2020款宝马iX3纯电动汽车高电压系统解析（三）

常州交通技师学院 施锌涛

3 高电压系统的功能

3.1 安全监控

《电动汽车安全要求》（GB 18384—2020）根据最大工作电压，将电动汽车的电气元件或电路分为A级和B级2个等级，其中A级电压电路对应的最大工作电压范围为0 V~60 V（直流）、0 V~30 V（交流），B级电压电路对应的最大工作电压范围为60 V~1 500 V（直流）、30 V~1 000 V（交流）。为了防止维修人员及驾驶人发生触电危险，B级电压电路必须满足较高的触电防护要求，具备安全监控功能，如高压安全插头、救援分离点、碰撞切断、绝缘监测等。

3.1.1 高压安全插头、救援分离点及安全蓄电池接线柱（SBK）

如图28所示，高压安全插头是绿色的，安装在行李厢内右后饰盖后面的配电器上方。松开高压安全插头的锁止装置（图29a）后，就可以将插头从插口中拉出一小截，这样高电压系统会自动切断。注意：高压安全插头是不能与插口完全分离的，如果感觉到阻力，则不要再继续拉出或更用力地拉拽；在维修高电压系统的过程中，一定要用机械锁将拉出的高压安全插头锁止（图29b），且将钥匙存放在一个安全的地方，比如自己的口袋中，以避免无关人员插回高压安全插头，产生安全隐患。

图28 高压安全插头的安装位置

图29 高压安全插头的拉出及锁止方法

如图30所示，救援分离点位于机组室，它是一根导线，名称为总线端30碰撞信号线（KL.30C）。遇紧急情况，在标记的位置上切断这根导线，高电压系统会自动切断。救援分离点可以在切断后重新修复。

图30 救援分离点的安装位置

安全型蓄电池接线柱（SBK）直接安装在车载网络蓄电池（12 V）的正极上。如图31所示，当车辆发生较严重的碰撞事故时，安全型蓄电池接线柱（SBK）会引爆，从而切断蓄电池正极导线及KL.30C，使高电压系统自动切断。

图31 安全型蓄电池接线柱（SBK）的状态

如图32所示，高压安全插头、救援分离点及安全蓄电池接线柱（SBK）均串联在KL.30C电路中，因此拉出高压安全插头、切断救援分离点或引爆安全蓄电池接线柱（SBK）均会切断高压蓄电池（SE16）中的主电磁接触器（主电磁接触器HV+、主电磁接触器HV-及预充电接触器）的供电（12 V），从而使高压系统自动切断，同时高压组件联合充电单元（CCU）和电机电子装置（EME）的KL.30C供电（12 V）也被切断。除此以外，根据碰撞的严重程度，高压蓄电池（SE16）中的存储器电子管理系统（SME）会从碰撞安全模块（ACSM）接收到一个发生改变的脉冲宽度调制（PMW）信号，然后按顺序引爆高压蓄电池（SE16）中的燃爆式安全开关（PSS1、PSS4及PSS6），从而快速切断高压负极导线，并使联合充电单元（CCU）和电机电子装置（EME）中的中间电路电容器快速放电。另外，高压安全插头中还有插头状态检测电路，该电路通往存储器电子管理系统（SME），如果高压安全插头未安装到位，则存储器电子管理系统（SME）也会切断高压系统。3.1.2 绝缘监测

图32 KL.30C电路

《电动汽车安全要求》（GB 18384—2020）规定，在最大工作电压下，直流电路的绝缘强度≥100 Ω/V，交流电路的绝缘强度≥500 Ω/V，外露可导电部分（高压组件外壳）与电平台（车身）间的连接电阻≤0.1 Ω。

在高电压系统激活的情况下，存储器电子管理系统（SME）中的绝缘监测模块每隔大约5 s在高压正极导线和高压负极导线之间切换绝缘监测，即间接测量高压正极导线和高压负极导线与车身搭铁之间的绝缘电阻。在没有额外措施的情况下，通过这种方式只能在高压蓄电池（SE16）中确定局部存在的绝缘故障，但对于在车辆中铺设的高压导线与车身搭铁之间的绝缘故障，发现它们同样也至关重要。出于这一原因，高压组件所有导电的外壳都以导电的方式和车身搭铁相连（电位补偿连接），这样一来，存储器电子管理系统（SME）就可以监测整个高电压系统中的绝缘故障。

该车绝缘监测的响应分2种情况。如果绝缘电阻低于第1个阈值，则对人员尚不构成直接危险。因此，高电压系统会保持激活，不会输出任何检查控制信息，但故障状态会保存到故障存储器中。这样一来，在车辆进厂维护时，就可以引起维修人员的注意，从而对高电压系统进行检查。如果绝缘电阻低于第2个更低的阈值，则不仅仅会进行故障记录，而且还会输出一条检查控制信息，要求驾驶人前往修理厂进行检修。

高压组件的所有外壳和车身搭铁的电位补偿连接是绝缘监测正常发挥功能的一项重要前提条件，因此，如果在维修作业期间断开了这些电气连接，则在恢复时必须格外小心。高压蓄电池（SE16）和联合充电单元（CCU）采用电位补偿螺栓（图33）实现与车身搭铁的电位补偿连接，电动空调压缩机（EKK）、电气化驱动单元（EAE）和电加热装置采用电位补偿导线（图34）实现与车身搭铁的电位补偿连接。另外，如图35所示，当2个高压组件的壳体上均出现危险电压时，电位补偿连接还能起到故障保护的作用。

图33 联合充电单元（CCU）的电位补偿螺栓

图34 电气化驱动单元（EAE）的电位补偿导线

图35 电位补偿连接的故障保护功能示意

3.2 高电压系统的启动和关闭

3.2.1 高电压系统电路示意

该车高电压系统电路示意如图36所示。

图36 高电压系统电路示意

3.2.2 高电压系统的启动

启动高电压系统的大致过程如下。

（1）联合充电单元（CCU）通过CAN-FD总线发送启动高电压请求。

（2）通过自诊断功能检查高电压系统。

（3）闭合高压负极线路中的主电磁接触器HV-。

（4）通过一个预充电电路提高高电压系统中的电压。

（5）闭合高压正极线路中的主电磁接触器HV+。

（6）断开预充电电路。

自诊断功能检查主要由联合充电单元（CCU）和存储器电子管理系统（SME）来完成，检查相关安全标准（如绝缘电阻）及所有子系统的运行准备状态等。

由于高电压系统具有电容很高的电容器（中间电路电容器），禁止将电磁接触器触点简单闭合。极高的电流脉冲不仅会损坏高压电蓄电池（SE16），还会损坏中间电路电容器和电磁接触器的触点。因此，在启动高电压系统时，首先接通预充电电路（图37），此时，高压负极线路中的主电磁接触器HV-和高压正极线路中的预充电电磁接触器闭合，通过受预充电电阻（15 Ω）限制的接通电流为联合充电单元（CCU）和电机电子装置（EME）内的中间电路电容器充电；当中间电路电容器的电压大约达到高压蓄电池（SE16）电压时，高压正极线路中的主电磁接触器HV+闭合，预充电电磁接触器断开，高电压系统启动完成。

图37 高电压系统的预充电电路

3.2.2 高电压系统的关闭

高电压系统的关闭分为普通关闭和快速关闭。一般情况下采用普通关闭，事故或发生故障时采用快速关闭，将高电压系统中的电压尽快降低到安全水平。

高电压系统普通关闭的大致过程如下。

（1）联合充电单元（CCU）通过CAN-FD总线发送关闭高电压请求。

（2）将高电压系统中的电流降低至0 A。

（3）断开主电磁接触器HV-和主电磁接触器HV+。

（4）检查电磁接触器的触点是否正常断开。

（5）中间电路电容器放电。

如图38所示，首先短接电机（EM）和电动空调压缩机（EKK）的转子线圈，对联合充电单元（CCU）和电机电子装置（EME）内的中间电路电容器进行主动放电，这个放电过程持续约4 ms。如果中间电路电容器不能通过电机的转子线圈放电，则会通过放电电阻进行放电（图39）。这个放电电阻较大，放电时间较长，最多持续约120 s。

图38 通过电机转子线圈对中间电路电容器进行主动放电

图39 通过放电电阻对中间电路电容器进行被动放电

高电压系统快速关闭主要分为以下几种情况。

（1）如图40所示，发生事故时，存储器电子管理系统（SME）先点燃燃爆式安全开关PSS1和PSS4（均为常闭开关），从而快速切断高压负极电路，然后点燃带有短路电阻的燃爆式安全开关PSS6（常开开关），通过短路电阻为中间电路电容器快速放电。此过程大约为3 ms，是使高电压系统断电的最快方法。

图40 发生事故时关闭高电压系统的方法

（2）存储器电子管理系统（SME）通过高压负极电路上的电流传感器监测高电压系统中的电流。如图41所示，如果监测到过高或不可靠的电流，存储器电子管理系统（SME）点燃燃爆式安全开关PSS4，此时电流仅流过高电压熔丝（150 A），当电流达到一定数值时，高电压熔丝（150 A）熔断，从而快速切断高压负极电路。这种过电流断电的优点在于，高电压熔丝（150 A）熔断时不会产生电弧。

图41 过电流时关闭高电压系统的方法

（3）如果电池监控电子设备（CSC）监测到某个单格电池欠压、过压或温度过高，则存储器电子管理系统（SME）控制断开电磁接触器。虽然这可能会使触点烧蚀，但必须执行这样的快速关断，以避免单格电池损毁。

（4）高压蓄电池（SE16）中的12 V供电发生故障，存储器电子管理系统（SME）无法工作，电磁接触器自动断开。