趙平堂

（天海汽車電子集團博士后科研工作站，河南 鶴壁 458030）

高壓電器盒（圖1）簡稱PDU（Power Distribution Unit），是電動汽車電器系統中的主要電器部件，由高壓熔斷絲、高壓繼電器、高壓連接器等組成[1]。通過銅排及線束實現高壓元器件電氣連接，為電動汽車高壓系統提供充放電控制、高壓部件上電通斷控制、電路過載/短路保護、高壓采樣、低壓控制等功能，保護和監(jiān)控高壓系統的運行。電動汽車通過HCU（整車控制器）對該模塊的信號進行控制，從而對電動汽車的回路起到電源分配的功能。另外，該模塊可以為HCU提供信號源，HCU通過對信號源的反饋檢測，可以對整車狀態(tài)進行監(jiān)控，從而提高整車高壓系統的安全穩(wěn)定運行。高壓電器盒的工作電壓為數百伏，遠遠超出了人的安全電壓，因此防護等級要求很高，各電子器件、傳輸線路以及高壓連接器耐壓能力要求較高。大電流的工作環(huán)境要求回路的載流能力強。高壓電器盒在電動汽車中的位置，恰好處于驅動電源和功能部件的中間，因此，該模塊的電磁兼容也非常重要。高壓電器盒設計技術也成為電動汽車行業(yè)的研究熱點之一。

圖1 一種高壓電器盒

1 高壓電器盒的散熱技術

由于高壓電器盒承載的電流較大，如果散熱效率低，在電器盒內的部件快速升溫時無法及時將熱量排出，導致部件燒毀的概率較高，易出現熱集中問題而出現安全事故。目前高壓電器盒一般采用鋁合金殼體，既減輕質量也可以提高散熱性和屏蔽性[1-2]。于林等[3]在高壓電器盒設計中，以固定架作為整個高壓電器盒的支撐結構采用鋁合金支架代替塑料（圖2），散熱性能好，可將電器元件產生的熱量及時散出去，有效提高了電器元件的使用壽命。潘功洪等則設計了一種主動散熱的高壓電器盒（圖3）[4]，主體內腔的底部安裝有用于給主體內的部件快速導熱的導熱組件，導熱組件中銅底會吸收主體內腔部件的熱量，且熱量會迅速傳導至銅管內，使銅管內的液金汽化而將熱量快速傳導至兩塊散熱鰭片，實現熱量的迅速排出，大大降低了由于部件迅速升溫而導致燒毀的概率。

圖2 一種高壓電器盒裝置的爆炸圖

圖3 一種高壓電器盒整體剖視圖

2 高壓電器盒防瞬間大電流沖擊

電動汽車空調系統以及變壓器等整車高壓器件通過電動汽車的啟動開關與電池包連接，電動汽車的啟動開關閉合時，整車高壓器件瞬時也被加上了高壓電，由于高壓電上電瞬間會產生極大的沖擊電流，可能對整車高壓器件造成極大損害。針對此問題，唐德錢等[5]設計了一種新能源汽車高壓電器盒（圖4），增加了上電保護支路，上電保護支路與主繼電器并聯，用于限制所述上電保護支路所在回路的電流，且該支路上串聯有上電保護繼電器，上電保護繼電器上設置有用于電池管理系統BCU接入的控制線路接入線，上電保護支路中串聯有限流電阻。在高壓上電時，首先控制上電保護繼電器閉合，然后再將主繼電器閉合并將上電保護繼電器斷開，由于在上電保護繼電器閉合且主繼電器斷開時，電流經上電保護支路流入到電機控制器，由于上電保護支路為限流電路，因而上述電流對電機控制器的沖擊較小，然后閉合主繼電器，則電機控制器中的電流逐漸增大，有效避免了高壓上電瞬間沖擊電流對電機控制器及其他高壓電氣部件所造成的沖擊，實現了整車安全上電。陶穎等[6]也通過保護繼電器和限流部件串聯后與主正繼電器并聯，通過限流部件和第一支路至第六支路上的熔斷器的設置（圖5），避免了電動汽車的啟動開關閉合瞬間產生的高壓電形成的沖擊電流沖擊任一整車高壓器件損壞現象。

圖4 一種高壓電器盒的電氣原理圖

圖5 高壓電器盒的結構框圖

3 高壓電器盒密封

電動汽車在行車過程中，常遭遇雨水、下雪等惡劣天氣，以往高壓電器盒防水墊多采用O型密封圈或平墊式密封圈設計，無法滿足IP67等級的要求。高壓電器盒在進水后，易出現絕緣故障，造成動力中斷。針對此問題，陳世娟等[7]設計了一種高壓電器盒的密封結構（圖6），包括設置于上蓋和殼體之間的密封圈，密封圈的橫截面為U型，密封圈嵌裝在殼體的U型卡槽內，密封圈頂部的兩條密封邊與上蓋抵接，密封圈側面設有至少一個凸起部。由于采用了橫截面為U型的密封圈，因此，密封圈可以通過兩條密封邊對上蓋進行密封，起到雙重密封的效果，提高了密封效果，而且密封圈側面的凸起部可以與殼體的U型卡槽過盈配合，連接牢固，無需膠水粘合，便于密封圈的拆裝和更換。

圖6 U型密封圈在高壓電器盒中的裝配結構

4 高壓電器盒過載保護

汽車通常在大功率的電力下運行，高壓電器盒內電壓高達700V（DC）以上，電流高達400A。在高壓電器盒工作時，若長時間嚴重超負荷運行，高壓電器盒內高壓零部件加速老化縮短使用壽命或嚴重引發(fā)火災。目前多通過能源控制器，并通過一定的邏輯算法計算、分析判斷后發(fā)出過載保護指令，此種方法數據處理時間長，導致過載時過載保護裝置反應遲鈍且造價高。針對現有技術存在的不足，朱承明等[8]設計了一種新能源汽車高壓電器盒的過載報警系統（圖7），包括功率信號放大電路、振蕩電路、過載報警電路、過載保護電路，功率信號放大電路連接振蕩電路，振蕩電路連接過載報警電路，過載報警電路連接過載保護電路，模擬功率信號經比例放大，轉換為一定頻率的方波信號，過載時方波信號一路觸發(fā)晶閘管導通，驅動三極管接通報警器發(fā)聲報警，另一路經電阻R8、電解電容C4延時3s后，驅動過載繼電器吸合，斷開的常閉觸點切斷高壓電器盒到電動機接線端的供電電源進行過載保護，有效解決了目前采用多能源控制器過載報警系統數據處理時間長，導致過載時過載保護裝置反應遲鈍且造價高的問題。

圖7 一種報警電路連接原理圖

5 高壓電器盒中線路板（PCB）應用

高壓配電盒在工作中，需要滿足整車的高電壓環(huán)境，以及各個負載部件（車載充電機、PTC、DC/DC等功率部件）的電流承載能力。同時，由于高壓電器盒中正負雙回路原理形式以及高壓互鎖回路、開蓋保護回路、信號檢測回路、繼電器控制等回路的存在，使得電氣設計非常復雜，回路交叉嚴重，易造成工作不穩(wěn)定且使用安全性較低。王大然等[9]（圖8）采用高壓PCB板與外部高壓線束連接，保證了高壓系統電氣間隙和爬電距離，提高電流承載能力，通過利用低壓連接器和高壓連接器使線束端與高壓PCB板連接，從而實現各電路高壓互鎖功能，簡化了裝配工藝，提升總成安全性能，增強系統穩(wěn)定性和使用安全性。于林等[3]（圖2）也在高壓電器盒內使用多層線路板，有效減小線束的布局混亂狀況，節(jié)省空間，提高了集成度。江帆等[10]（圖9）則針對高壓電器盒大多存在體積過大、質量過重問題采用柔性電路板作為電路元件，并設置與高壓電氣功能對應的電子器件，能在減小電氣盒質量、體積的同時，確保裝置的使用效果。

圖8 一種線路板式高壓電器盒的爆炸結構圖

圖9 柔性電路板的結構示意圖

6 高壓電器盒的集成化、智能化

未來高壓控制部分發(fā)展將高度集成化，以降低整車成本，提升產品高可靠性。電動汽車用電機控制器、DC轉換器、車載充電機以及高壓盒等4個部件分立設計使得電磁干擾多、復雜程度高，存在較高的安全隱患。針對上述問題，電機控制器、DC轉換器、車載充電機以及高壓電器盒三合一或四合一集成電氣總成控制系統，不僅可提高零部件的利用率和安全性，還可降低整車的電磁干擾[11]（圖10）。同時，為提高高壓電器盒的安全性，高壓電器盒也不斷增加故障診斷功能而實現智能化。

圖10 集成化高壓電器盒

7 結論

總之，高壓電器盒為電動汽車高壓系統提供充放電控制、高壓部件上電通斷控制、電路過載/短路保護、高壓采樣、低壓控制等功能，保護和監(jiān)控高壓系統的運行，不僅要滿足其安全可靠性和屏蔽性，高壓電器盒的密封、散熱、防瞬間大電流沖擊、過載保護也非常重要。為降低電氣設計復雜性，線路板和柔性線路板也開始在高壓電器盒中得到應用。通過高壓電器盒與電機控制器、DC轉換器、車載充電機集成化，可以降低整車成本，提升產品的可靠性。高壓電器盒的智能化將進一步提升電動汽車的安全性。