基于EV电池系统电气架构下手动维修开关的使用

第一电动大牛作者刘敢闯 2017-12-27 13:26

随着新能源汽车的发展，手动维修开关（Manual Service Disconnect，MSD）也得到大量使用，应用领域主要为电源系统、PDU等。【本文作者为楼佳烽，深耕电动力总成数年，授权第一电动网发布，谢绝任何形式未经许可的转载】

MSD的功能被广泛定义成“为了保护在高压环境下维修电动汽车的技术人员安全或应变某些突发的事件，可以快速分离高压电路的连接，使维修等工作出于一种较为安全的状态”。从以上定义来讲，MSD似乎成了电动汽车不可或缺的一部分，或者成为了应急救援必备的断开装置。

图1 MSD结构示意图

基于电气安全、经济成本、结构空间考虑，在整车高压系统（或部件）设计过程中，有必要重新思考并定义MSD的功能。MSD功能是否可以得到实现，须结合整车高压电气架构分析，尤其是动力电池系统。

一定数量的电池单体经过串并组合后构成电池模组，然后多个电池模组再进行组合，配置上BMS及电气器件等，最终构成一个电池系统（简称RESS或REESS，以下简称RESS），为电动汽车的驱动提供能量。

图2 电池系统示意图

对于储能系统的切断的标准上，美国SAE J2344、欧标EN 1987、ISO 6469、国标GB/T 18384电动汽车安全要求条例具有相应的切断装置的要求，如表1：

表1 电动汽车安全标准关于切断装置条例

其中，ISO 6469，EN 1987关于RESS切断说明中要求至少断开1极，RESS切断开关可通过手动操作（如钥匙开关或其他附加的装置）来控制断开和吸合；国标GB/T 18384只说明B级电压出现问题时可通过断电的方式进行保护，而SAE J2344则明确要求在某些事件触发时，需同时对RESS正负极实现电隔离，且分别明确了自动断开和手动断开的要求。

从以上标准而言，除了SAEJ2344中明确提到在车辆维修及保养时，可通过手动断开装置实现危险电压的电隔离，其他标准均未提及手动断开装置。另外，在GB/T电动客车安全技术条件征求稿中，则直接硬性规定了RESS需安装维修开关和熔断器。

为了实现RESS的过流断开和切断，在整车高压电气架构中，目前普遍通过Fuse（保险丝）和接触器这两类器件实现。如何将Fuse和接触器通过一定方式组合，来有效确保电安全，不同类型车型（如乘用车&商用车）因RESS系统的不同，两者系统方案面临不同选择，而系统方案的不同，则决定了电气器件（如MSD）的应用条件（功能&意义）。

图3 电池系统设计因素示意图

考虑碰撞安全、空间干涉、离地间隙、车辆重心、前后轴荷等问题，乘用车电池布置目前普遍在底盘；相对而言，商用车电池布置空间选择余地稍大，主要有底盘、车顶及车厢局部等方案。由于多包电池需面临电池包间的线缆（高/低压）、水管路（热管理）连接、能量分配和采样检测管理等问题，电池组统一封装在一个壳体内成为当前乘用车的主要解决方案，在遵从SAE J2344电动汽车安全要求规范基础上，RESS电气基本方案主要如下：

图4 RESS电气架构基本方案

不同车辆系统配置，其高压系统电气架构在以上基础方案上进行演化，如电池包内集成预充回路、增加充电控制等等。以上基础电气架构的单点失效（如接触器粘连或电池内部某处绝缘失效）不会导致电气安全，只有多点失效情况下，如接触器C1粘连且电池正极部位绝缘失效情况，则触碰电池箱负极与外壳，存在安全风险。此处需要强调的是，以上分析均基于系统级别的失效分析，而单体电芯、电池模组的失效不加以特别说明。

在以上电气架构方案基础上，目前普遍使用MSD（内置熔断器）代替Fuse的使用，方案架构图如下：

图5 RESS电气架构MSD演化方案

其中，MSD放置于电池系统中间原因主要基于对失效风险的评估：

图6 MSD不同布置方案的失效评估

MSD拔下时，若电池存在失效风险：

1、 MSD在电池中间位置，在单点失效（接触器粘连）时，可降低失效电压等级，失效电压Umax=1/2 UBattery；

2、若MSD放置于电池正极或负极，在单点失效（接触器粘连）时，失效电压最大值Umax=UBattery。

值得注意的是，由于乘用车动力电池标称电压普遍＞300VDC（如图7），因此，MSD布置在电池中间位置时，失效最大电压1/2 UBattery＞60VDC，属于危险电压。车辆维护时，为避免人员触碰到该危险电压，此时，MSD基座的防触指设计及正确的操作规范（操作前须用万用表和绝缘测试表确认状态）就显得尤为重要。

图7 主流车型电压平台（图片来源于中国普天）

评价上述以维修开关MSD替代Fuse方案的必要性，首先需明确在满足过流断开的作用上，两者作用一致；其次，基于审视MSD的基础定义，需明确MSD的使用环境是在何时、当何种情况下才会使用，维修开关的操作对象主要是针对RESS系统或其他高压总成的维修（拆卸&装配）；进一步可以理解为，不是车辆一发生任何问题，就需要操作MSD，也不意味当车辆发生故障或紧急状态（如起火）下，操作MSD就可以确保电隔离安全或阻止紧急状态的继续发生；另外，由于乘用车结构空间有限，MSD布置位置及安放尺寸会限制电池包壳体设计，Mini MSD的出现就是为了适应部分乘用车对尺寸的严格要求。

相对而言，由于商用车装载电池能量较多，无法将电池组统一封装在一个壳体内，电气设计面临多电池包问题。另外，目前商用车电池系统设计还比较粗放式，例如未设计主动热管理，较少考虑电芯单体&模组间的失效风险，在评价商用车电池系统使用MSD方案时，设计时若忽视了电芯短路&模组短路情况，而只考虑系统级别短路情况，在紧急情况下（如碰撞、漏液等），将存在严重的安全隐患。

由于商用车电池系统采用多包电池的串并设计，面临的失效风险点更多，MSD的使用几率（或功能）将被增强。目前，商用车采用多电池包方案，视车型的不同，一般安装6~16个电池包，在满足单体电芯&模组过流失效设计基础上，每个电池包理想的安全电气架构可基于图4方案进行演化。但在多包电池数量较多时，由于整车厂对于经济成本（接触器总成本0.8~2万/辆）、接触器失效监测、空间限制等因素，大部分情况下，未能做到一个电池包加装2个接触器。由此，电池包电气设计方案主要演化为如下几种：

1、单接触器+MSD

a）接触器放置于电池中间，MSD在接触器旁边

在正常情况下，MSD基座负极（或正极）与电池负极（或正极）存在电压1/2 UBattery，在单点失效情况下，其失效电压1/2 UBattery（MSD放置于接触器左侧与右侧，存在的电压位置不同）；

图8 单接触器+MSD方案

注：接触器放置于电池中间，MSD在电池一极，此时当接触器粘连失效时，MSD的一极与电池一极存在的电压为UBattery。

b）接触器放置于电池一极，MSD在接触器旁边

若接触器在电池正极（或负极），则MSD需放置于接触器右侧（或左侧），正常情况下，各点电压为O，在单点失效情况下，其失效电压UMax=UBattery；

注：MSD放置于接触器左侧时，正常情况下，MSD负端与电池负极存在电压UBattery。

2、单接触器，无MSD

接触器放置于电池中间时，当接触器粘连失效时，电池正负极存在电压为UBattery。

3、单MSD，无接触器

MSD放置于电池中间比放置于电池正极或负极风险要小，但在正常情况下，MSD基座

正端（或负端）与电池正极（或负极）存在1/2 UBattery，绝缘单点失效时，失效电压UMax=1/2 UBattery。

基于以上所述，对于商用车单个电池包设计而言，保障UBattery电压在一定范围内、MSD基座防触指设计对于保证电气安全十分重要。而在电池箱体设计时，选择连接器插件比采用接线柱方式，在装配时，安全系数更高。

另外，比较方案3（单MSD，无接触器）与方案1（单接触器+MSD），维修保养时，使用MSD，其电气特征基本类同。

注：电池系统后级高压部件安装调试时，方案1比方案3安全操作便捷性要好。

若电气设计直接演化为方案3，商用车电池系统采用多个电池包+PDU（含正负极接触器）形式，其多电池包间短路失效风险如下：

图9 多电池包串联方案

此时，相邻电池包MSD基座之间，将存在U1=UBattery，单电池包设计时尽量保障UBattery≤60V；另外，为防止电池系统出现局部单个或多个电池包间的短路，MSD选型时须配置Fuse，此点在EN1987-1/1997标准中也有规定：“为了防止连接电池或电池包的动力线缆可能短路，过流开关应能够断开每一种可能的短路电流。如果电池由N个电池包组成，至少要求有N个过流开关（如保险）。过流开关可设置在电池包一极，或依据其技术整合到电池包中。”

同时可知，a）为避免多电池包连接时的安全操作，即使单电池包电压UBattery≤60V，也不意味着可以省去MSD；b）电池系统采用高能量密度，减少电池包有效数量，意味着降低失效风险几率。

对于商用车而言，为了减少开发周期，降本提效，电池包往标准箱方向延伸。同时，在特定领域中，动力电池系统设计上可能会出现模块级或系统级的二次（或三次）并联，在电池管理复杂性和运行可靠性等方面都有了新的要求，比如，并联的电池系统对电池的一致性提出了更高的要求；电源系统采用两并以上方案，则会造成单电池包电压较大；若采用并联方案后，若某支路出现故障，另外支路继续使用，跛行模式造成各支路SOC不一致该如何有效恢复成为售后成本问题。