電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)電連接的研究

朱楚梅，康森源

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司，湖南 長沙 410100）

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，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的號(hào)召，車企研發(fā)了使用電力作為汽車的動(dòng)力來源的電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車的三電系統(tǒng)之一——高壓電池系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜的集成體，由電芯模組、BMS（電池管理系統(tǒng)）、高壓配電盒、MSD、電連接、結(jié)構(gòu)件和上下殼體組成。其中電連接包含高壓電連接和低壓電連接，低壓電連接作為電池電氣系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳輸各類檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)；高壓電連接作為電池電氣系統(tǒng)的動(dòng)脈，實(shí)時(shí)將電池的動(dòng)力提供給各個(gè)驅(qū)動(dòng)部件，高低壓電連接共同為電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行提供保證。

1 動(dòng)力電池電連接技術(shù)概述

1.1 動(dòng)力電池的電壓平臺(tái)

電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)車的最大區(qū)別在于其工作電壓平臺(tái)高達(dá)幾百伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人體安全電壓，且高壓系統(tǒng)工作時(shí)放電電流有可能達(dá)到數(shù)十安，甚至高達(dá)上百安［1］。參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，將按照系統(tǒng)的最大工作電壓U，將電氣元件或電路分為A、B兩個(gè)等級(jí)［2］，如表1所示。根據(jù)電壓級(jí)別A涉及動(dòng)力電池系統(tǒng)低壓電連接，電池級(jí)別B涉及動(dòng)力電池系統(tǒng)高壓電連接。

表1 電壓等級(jí)

1.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)的電氣連接

動(dòng)力電池系統(tǒng)的電氣連接形式如圖1所示，模組與模組間、模組與高壓配電盒間屬于高壓電氣連接，起到傳遞電流的作用，通常顏色為橙色；而模組的溫度、電壓信號(hào)以及高壓配電盒的低壓控制回路信號(hào)屬于低壓電氣連接，起到采集數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)和通信的作用，高低壓電氣連接系統(tǒng)有效保障了動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖1 動(dòng)力電池系統(tǒng)的電氣連接

2 低壓電連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 低壓電連接系統(tǒng)的技術(shù)要求

相比較傳統(tǒng)低壓線束，動(dòng)力電池系統(tǒng)的低壓連接具有以下特點(diǎn)。

1）輕量化。隨著政府補(bǔ)貼與能量密度的掛鉤，動(dòng)力電池輕量化壓力更一步加大，動(dòng)力電池企業(yè)對(duì)所有結(jié)構(gòu)件 （包括線束）均設(shè)計(jì)新方案、新材料和新工藝用來提升電池的能量密度。

2）體積小。為了提高電池體積比能量，最大程度地利用每一寸空間，因此線束排布需要更加緊湊。

3）便于自動(dòng)化生產(chǎn)。由于傳統(tǒng)線束需要大量繁雜的人工排線工作，局限了動(dòng)力電池的大規(guī)模生產(chǎn)，因此亟待開發(fā)適合機(jī)械規(guī)?；募夹g(shù)方案。

4）可靠性高。高、低壓線束同時(shí)布置在動(dòng)力電池中，需要有效規(guī)避高壓線束對(duì)低壓產(chǎn)生干擾的風(fēng)險(xiǎn)，以保障電連接與控制模塊的正常通信功能。

5）成本優(yōu)。動(dòng)力電池成功實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣，首先必須通過控制的是電池成本，只有過好“成本關(guān)”，才能讓電動(dòng)車具有與燃油車相當(dāng)?shù)母?jìng)爭力。

2.2 低壓電連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低壓電連接是動(dòng)力電池內(nèi)部信號(hào)的采集系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡(luò)，首先通過電壓端子和溫度端子采集各電芯模組的電壓和溫度信號(hào)，并將各類信號(hào)傳輸給控制模塊。2.2.1 低壓電連接系統(tǒng)行業(yè)通用技術(shù)路線

動(dòng)力電池內(nèi)低壓電連接的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)車低壓線束采用的導(dǎo)線、接插件及其選取原則相同，區(qū)別在于動(dòng)力電池內(nèi)部低壓連接的主要功能是進(jìn)行信號(hào)采集，并集成了監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池溫度和電壓的相關(guān)傳感器類部件或者端子。動(dòng)力電池低壓電連接系統(tǒng)共包含連接和采集兩個(gè)部分。其中連接部分包括連接線、接插件和固定卡扣等；采集部分包括采集信號(hào)端子、連接線和接插件。而信號(hào)端子指溫度采集端子和電壓采集端子，溫度采集端子多為片式線鼻端子，并在線鼻端子中封裝溫度傳感器，而傳感器的數(shù)量和焊接位置不同廠家采用不同的方式；電壓采集端子多為裸露的銅線或者線鼻端子，焊接各個(gè)在電芯的正負(fù)極位置。

2.2.2 技術(shù)發(fā)展新方向

傳統(tǒng)低壓電連接系統(tǒng)，由于其體積大，擠占電池包空間，且裝配依賴人工，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)。在動(dòng)力電池能量密度提升迫切及輕量化勢(shì)在必行的情況下，部分廠家使用一種能替代傳統(tǒng)線束的新產(chǎn)品--柔性電路板FPC（Flexible Printed Circuit）。FPC線束形狀規(guī)整、體積小，其厚度僅為0.5mm，寬度可依據(jù)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制。FPC通過集成溫度和電壓采集傳感器形成一體化線束，一體化線束不僅能實(shí)現(xiàn)電壓和溫度的采集，而且能助力于電池組的自動(dòng)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

2.3 布線方式

干涉與間隙檢查，確認(rèn)線束布置是否滿足不與其他零部件干涉的要求，包括是否線束周圍支架干涉、是否與其他電氣件的連接部位干涉、是否與電池包箱體內(nèi)側(cè)壁干涉、是否與電池上蓋內(nèi)側(cè)面干涉。

3 高壓電連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著電動(dòng)汽車對(duì)大功率、大倍率的需求，高電壓和大電流回路是電動(dòng)汽車的常態(tài)，當(dāng)高壓電路發(fā)生絕緣、短路及漏電等情況時(shí)，會(huì)直接對(duì)駕乘人員的人身生命財(cái)產(chǎn)安全造成危害［3］。本文從高壓線纜的設(shè)計(jì)和高壓接插件的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，使高壓電連接既保證整車驅(qū)動(dòng)需求同時(shí)又滿足車輛的安全運(yùn)行。

3.1 高壓電連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下動(dòng)力電池高壓線纜承載的電流較大，需要較大橫截面積的線纜，但是動(dòng)力電池包內(nèi)空間小，無法提供傳統(tǒng)線纜所需要的裝配空間，因此動(dòng)力電池使用的導(dǎo)線具有高柔軟性、良好的耐磨性及耐壓性能，業(yè)內(nèi)多采用圖2所示的多層軟銅排。軟銅排是由單片厚度為0.03～0.5mm的紫銅箔疊加而成，銅排兩端采用熱壓工藝進(jìn)行熱壓，并在熱壓位置直接沖孔，用于銅排與銅排，銅排與模組引出口的連接，安裝快捷方便。導(dǎo)體的外層是絕緣層，由擠塑或者浸塑工藝進(jìn)行一體成型，絕緣層通常具有較好的耐高溫性以及耐壓性能，通常采用PVC材料。

圖2 多層軟銅排

3.2 導(dǎo)線載流能力設(shè)計(jì)

根據(jù)焦耳定律，導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量：

式中：I——流經(jīng)導(dǎo)線的電流；R——導(dǎo)線的電阻；t——時(shí)間。

產(chǎn)熱功率為：

系統(tǒng)散熱有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射共3種形式，但是在工程上常采用牛頓冷卻定律進(jìn)行分析，牛頓冷卻定律指出：導(dǎo)線處于自然冷卻的情況下，導(dǎo)線的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，導(dǎo)線的散熱的速率和溫度差成正比，即：

式中：kτ——散熱系數(shù)；θ0——導(dǎo)線的溫度；θ——環(huán)境溫度。

若物體表面散熱處處相等，則物體表面總散熱功率為：

式中：A——散熱面積；kτ——散熱系數(shù)。

根據(jù)相似理論推導(dǎo)出的散熱系數(shù)的計(jì)算公式為［4］：

式中：θ0、θ——分別為發(fā)熱體和環(huán)境溫度，K；εf——發(fā)射率；l0——長度

根據(jù)熱平衡原理，導(dǎo)線表面達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，發(fā)熱功率必然等于散熱功率，有下列關(guān)系式成立。

因此，導(dǎo)線的過流能力為：

當(dāng)某項(xiàng)目銅排寬為30mm，厚度為2mm，長為140mm時(shí)，且在室溫25℃下，銅排溫升不能超過35℃時(shí)，用上述方法算出銅排能恒定流經(jīng)的電流為115A。

3.3 高壓接插件的選配設(shè)計(jì)

線束接插件的作用是保證線纜與電器能夠便捷可靠地連接與拆卸［5］。動(dòng)力電池系統(tǒng)接插件的選型具有以下要求。

1）電性能。為了應(yīng)對(duì)高壓、大電流的使用工況，接插件通過高密度觸片、端子表面鍍銀等技術(shù)，增加接插件的接觸面積，降低接觸阻抗，降低電阻耗能。

2）環(huán)境性能。工作溫度為-40～125℃，具有IPX7的功能，實(shí)現(xiàn)與水的有效隔離，保證車輛涉水等惡劣條件下的安全性，阻燃等級(jí)達(dá)到UL V0等級(jí)。

3）機(jī)械性能。接插件有較優(yōu)的耐振動(dòng)和沖擊的性能，不發(fā)生瞬斷，滿足車規(guī)級(jí)要求；帶有二次鎖和防誤插功能；并滿足插拔力和插拔次數(shù)的要求［5］。

4）帶高壓互鎖功能。高安全性設(shè)計(jì)性能［6］。

5）防指觸。為了有效防止高壓部分與人員的接觸，應(yīng)該滿足IPXXB的要求。

6）高耐壓等級(jí)。耐壓可達(dá)2U+1000VDC，U為動(dòng)力電池的額定電壓。

4 結(jié)束語

電連接系統(tǒng)是新能源電池的關(guān)鍵部件。本文分別對(duì)動(dòng)力電池高／低電連接系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，不僅包括低壓電連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、主流方案、布線方式，而且還介紹了高壓電連接的新型連接方案，并對(duì)導(dǎo)線的載流能力進(jìn)行了計(jì)算分析。總的來說，動(dòng)力電池是蓬勃發(fā)展的行業(yè)，需要進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，以推動(dòng)電連接系統(tǒng)的變革性突破。