新能源汽车高电压组件结构浅析
1.1 高压联锁（高）
设计高压连接器时，需考虑插拔过程中的高压安全防护，如断开时应先断开高压联锁，再断开高压端子，连接时则相反。高压联锁一般分为内置式和外置式（图1），内置式高压联锁电路安装于高压端子之间，结构紧凑，体积小，目前应用较为广泛。高压联锁电路采用电平或PWM信号监控，主要故障模式为短路或断路。
图1 高压联锁结构
1.2高压连接器的防护等级要求
高压连接器的防护等级一般要求至少达到IP67。IP是国际防护代码，IP后面第一个数字表示固体防护等级，范围从0到6，表示从大颗粒到灰尘的防护等级；IP后面第二个数字表示液体防护等级，范围从0到8，表示从垂直水滴到水下压力的防护等级。IP67表示可以防止灰尘进入，并能承受短时间浸泡。
1.3高压连接器端子接触件结构
高压连接器端子的接触结构主要有片簧式、冠簧式、扭簧式等，不同的结构形式决定了不同的电接触方式（面接触、线接触和多点接触），形式的选择由连接器的用途决定。
板簧连接器（图2）是第一代传统连接器，是应用最为广泛的工业连接器。冠簧连接器（图3）比板簧连接器端子结构更复杂，母头由1部分增加为2部分，芯接触簧为精密冲压的百叶窗状栅栏，有几十个接触点，提高了连接的可靠性。扭簧连接器（图4）载流能力强，适用于充电枪、充电插座等。
图 2 板簧连接器
图3 冠簧连接器
图4 扭力弹簧连接器
2 高压线
2.1 高压标记
每个高压部件的外壳上都有警示标识（图5），维修人员和车主可以通过该标识了解高压可能带来的危险。由于高压线可能长达数米，因此只在一两处贴警示标识意义不大，维修人员可能会忽略这些标识。因此，选用橙色警示色对所有高压线束进行标记（图6），高压线束的线接头也设计成橙色。
图 5 高压部件上的警告标记
图 6 高压线束和电线连接器上的橙色标记
2.2 高压线束
直流电缆组件由两根绝缘的高压线束组成，用于连接动力电池组和逆变器。高压线束是高安全性部件，因此高压线束的设计和布局至关重要。整车高压线束主要涉及线束的走向、线径、高压连接器、充电口类型及应用、屏蔽、高压线束固定、高压线槽、高压联锁等。
在许多混合动力汽车中，直流电缆组件从车辆后部（在此处连接到车辆的混合电池组）延伸到引擎盖下的逆变器。由于大多数高压线束位于车辆底盘内（夹在动力电池组和底盘之间），因此可以得到很好的保护。纯电动汽车和一些插电式汽车中安装的电池组要大得多，而且往往延伸到几乎车辆的前部，因此它们的高压线束通常比混合动力汽车上的短（图7）。
在对新能源汽车进行举升前，技师应参考车辆维护手册确定车辆的指定举升点，以确保举升臂或举升板不会接触高压部件。部分车辆的指定举升点信息也可在车主手册中找到。
图7 纯电动汽车动力电池包上高压线束
电池组和逆变器之间的直流链路电缆还为直流/直流转换器供电，直流/直流转换器又为 12 V 辅助系统供电，并在车辆启动（READY ON）时为汽车的 12 V 辅助电池充电。虽然直流/直流转换器的输出电压为低压，但由于其输入连接到高压，因此仍被视为高压组件。
3 高压线连接器的拆装
无论是扁平高压线连接器还是圆形高压线连接器，在松开或固定时都必须严格按照规定的顺序进行。如果更换高压部件，装配时必须注意：必须按要求重新建立高压部件外壳与车辆接地之间的导电连接；必须严格遵守维修说明；必须由另一位维修人员检查维修工作（包括拧紧扭矩、接触裸露金属等），并在维修工单上做好书面记录。
3.1扁平高压线连接器的拆卸与组装
部分高压部件的电线连接器上设有单独的高压联锁电路电线连接器，在松开高压电线连接器之前，必须先松开高压联锁电路电线连接器（图8）。当高压联锁电路电线连接器处于连接状态时，高压联锁电路闭合；当高压联锁电路电线连接器松开时，高压联锁电路断开，高压系统自动关闭。这是一项额外的安全措施，以确保维护人员在开始工作前已将高压系统切换至无电压输出状态。
图 8 松开高压联锁电路线连接器
松开高压联锁电路线连接器后，推开机械锁（图9），即可拔出高压线连接器（图10）。将高压线连接器拉出几毫米（位置A）后，即可感受到较大的反作用力。此时继续沿同一方向拉出高压线连接器（位置B）。注意：不要将高压线连接器按回位置A的高压组件上，否则可能会损坏高压线连接器。
重新连接高压线连接器时，按松开的相反顺序进行。图11显示了高压组件上的扁平高压线连接器插座的结构。
3.2 圆形高压导体连接器的拆卸和组装
图9 推入高压线连接器机械锁紧件
图10 拔出高压线连接器
如图12所示，将圆形高压线连接器上的两个锁紧元件压在一起，即可拔出高压线连接器。重新连接高压线连接器时，无需将锁紧元件压在一起。只需将高压线连接器纵向推向高压组件上的高压线连接器插座即可。此时必须确保锁紧元件已啮合（听到咔嗒声），然后应通过拉动高压线连接器来检查锁紧元件是否真正啮合。图13显示了圆形高压线连接器及其插座的结构。
图11 扁平高压线连接器插座结构图
1—屏蔽线电触点；2—高压线电触点；3—触点保护；4—机械锁紧件；5—高压联锁电路插座
图12 圆形高压线接头的松动方法
图13 圆形高压导体连接器及其插座结构
1—高压导线；2—锁紧元件操作部；3—壳体；4—锁紧元件；5—高压联锁电路接口；6—屏蔽用接口；7—高压接口（负极）；8—导线连接器连接位置标记；9—高压联锁电路接口；10—高压接口（正极）
4 动力电池组
4.1动力电池性能指标
电动汽车动力电池组相当于内燃机驱动汽车的燃料箱，是电驱动装置的储能装置。动力电池是电动汽车的核心部件，动力电池技术是电动汽车发展的关键。动力电池组有以下四个主要技术参数。
（1）比能量。比能量又称质量比能量，是指单位质量的电池所能输出的电能，单位为Wh/kg。比能量体现了电池的质量水平，影响着电动汽车的整车质量和续航里程，是评价电动汽车动力电池是否达到预定续航里程的重要指标。
（2）比功率。比功率又称质量比功率，是指电池单位质量所能输出的功率，单位为W/kg。比功率决定了电动汽车的加速性能和最高车速，直接影响电动汽车的动力性能。比功率越大，电动汽车的加速性能和爬坡性能越好，最高车速越高。
（3）循环寿命。电池的充电和放电过程称为一个循环，电池能经历的充电和放电循环次数称为循环寿命。循环寿命是衡量动力电池寿命的重要指标，循环次数越多，动力电池的使用寿命越长。
（4）成本。电池成本与新技术、原材料、制造工艺、生产规模等有关。一般新开发的高功率电池成本较高。
4.2 动力电池类型
新能源汽车电池种类繁多，目前市场上主流的动力电池有镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等，命名规则一般是根据电池正极材料来制定的。
（1）镍氢电池。镍氢（NiMH）电池的正极材料为氢氧化镍（NiOH），负极材料为金属氢化物，电解液为30%氢氧化钾水溶液。单个镍氢电池的额定电压为1.2V，其比能量约为70Wh/kg～100Wh/kg。镍氢电池基本无记忆效应，可循环使用500～1000次。镍氢电池对过充电、深度放电、过热、极性接错等比较敏感。目前，大多数非插电式混合动力汽车都采用镍氢电池组，如非插电式丰田普锐斯混合动力汽车。
（2）锂离子电池。插电式混合动力汽车和纯电动汽车一般采用锂离子电池，其能量密度比镍氢电池组高。锂离子电池种类繁多，目前新能源汽车使用的锂电池主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池，这两类电池各有特点。
1）磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池正极材料为磷酸铁锂，负极材料为石墨，电解液由有机溶剂和锂盐组成。单体磷酸铁锂电池标称电压为3.2V，现已达到3.7V。其比能量为100Wh/kg~110Wh/kg。磷酸铁锂电池无记忆效应，循环寿命达2000次以上。镍氢电池热稳定性好，当电池温度在500℃~600℃时，其内部化学成分开始分解。比亚迪e5、e6轿车均采用磷酸铁锂电池。
2）三元锂电池。三元锂电池采用镍、钴、锰等三种正极材料按一定比例混合，负极材料为石墨，电解液由有机溶剂和锂盐组成。单块三元锂电池标称电压为3.6V~3.7V，比能量为150Wh/kg~180Wh/kg。特斯拉MODEL S的比能量已经达到了200Wh/kg。三元锂电池无记忆效应，但在安全性能、耐高温性能、使用寿命性能等方面不如磷酸铁锂电池。特斯拉MODEL S、吉利帝豪EV300、北汽EV200等车均采用三元锂电池。
（3）燃料电池。燃料电池是一种通过化学反应将化学能转化为电能的装置。其能量来源主要靠燃料和氧化剂（主要是氢气和氧气）的不断供给而产生。它以能量转换效率高、无污染、寿命长、运行稳定等特点被业界公认为未来汽车的最佳能源。世界上第一辆量产的燃料电池汽车是日本的丰田Mirai。
4.3 动力电池组外部特征
（1）机械接口。动力电池包壳体通过螺栓与车辆底盘进行机械连接，使车身重量及车辆行驶时产生的加速度作用在车身上。固定螺栓可直接从下方接触，无需事先拆除底部饰板。
（2）电气接口。动力电池包电气接口包括高压电气接口和低压电气接口。以宝马i3为例，其动力电池包高压电气接口和低压电气接口位置如图14所示。
1）高压接口。动力电池组上有一个2芯高压接口（图15）。动力电池组通过此接口连接到高压车载网络。高压接口防止与导电部件接触。实际触点覆盖有塑料外壳，不能直接接触。塑料外壳被压开，只有当导线连接时才接触。塑料滑块用于机械锁定插头，也是安全功能的组成部分。当高压线未连接时，滑块覆盖高压联锁监控桥的接口（图15b）。只有当高压线按要求连接并锁定插头时，才能访问此接口并插入桥（图15a）。这确保只有当所有高压线都连接好，高压系统启用时，高压联锁监控电路才会闭合，从而防止与潜在带电的接触表面接触。 高压线的两个电触点周围也各有一个屏蔽触点，使得高压线屏蔽层（每根电线都有屏蔽层）可以一直延续到动力电池包外壳，从而有助于确保电磁兼容性（EMC）。
图14 BMW i3动力电池组高低压接口位置
图15 BMW i3动力电池组高压接口
2）低压电气接口。动力电池组除具有2节高压电气接口外，还具有12 V低压接口（图14），可为电池管理单元提供总电压、总线信号、电流信号、温度信号等。
（3）警示标志。动力电池组一般配备三个警示标志，即一个型号铭牌和两个警示标志。型号铭牌提供逻辑信息（如零件号）和重要技术数据（如额定电压）。两个警示标志指示动力电池组使用的电池类型，并警示可能存在的高电压危险。图16显示了宝马i3动力电池组壳体端盖上的三个警示标志。
图16：BMW i3电池组外壳上的警告标志
4.4 动力电池组板载充电接口
插电式混合动力汽车和纯电动汽车均需要额外充电，主要包括交流慢充和直流快充两种充电方式。对动力电池组充电时，需要将充电枪插入车载充电口。与交流慢充和直流快充两种充电方式相对应，车载充电口也分为交流充电口和直流充电口。图17为比亚迪e5的交、直流充电口。具备交流慢充功能的汽车配备有车载充电器，可以将交流电压转换成直流电压。具备直流快充功能的汽车，将交流电压转换成直流电压的设备安装在充电桩内，称为非车载充电器。相较于交流慢充，具备直流快充功能的汽车通常拥有独立的快充电路和充电连接器。
车辆充电口由两个高压充电端子和多个低压信号端子组成，低压信号端子向车辆和充电器传输信号，指示充电枪是否正确插入，并提供充电器所能提供的最大充电电流、动力电池组所能接收的最大充电电流等信号。
为满足动力电池组充电时整车的防水密封要求，充电口采用另一端盖防潮（图18）。另外，车辆充电口必须能承受瞬间大电流充电过程。
图17 比亚迪e5充电口
4.5 动力电池组的处置
电动汽车制造商和电池供应商使用回收和再利用的动力电池组。一些动力电池组制造商还将旧动力电池组的某些部件重新用于更换的电池组上。更换的动力电池组通常放在专门的运输箱中（图19），并运送到车辆维修现场。技术人员从运输箱中取出更换的电池组后，将有故障的电池组安全稳妥地放入运输箱中，并将其送回运输点。运输箱中通常包含包装说明和安全注意事项。
图18 充电口防潮装置
图19：动力电池组运输箱