計原理
本文介紹了純電動汽車高壓電氣系統原理設計的各個方面和注意事項，文章對多個研發項目中純電動汽車高壓電系統出現的故障及存在的安全隱患進行分析，并提出一整套針對高壓電系統安全防護、故障處理及碰撞安全的設計方案，對純電動汽車高壓系統安全設計具有一定的參考意義。
01
純電動汽車電氣系統安全分析
純電動轎車電氣系統主要包括低壓電氣系統、高壓電氣系統及 CAN 通訊信息網絡系統。
1、低壓電氣系統采用 12 V 供電系統，除了為燈光照明系統、娛樂系統及雨刷器等常規低壓用電器供電外，還為整車控制器、電池管理系統、電機控制器、DC/DC 轉換器及電動空調等高壓附件設備控制回路供電；
2、高壓電氣系統主要包括動力電池組、電驅動系統、DC/DC 電壓轉換器、電動空調、電暖風、車載充電系統、非車載充電系統及高壓電安全管理系統等；
3、CAN 總線網絡系統用來實現整車控制器和電機控制器、以及電池管理系統、高壓電安全管理系統、電動空調、車載充電機和非車載充電設備等控制單元之間的相互通信。
人體的安全電壓及電流
純電動汽車電壓和電流等級都比較高，動力電壓一般都在 300～400 V（直流），電流瞬間能夠達到幾百安。人體能承受的安全電壓值的大小取決于人體允許通過的電流和人體的電阻。有關研究表明，人體電阻一般在 1 000～3 000 Ω。人體皮膚電阻與皮膚狀態有關，在干燥、潔凈及無破損的情況下，可高達幾十千歐，而潮濕的皮膚，特別是受到操作的情況下，其電阻可能降到 1 000 Ω 以下。由于我國安全電壓多采用 36 V，大體相當于人體允許電流 30 mA、人體電阻 1 200 Ω的情況。所以要求人體可接觸的電動汽車任意 2 處帶電部位的電壓都要小于 36 V。
展開 談談純電動汽車高壓電氣系統設計原理
散漫說，本文介紹了純電動汽車高壓電氣系統原理設計的各個方面和注意事項，文章對多個研發項目中純電動汽車高壓電系統出現的故障及存在的安全隱患進行分析，并提出一整套針對高壓電系統安全防護、故障處理及碰撞安全的設計方案，對純電動汽車高壓系統安全設計具有一定的參考意義。以下為正文。
一、純電動汽車電氣系統安全分析
純電動轎車電氣系統主要包括低壓電氣系統、高壓電氣系統及 CAN 通訊信息網絡系統。
1、低壓電氣系統采用 12 V 供電系統，除了為燈光照明系統、娛樂系統及雨刷器等常規低壓用電器供電外，還為整車控制器、電池管理系統、電機控制器、DC/DC 轉換器及電動空調等高壓附件設備控制回路供電；
2、高壓電氣系統主要包括動力電池組、電驅動系統、DC/DC 電壓轉換器、電動空調、電暖風、車載充電系統、非車載充電系統及高壓電安全管理系統等；
3、CAN 總線網絡系統用來實現整車控制器和電機控制器、以及電池管理系統、高壓電安全管理系統、電動空調、車載充電機和非車載充電設備等控制單元之間的相互通信。
人體的安全電壓及電流
純電動汽車電壓和電流等級都比較高，動力電壓一般都在 300～400 V（直流），電流瞬間能夠達到幾百安。人體能承受的安全電壓值的大小取決于人體允許通過的電流和人體的電阻。有關研究表明，人體電阻一般在 1 000～3 000 Ω。人體皮膚電阻與皮膚狀態有關，在干燥、潔凈及無破損的情況下，可高達幾十千歐，而潮濕的皮膚，特別是受到操作的情況下，其電阻可能降到 1 000 Ω 以下。由于我國安全電壓多采用 36 V，大體相當于人體允許電流 30 mA、人體電阻 1 200 Ω的情況。所以要求人體可接觸的電動汽車任意 2 處帶電部位的電壓都要小于 36 V。
展開 800V高壓系統的驅動力和系統架構分析——為什么是800V高壓系統？
但“長途出行續航不夠”和“充電不方便”是當下新能源汽車消費者兩大痛點，為了延長續航里程，各大廠商紛紛采取加大電池容量的技術方案，并且提供快充方案能有效的解決充電及續航焦慮，新能源汽車800V高壓系統技術由此應運而生。
什么是
800V高壓系統?
800V高壓系統的稱呼源自于整車電氣角度。當前主流新能源整車高壓電氣系統電壓范圍一般為230V-450V，取中間值400V，籠統稱之為400V系統；而伴隨著快充應用，整車高壓電氣系統電壓范圍達到550-930V，取中間值800V，可籠統稱之為800V系統。
800V高壓系統的典型特征在于電壓平臺。快充技術的核心在于提高整車充電功率，要提高整車充電功率，技術手段上要么加大充電流要么提高充電電壓，充電電流加大意味著更粗更重的線束、更多的發熱量以及更多附屬設備瓶頸，而充電電壓提升則有更大的設計自由度，這直接推動了400V電壓平臺向800V電壓平臺轉換。
800V高壓系統長什么樣，什么性能？我們可以從已經批產的幾款800V電動汽車中一窺真容。
2019 年 4 月保時捷 Taycan Turbo S 全球首發，800V全球首款純電動車型誕生。性能上，最大充電功率可達320kW即一般120kW快充樁的2~3倍；高壓動力電池，前驅動電機，后驅動電機，車載充電機和PTC部件均采用了800V電壓平臺。
2020 年 12 月 2 日，現代汽車集團全球首發了全新電動汽車專用平臺 “E-GMP”, 該平臺同樣可以實現800V功能。
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展開 大眾MEB平臺高壓部件解析（電池、連接器、高壓線、充電座、動力系統）文末領取原文檔
動力系統、充電插座、高壓線束
下邊是Volkswagen ID.3的新能源部件透視圖
其動力系統布置在后部，動力系統采用電機和電機控制器集成的方式，純電動后驅動，能狗獲取更好的操作靈活性，因為傳統燃油車一般前驅，前輪即是轉向輪又是驅動輪。
動力系統的高壓線束安裝如下
從底盤下部看電氣布置
下邊是前艙體的零部件布置。
使用Ansys Maxwell防止高壓系統中的電氣擊穿【今日16：00直播】
image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202601/attachment/bfd091af3ab44455927dc048a1ea7b73.png" alt="1.28直播預告 | 使用 Ansys Maxwell 防止高壓系統中的電氣擊穿（中文專場）的圖1" referrerpolicy="origin-when-cross-origin" style="margin: 5px auto; max-width: 100%; display: block; cursor: zoom-in;">
</figure>
</figure><p>1月28日，Ansys官方『<strong>使用Ansys Maxwell防止高壓系統中的電氣擊穿</strong>』研討會詳解Ansys Maxwell防高壓電氣擊穿方案，覆蓋多行業高壓設計需求，支持流注起始電壓評估、電氣薄弱點定位及 SF6 環保替代氣體分析，感興趣的下滑預約學習??</p><p><strong>時間：</strong>1月28日（星期三），16：00-17：00</p><p><strong>內容簡介：</strong></p><p>各行各業正經歷電氣化和功率密度提升的趨勢，在許多應用場景中，都需要在更高電壓下運行。這需要無故障的設計方案，以防止電氣擊穿，同時需要評估系統是否能承受電氣應力。典型的應用場景是：</p><ol><li>高壓工程師需要基于行業標準和既定的、經過驗證的標準，準確且迅速地評估產品的電氣性能。</li><li>在非高壓行業中（包括新能源汽車行業、儲能行業、高科技行業），工作電壓/平臺電壓的上升要求堅固的設計以抵御擊穿電弧的發生。
展開 直播預告 | 使用 Ansys Maxwell 防止高壓系統中的電氣擊穿（中文專場）
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</figure><p>隨著電氣化浪潮席卷各行業，系統電壓不斷攀升。無論是新能源汽車的 800V 架構、儲能系統直接并網、還是消費電子中對小型化高功率的追求，更高的工作電壓正在成為行業共識，所以電氣擊穿不僅僅是高壓設備才關注的問題，只要產品工作電壓大于其絕緣耐受水平，都會有電氣擊穿的風險。基于此，產品設計會面臨更大的挑戰：如何在更高電壓、更高功率密度下，準確且迅速地評估產品的電氣性能，確保絕緣可靠、避免電氣擊穿？</p><p><br></p><p>繼上個月面向全球用戶英文場次的熱烈反響，<strong>德國高壓絕緣專家尚文凱博士將再次為國內工程師帶來難得的中文解讀，推出于1月28日舉辦的「使用 Ansys Maxwell 防止高壓系統中的電氣擊穿」中文專場網絡研討會，</strong>將聚焦Ansys Maxwell 的流注起始電壓模型及評估功能，可識別電氣薄弱點，構建抗電弧、抗擊穿的穩健設計；同時還可以使用用戶自定義的氣體性質進行評估，即評估環保的SF6氣體替代品，為綠色環保設計提供可靠依據。歡迎感興趣的用戶報名參會。
展開 1.28直播預告 | 使用 Ansys Maxwell 防止高壓系統中的電氣擊穿（中文專場）
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</figure><p>隨著電氣化浪潮席卷各行業，系統電壓不斷攀升。無論是新能源汽車的 800V 架構、儲能系統直接并網、還是消費電子中對小型化高功率的追求，更高的工作電壓正在成為行業共識，所以電氣擊穿不僅僅是高壓設備才關注的問題，只要產品工作電壓大于其絕緣耐受水平，都會有電氣擊穿的風險。基于此，產品設計會面臨更大的挑戰：如何在更高電壓、更高功率密度下，準確且迅速地評估產品的電氣性能，確保絕緣可靠、避免電氣擊穿？</p><p><br></p><p>繼上個月面向全球用戶英文場次的熱烈反響，<strong>德國高壓絕緣專家尚文凱博士將再次為國內工程師帶來難得的中文解讀，推出于1月28日舉辦的「使用 Ansys Maxwell 防止高壓系統中的電氣擊穿」中文專場網絡研討會，</strong>將聚焦Ansys Maxwell 的流注起始電壓模型及評估功能，可識別電氣薄弱點，構建抗電弧、抗擊穿的穩健設計；同時還可以使用用戶自定義的氣體性質進行評估，即評估環保的SF6氣體替代品，為綠色環保設計提供可靠依據。歡迎感興趣的用戶報名參會。
展開 電動車高壓系統的組成，功能與工作原理
散漫說，為了更好的轉入高壓線束系統的設計，本文將按高壓系統的學習邏輯層級不斷深入，從高壓系統的組成，高壓系統的電氣連接關系，高壓線束的劃分及設計考慮，高壓系統原理圖，這幾個方面逐步深入，知識點匯總以便對電動車高壓系統有個總體上的認識。以下為正文。
1 高壓系統的組成
在電動汽車上，整車帶有高壓電的零部件有動力電池，驅動電機，高壓配電箱（PDU），電動壓縮機，DC/DC，OBC，PTC，高壓線束等，這些部件組成了整車的高壓系統，其中動力電池，驅動電機，高壓控制系統為純電動汽車上的三大核心部件。
1.1 電池包與動力電池管理系統BMS
與傳統的燃油車不同，新能源電動車的整車動力來源是動力電池，而不是發動機。因為純電動汽車直接使用電能，不同于傳統燃油車將燃料燃燒后產生的排放物排進大氣，所以為了減少環境污染，新能源汽車的發展是國家積極扶持的。
動力電池的電壓一般為100~400V的高壓，其輸出電流能夠達到300A。動力電池的容量的大小直接影響到整車的續航里程，同時也直接影響到充電時間與充電效率。目前鋰離子動力電池是主流，受目前技術的影響，當前絕大部的汽車均采用鋰離子動力電池。
圖1 特斯拉電池包
1.2 驅動電機與電機控制器MCU
電機控制器MCU將高壓直流電轉為交流電，并與整車上其他模塊進行信號交互，實現對驅動電機的有效控制。
驅動電機將電能轉化為機械能，驅動汽車行駛。與傳統燃油車的發動機將燃料燃燒的化學能轉為機械能不同，其工作效率更高，能達到85%以上，故相比傳統汽車，其能量利用率更高，能夠減少資源的浪費。
1.3 高壓配電盒（PDU）
高壓配電盒是整車高壓電的一個電源分配的裝置，類似于低壓電路系統中的電器保險盒。
展開 談談純電動汽車高壓電氣架構
散漫說，純電動汽車高壓部件包括電池、電驅、電力電子及充電部件。本文通過分析純電動汽車高壓架構功能要求，對比目前典型純電動汽車高壓電氣架構，提出了一種全新高壓架構設計方案。以下為正文。
1 純電動汽車高壓電氣架構功能要求
圖1 高壓電氣原理圖
純電動汽車高壓部件包括電池、電驅、電力電子及充電部件。如圖1所示，電池是整個高壓系統的能源，為電驅及電力電子部件提供能量。充電系統包括慢充和快充，為電池提供能量。合理的高壓部件方案及集成設計，可以優化整個高壓系統的導線、繼電器、熔斷絲及接插件數量。另外，整個高壓架構需滿足高壓安全要求，高壓互鎖、主被動放電、絕緣監測、預充電、繼電器監測和線路保護等功能，合理的設計可滿足安全的需求并實現成本的最優。
2 高壓電氣架構設計
2.1 高壓架構設計輸入
高壓架構設計要求包括整車性能及系統安全要求，整車性能包括加速、續航里程、充電時間、低壓用電功耗及熱系統用電功耗等。根據整車性能相關需求，通過計算仿真確定高壓動力電池電壓范圍，額定輸出電壓，電池總能量，電機功率，慢充及快充功率，DC／DC、PTC、ACCM、Heater等高壓部件功率。表1是根據整車性能要求仿真的直流母線瞬態電流信息，供導線及熔斷絲選型設計。
表1 直流母線瞬態電流
2.2 典型純電動汽車高壓電氣架構分析
圖2是產品車A高壓拓撲圖，整個高壓系統通過HPDM模塊實現高壓能量的分配，各模塊相對獨立，無集成設計。優點：滿足系統安全要求，由于各模塊獨立設計，可實現獨立控制和診斷。缺點：系統成本高，各模塊需要獨立高壓線束連接及熔斷絲保護；增加整車布置空間及整車質量。
展開 
特斯拉高壓系統及高壓線束解析
Model S高壓總成主要包含以下幾部分
：充電接口、
動力電池系統、交流感應電機、車載充電機、高壓配電盒、
加熱器、直流轉換器DCDC、空調壓縮機，各部件在車身上的布局如下圖：
Model S各高壓部件使用橙色高壓線束相連接，整車高壓線束的長度22.56m，共分為9段高壓線束，9段高壓線束連接的高壓部件及長度如下表所示。
淺析特斯拉高壓系統及高壓線束
Model S高壓總成主要包含以下幾部分：充電接口、動力電池系統、交流感應電機、車載充電機、高壓配電盒、
加熱器、直流轉換器DCDC、空調壓縮機，各部件在車身上的布局如下圖：
Model S各高壓部件使用橙色高壓線束相連接，整車高壓線束的長度22.56m，共分為9段高壓線束，9段高壓線束連接的高壓部件及長度如下表所示。
高壓電纜介紹
特斯拉高壓線束選用美國 公司 CHMPLAIN Cable 的150 XLE High Voltage Shielded Battery Cable，手感柔軟，感覺比國內的硅膠電纜柔軟度還好，好的柔軟度同時提升了狹小空間的安裝便利性。
Champlain開發的EXRAD ERGOFLEX 輻照交聯聚烯烴絕緣材料。這種材料化學與加工技術相結合，使得最終產品能夠滿足柔韌性、ISO-19642合規性、帶材性能和壓縮永久變形特性的所有要求。另外，它比許多現有產品的成本更低。對現有三元乙丙橡膠材料的并排測試表明，EXRAD ERGO-FLEX 實際上是更靈活，更小，更輕。
下圖顯示了特斯拉電纜的結構。
其凸顯特點有耐高溫、耐油、柔軟易布線，國產高壓電纜多為耐溫等級125℃的交聯電纜，且壁厚比特斯拉電纜厚，由于特斯拉電纜耐溫等級高，壁薄利于散熱，另超聲波焊接的低電阻，電纜在相同環境溫度下，相同規格導體特斯拉電纜載流能力更好，特斯拉電纜單絲導體較國內電纜細，且護套壁薄，是造成其柔然的原因，具體性能如下方圖片。
高壓電纜的外部多采用的是自卷編織防護套管防護，只有后驅動電機高壓線束、液體加熱器、車廂加熱器的高壓線束使用了波紋管防護。
如充電插座的高壓線束使用了自卷編織防護套管防護，此些線束大部分是布置在車廂內，使用環境好，另高壓線束的固定多以軋帶的形式固定。
展開 特斯拉高壓系統及高壓線束解析
Model S高壓總成主要包含以下幾部分
：充電接口、
動力電池系統、交流感應電機、車載充電機、高壓配電盒、
加熱器、直流轉換器DCDC、空調壓縮機，各部件在車身上的布局如下圖：
Model S各高壓部件使用橙色高壓線束相連接，整車高壓線束的長度22.56m，共分為9段高壓線束，9段高壓線束連接的高壓部件及長度如下表所示。
特斯拉高壓系統及高壓線束解析
Model S高壓總成主要包含以下幾部分
：充電接口、
動力電池系統、交流感應電機、車載充電機、高壓配電盒、
加熱器、直流轉換器DCDC、空調壓縮機，各部件在車身上的布局如下圖：
Model S各高壓部件使用橙色高壓線束相連接，整車高壓線束的長度22.56m，共分為9段高壓線束，9段高壓線束連接的高壓部件及長度如下表所示。
