動力電池內(nèi)部線束布置及設(shè)計分析

陳恩輝，鞠環(huán)宇，婁峰

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

近年來隨著新能源汽車的日益發(fā)展，積極響應(yīng)國家節(jié)能減排，推廣使用新能源，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的號召。汽車生產(chǎn)廠分別推出了自己的新能源汽車產(chǎn)品，其中包括純電動汽車、混合動力汽車。進(jìn)而隨著技術(shù)的逐步完善，已趨于用電力取代了傳統(tǒng)的燃料作為汽車的動力來源。對于新能源車輛動力電池包內(nèi)線束的設(shè)計及研究，存在著各種設(shè)計方面困擾和新的設(shè)計理念的誕生，電池包內(nèi)線束作為動力電池的信號傳輸、實現(xiàn)動力的有效輸出，電池包內(nèi)動力電池用電量、續(xù)航里程等有效地實施監(jiān)控。在設(shè)計過程中同時也面臨著設(shè)計方案、布置走向、EMC防護(hù)等設(shè)計方面的考驗。

1 線束設(shè)計方案分析

目前新能源車輛動力電池包根據(jù)前期設(shè)計目標(biāo)，確定電池包內(nèi)模組和單體的數(shù)量及結(jié)構(gòu)形式，電池包冷卻形式分為風(fēng)冷式和水冷式電池包。針對于包內(nèi)線束設(shè)計而言，區(qū)別于傳統(tǒng)汽油車整車線束，有高壓線束和低壓線束，不同形式電池包內(nèi)部線束設(shè)計采用了不同形式的設(shè)計方式和布置方案。

1.1 電池包內(nèi)高壓線束設(shè)計方案

高壓線束在新能源車輛上主要提供高壓強(qiáng)電供電作用，因此對于線束的設(shè)計及布置尤為重要，主要遵循以下幾個方面的原則：

1）線束走向設(shè)計：高壓線束設(shè)計采用雙軌制，由于高壓已經(jīng)超出人體安全電壓，車身不可作為整車搭鐵點(diǎn)，因此包內(nèi)高壓線束的設(shè)計上，直流高壓電回路必須嚴(yán)格執(zhí)行雙軌制。包內(nèi)高壓線束可分為高壓總正、高壓總負(fù)。

2）高壓連接器選型：高壓連接器主要負(fù)責(zé)高壓大電流連接和傳輸，并負(fù)責(zé)高壓回路的人機(jī)安全。因此高壓線束連接器目前多采用耐高壓、防水等級高、環(huán)路互鎖、屏蔽層連接等功能。

3）屏蔽設(shè)計：采用屏蔽高壓線，屏蔽網(wǎng)包覆在高壓線內(nèi)部。，連接器連接時實現(xiàn)屏蔽層的連接?？紤]到電磁干擾的因素，整個高壓線束系統(tǒng)均由屏蔽層全部包覆。

4）高壓線布置：考慮安全及電磁干擾，高壓線與低壓線束進(jìn)行分離布置。

1.2 電池包內(nèi)低壓線束設(shè)計方案

1.2.1 根據(jù)電池的工作原理以及設(shè)計結(jié)構(gòu)將內(nèi)部線束分為：

1）BMU(BMS主板) 線束：主要功能負(fù)責(zé)電池狀態(tài)估算（SOC SOP SOH等）、執(zhí)行器控制，熱管理策略，高壓安全、故障診斷等BMS主要控制功能實現(xiàn)。

2）LMU（BMS從板）線束：主要功能負(fù)責(zé)單體電壓，電池溫度采集監(jiān)測等。

3）HCU（BMS高壓板）信息采集線束：高壓采集，絕緣監(jiān)測。

4）高壓繼電器線圈控制線束：負(fù)責(zé)控制高壓回路的通斷。

5）電流傳感器線束：有霍爾傳感器或分流器，主要負(fù)責(zé)采集電流信息。

6）PTC控制器：控制PTC進(jìn)行加熱。

7）電磁閥：控制電池包空調(diào)管路的通斷。

8）各高壓連接器的互鎖插頭：高壓環(huán)路互鎖信號傳輸。

以上線束布置同電池包內(nèi)高壓線束進(jìn)行分離設(shè)計，有效避免EMC干擾。

1.2.2 電池包內(nèi)低壓線束固定及卡扣選型

由于受電池包內(nèi)環(huán)境和結(jié)構(gòu)限制，線束固定方式采用小型化、易裝配、依托固定結(jié)構(gòu)簡單為主。

1.2.3 屏蔽設(shè)計

低壓線束負(fù)責(zé)強(qiáng)電控制單元模塊的功能實現(xiàn)以及相關(guān)信號的傳輸。低壓線束設(shè)計與布置方案中考慮高壓線束對其產(chǎn)生的干擾防護(hù)，不同信號源采用不同的低壓屏蔽導(dǎo)線。

高頻信號：線束采用雙絞線、屏蔽層采用箔層屏蔽。

低頻信號：線束采用雙絞線、屏蔽層采用編織層屏蔽。

1.2.4 屏蔽導(dǎo)線的接地形式

單點(diǎn)接地：低頻信號采用單點(diǎn)接地。

多點(diǎn)接地：高頻信號采用多點(diǎn)接地。

圖1 電池包內(nèi)高、低壓線束布置圖

2 高低壓線束布置方案

為了避免高壓線束傳輸強(qiáng)電電流時產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致低壓線束對控制單元供電及信號傳輸受到電磁干擾的風(fēng)險，因此我司純電動車輛動力電池包采用了高壓線束與低壓線束分層式和并列式設(shè)計，該設(shè)計方案有效避免了強(qiáng)電工作產(chǎn)生的干擾。布置形式如圖1。

2.1 分層布置：高壓線束與低壓線束分為上下層級關(guān)系

2.1.1 分層式布線

電池包內(nèi)前期布置考慮電池模組高壓供電和低壓信號采集進(jìn)行分層布線，模組之間串聯(lián)接線保證高壓連接線（圖中紅色）部分在模組下方，低壓信號采集等相關(guān)低壓控制布線（圖中藍(lán)色）在模組上層。而從分層布線有效的對高壓線工作時產(chǎn)生的 EMC干擾起到防護(hù)作用。保證電池包內(nèi)供電、信號傳輸穩(wěn)定性。

2.2 并列布置形式

2.2.1 走向依附電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)并列布置（圖2所示）

前端模組高壓布線和 BMS主板低壓布線，采用并列式布置，保證高低壓線束并列不交叉。有效防護(hù)高壓線束工作時對控制器的EMC干擾。

圖2 電池包內(nèi)模組、控制器、線束布置關(guān)系圖

3 高、低壓線束的固定設(shè)計

3.1 線束電池包內(nèi)卡扣選擇：卡接式扎帶卡扣（圖3）、卡接螺柱式卡扣（圖4）、扎帶固定（圖5）

圖3 卡接式扎帶卡扣

3.1.1 圖3中扎帶主要用在高低壓線束

通過連接前、后段塑料風(fēng)道內(nèi)，風(fēng)道內(nèi)部做出結(jié)構(gòu)供卡接式扎帶卡扣固定線束。風(fēng)道本體預(yù)留安裝孔供線束固定裝配。

3.1.2 圖4中卡接螺柱式卡扣主要用在前、后端電池模組下方

鈑金底板焊接固定螺柱供扎帶固定線束。

圖4 卡接螺柱式卡扣

圖5 扎帶固定捆扎

3.1.3 圖4中扎帶固定線束主要用在后端模組上蓋板用于LMU從板、HCU信號采集線束固定。

4 電池包內(nèi)高低壓線束原理設(shè)計分析

高壓線束采用雙軌制設(shè)計，將電池包前、后端模組串聯(lián)、電池包內(nèi)PTC、風(fēng)冷風(fēng)扇、強(qiáng)電維修開關(guān)、充電預(yù)充回路等連接到原理回路中。并通過電池包前端高壓接插件提供整車強(qiáng)電供電。高壓接插件采用插件本體屏蔽，并增加高壓互鎖功能，有效防護(hù)高壓電流產(chǎn)生的EMC干擾。

電池包內(nèi)低壓線束原理設(shè)計同傳統(tǒng)車外部整車線束采用的導(dǎo)線及導(dǎo)線選取原則相同，區(qū)別在于電池包內(nèi)部線束主要進(jìn)行信號采集，電池包內(nèi)監(jiān)測相關(guān)的傳感器類部件。目前采用耐溫等級高導(dǎo)線，屏蔽線、雙絞線等。將所有采集的信息交互給 BMU（圖 6所示）進(jìn)行供電、電池包內(nèi)熱管理、包內(nèi)散熱、電池充放電等相關(guān)控制。

圖6 BMU原理設(shè)計簡圖

4.1 電池包內(nèi)線束EMC防護(hù)的電源分配方案

整車范圍內(nèi)首先保證零部件的 EMC符合標(biāo)準(zhǔn)要求，通過線束連接將各個控制單元連接在一起，在電源分配方面所采用的防護(hù)方式為供電回路與接地點(diǎn)回路在同一接插件中采用圖7方式進(jìn)行孔位排列。

圖7 電源分配方案

4.2 電池包內(nèi)EMC防護(hù)的線束設(shè)計方案

在線束材料選取方面為了可以有效的防止因為線束電流過大造成電磁干擾問題，所以在線束材料選取上一般采用雙絞線，并將雙絞線回路布置到其他線束最外側(cè)，在高頻信號方面，可以采用屏蔽雙絞線。

整車線束中的傳導(dǎo)發(fā)射90%都與電源線相關(guān)，因此在線束評估及設(shè)計時需要注重以下幾個方面：

1）開關(guān)電源部分處理，設(shè)計上考慮環(huán)路控制。

2）敏感信號采用屏蔽線纜傳輸，且屏蔽層做好360度搭接處理。

3）信號線纜遠(yuǎn)離高壓網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)干擾源，且合理的與地做緊耦合布線。

4）做好濾波器“搭鐵”接地處理措施，減少引線電感。

5）線纜中保證足夠的信地比，且需要做合理的安排和配置。

4.3 電源線傳導(dǎo)瞬態(tài)抗擾防護(hù)的設(shè)計分析

電源線傳導(dǎo)瞬態(tài)抗擾度在設(shè)計初期應(yīng)該同時考慮新能源車輛高壓、低壓工作時浪涌、脈沖的防護(hù)設(shè)計。

4.4 脈沖干擾防護(hù)

電池包內(nèi)開關(guān)繼電器及保險絲在開啟或者關(guān)閉的過程中，由于電弧產(chǎn)生的干擾脈沖，也需要進(jìn)行線束設(shè)計初期考慮的防護(hù)。

5 總結(jié)

通過新能源電池包內(nèi)線束設(shè)計開發(fā)前期的線束合理化設(shè)計與布置，以及對電池包內(nèi)高低壓原理設(shè)計階段 EMC防護(hù)的重點(diǎn)考慮，有效的避免了強(qiáng)電線束工作時產(chǎn)生的干擾，并通過搭載臺架、實車認(rèn)證，不斷優(yōu)化線束布置方案與 EMC設(shè)計。目前所采用的線束布置形式，以及采用的各項 EMC防護(hù)方案與措施，在批產(chǎn)項目中得到充分的驗證和認(rèn)可。

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