（特约作者 朱玉龙）
第一部分 比亚迪的安全继电器的思路
比亚迪的动力电池产品在纯电领域有E6和腾势，插电领域有秦和唐，大巴领域有K9，储能这块有独立的站，其他还有叉车的72V的模块。由于比亚迪电子投资IGBT模块这块信心满满，总体可以看出比亚迪的设计重心在往电池包较高高压的水平迁移。
图1 比亚迪动力/储能电池产品线
这里，我们做一个统计的处理，看看国外主要的电池包的系统电压对比，而这里比亚迪采取了26Ah的电池单体，500V的额定电压系统，这个数值比普通的要高一些，而且根据其宣传思想有继续往上趋势。
图2 国外多数车辆母线电压
我们再把整个电池包的系统拆解开来分析，如图3所示，将十个模组进行抽象，根据实测的电压结果，其示意图如4所示。比亚迪的系统，是将继电器放在电池内部，在电池系统上方配置总的配电盒，来分配主正、主负、充电和HVAC&DC-DC继电器。值得注意的是，继电器的驱动和继电器的线圈离得较远，而且中间过得线束较长，电池管理主单元既不在电池包里面也不在配电盒内，在侧方的支架单独进行支撑。整理一下比亚迪对于电池系统的设计观点，大概如下：
1）电池电压分割后的维修
对比亚迪而言，其设计的电池包体整体电压高（目前可达到750VDC，今后电压等级将会更高），其设计思路是整合入电池包内继电器，非工作状态下因为继电器触点断开，电池包被继电器分成电压较低的若干小模组（60V上下）。对于电池运输、测试、安装人员来说相对较安全。 由于这里考虑模块化的设计，在电池包进行维修时，继电器触点断开，电池包被继电器分成电压较低模组后，每个小的单元不必配置保护的手动维修开关，使得整个维修铺点的时候安全系数更高，便于维修。甚至在模组成包的过程中，这种不上12V系统低电压的优势，也会让整个组装相对简单一些。
2）紧急断开和过流保护
2.1 碰撞保护： 一般继电器是可以整合进入系统安全策略，一般是配合碰撞传感器断电为主动安全策略。车的前、后、侧面各加碰撞传感器，在车遭受碰撞时碰撞传感器反应经过安全气囊控制器读取处理以后，将碰撞信息反馈整车控制其和电池管理系统，在电池包内控制继电器断开，电池包被继电器分成电压较低的若干小模组，保证乘车安全。
2.2 过流和短路保护：相较于仅仅采用安装保险丝等被动安全策略，安装了继电器的电动车的驾驶安全系数将会提升；目前电池包中加保险丝的主流设计方案，往往只在主回路中加入1~2片保险丝，如果碰撞产生的短路情况在保险丝选型范围之外，保险丝不会断开，存在较大风险；保险丝熔断之后需要进行更换，而继电器可以多次使用。这里一方面是考虑碰撞后的短路，一方面也是电池模组硬短路和阻性短路的问题，后期秦的电池系统把内部电池之间的绝缘层保护进一步简化了。
图3 秦电池包和电池模组实物
图4 秦电池包内继电器分割
其实最重要的是，比亚迪自己开发了很多的继电器，相对而言，原有的继电器HV12200T、EVR200CPIS和EVR300CPES等等，通过设计参数的变更，把断开的耐压拉高了。比如这个系统，如果去买松下、Tyco、LS等几家的产品，其额定的工作电压在400V，比如松下的AEV14012和AEV19012，电流分别为120A和300A。其实仔细比较整个继电器的设计，比亚迪的产品是很接近松下的设计的。另外一方面，整个产品的成本可控的话，多加几个不至于加几百块这么夸张。
图5 松下继电器的结构
第二部分 继电器的电路驱动和失效模式
这里我们需要仔细探究一下继电器的工作寿命，按照松下的说法，其两款车载的PHEV/EV继电器寿命为30A 400VDC, 3,000 Cycles 和300 A 400V, 1,000 Cycles。其实我们用一个故障树，大概来整理一下继电器运用的时候可能出现的问题。大概可以分：
1）电池包内继电器×4
①继电器本身出现失效：这里包含继电器内部的内容，如图7所示。我们可以分线圈和触点两大部分，后面构成吸和动作的所有子元件可以再进一步细分。我相信松下写了这么一个1000次（六西格玛的单边了），是基于 Lifetime is specified under the standard test conditions in JIS C 5442 (temperature 15 to 35°C, humidity 25%RH to 85%RH)，是整体失效的统计学的结果。这里我们把继电器的固定也放在这块，由于电池包内紧固相对不好处理，单独维修也变得不太现实。
②继电器驱动电路出现失效：这部分电路设计，之前在写硬件设计的时候写的比较多。不过由于我们定义这个继电器的断开和吸和，一般都是D级的安全等级，需要设计相应的Fail Safe的电路，比传统的12V的继电器，在整个设计（抑制电路，驱动电路）上需要更细致。
③继电器连接出现失效：这里就是一个非常严重的问题了，一般我们考虑的时候，总是需要将驱动电路和线圈相对近，否则在这个层面进行考量，干扰、短路和断路等可能性随着线束的延长大了很多。
2）配电盒内继电器×3
主正、主负和预充三项内容，如上面单个继电器背后的那样，也分本体、驱动电路&控制和连接。
3）其他元件
图6 简易故障树
图7 继电器和相关控制
感兴趣的，再来看看如果想要达到D级这么设计，似乎是不太可能办到的。
其实这部分的电路，还有其他隐含的内容，比如线圈段的功率分瞬态的和静态的37.9 (inrush approx. 0.1 sec.) 3.6 (stable)，折算过来就是3A和0.3A两个数值，想想如果电池管理系统的时序没处理好，12A的Inrush叠加在BMS取电的电源电路上。
第三部分 设计的演进
其实对比国内外的设计，很多早期的车型都是分包的，这里一方面是复用以前的车型，也便于安装和改造，这条路走不通，大家都退回来了，再老老实实讨论电池该怎么布置。
a）Volvo C30：分两段
b）BMW Active E：分三段
c）Ford Focus EV：分两段
图8 分包的电池系统
分包可是要将全套的继电器预充等电路全部打包放在小电池包的输出端的，这事情后面大家都不这么干了。
未来的发展，是做一个较大的包，严格设计装配、维修的办法，当模组只需要考虑短路的时候，每个模组该加熔丝加熔丝，限制人员接触就行。
小结：
1）写到这里大概再次表明我的不理解，如果支持一种设计的论断理由有很多，设定的安全目标不变的，就需要很多的代价来实现它；
2）将更多的考虑和问题摆在台面上，我们才会感受做工程设计的不易，步步艰难，试着走条路出来，所以虽然大家觉得Tesla有许多问题，但是它本身很多地方有了尝试，值得赞赏的；
3）比亚迪是我很敬佩的企业，在工程能力和系统设计方面，尚需更多考虑。
相关文章
[错误报告][推荐][收藏] [打印] [关闭] [返回顶部]
已有
