動力電池內部線束布置及設計分析

摘 要：目前新能源汽車動力電池包內線束存在著各種設計方面的困擾，由此產生了新的設計理念，文章針對新能源動力電池內部線束在布置和設計方面進行分析討論，介紹了電池包內線束設計要點，以及布置過程中EMC 方面的防護設計。

近年來隨著新能源汽車的日益發展，積極響應國家節能減排，推廣使用新能源，發展循環經濟的號召。汽車生產廠分別推出了自己的新能源汽車產品，其中包括純電動汽車、混合動力汽車。進而隨著技術的逐步完善，已趨于用電力取代了傳統的燃料作為汽車的動力來源。對于新能源車輛動力電池包內線束的設計及研究，存在著各種設計方面困擾和新的設計理念的誕生，電池包內線束作為動力電池的信號傳輸、實現動力的有效輸出，電池包內動力電池用電量、續航里程等有效地實施監控。在設計過程中同時也面臨著設計方案、布置走向、EMC 防護等設計方面的考驗。

目前新能源車輛動力電池包根據前期設計目標，確定電池包內模組和單體的數量及結構形式，電池包冷卻形式分為風冷式和水冷式電池包。針對于包內線束設計而言，區別于傳統汽油車整車線束，有高壓線束和低壓線束，不同形式電池包內部線束設計采用了不同形式的設計方式和布置方案。

1.1 電池包內高壓線束設計方案

高壓線束在新能源車輛上主要提供高壓強電供電作用，因此對于線束的設計及布置尤為重要，主要遵循以下幾個方面的原則：

1）線束走向設計：高壓線束設計采用雙軌制，由于高壓已經超出人體安全電壓，車身不可作為整車搭鐵點，因此包內高壓線束的設計上，直流高壓電回路必須嚴格執行雙軌制。包內高壓線束可分為高壓總正、高壓總負。

2）高壓連接器選型：高壓連接器主要負責高壓大電流連接和傳輸，并負責高壓回路的人機安全。因此高壓線束連接器目前多采用耐高壓、防水等級高、環路互鎖、屏蔽層連接等功能。

3）屏蔽設計：采用屏蔽高壓線，屏蔽網包覆在高壓線內部。連接器連接時實現屏蔽層的連接。考慮到電磁干擾的因素，整個高壓線束系統均由屏蔽層全部包覆。

4）高壓線布置：考慮安全及電磁干擾，高壓線與低壓線束進行分離布置。

1.2 電池包內低壓線束設計方案

1.2.1 根據電池的工作原理以及設計結構將內部線束分為：

1）BMU(BMS 主板) 線束：主要功能負責電池狀態估算（SOC SOP SOH等）、執行器控制，熱管理策略，高壓安全、故障診斷等BMS 主要控制功能實現。

2）LMU（BMS 從板）線束：主要功能負責單體電壓，電池溫度采集監測等。

3）HCU（BMS 高壓板）信息采集線束：高壓采集，絕緣監測。

4）高壓繼電器線圈控制線束：負責控制高壓回路的通斷。

5）電流傳感器線束：有霍爾傳感器或分流器，主要負責采集電流信息。

6）PTC 控制器：控制PTC 進行加熱。

7）電磁閥：控制電池包空調管路的通斷。

8）各高壓連接器的互鎖插頭：高壓環路互鎖信號傳輸。

以上線束布置同電池包內高壓線束進行分離設計，有效避免EMC 干擾。

1.2.2 電池包內低壓線束固定及卡扣選型

由于受電池包內環境和結構限制，線束固定方式采用小型化、易裝配、依托固定結構簡單為主。

1.2.3 屏蔽設計

低壓線束負責強電控制單元模塊的功能實現以及相關信號的傳輸。低壓線束設計與布置方案中考慮高壓線束對其產生的干擾防護，不同信號源采用不同的低壓屏蔽導線。

高頻信號：線束采用雙絞線、屏蔽層采用箔層屏蔽。

低頻信號：線束采用雙絞線、屏蔽層采用編織層屏蔽。

1.2.4 屏蔽導線的接地形式

單點接地：低頻信號采用單點接地。

多點接地：高頻信號采用多點接地。

為了避免高壓線束傳輸強電電流時產生電磁干擾，導致低壓線束對控制單元供電及信號傳輸受到電磁干擾的風險，因此我司純電動車輛動力電池包采用了高壓線束與低壓線束分層式和并列式設計，該設計方案有效避免了強電工作產生的干擾。布置形式如圖1。

2.1 分層布置：高壓線束與低壓線束分為上下層級關系

2.1.1 分層式布線

電池包內前期布置考慮電池模組高壓供電和低壓信號采集進行分層布線，模組之間串聯接線保證高壓連接線（圖中紅色）部分在模組下方，低壓信號采集等相關低壓控制布線（圖中藍色）在模組上層。而從分層布線有效的對高壓線工作時產生的EMC 干擾起到防護作用。保證電池包內供電、信號傳輸穩定性。

2.2 并列布置形式

2.2.1 走向依附電池包內部結構并列布置（圖2 所示）前端模組高壓布線和BMS 主板低壓布線，采用并列式布置，保證高低壓線束并列不交叉。有效防護高壓線束工作時對控制器的EMC 干擾。

3.1 線束電池包內卡扣選擇：卡接式扎帶卡扣（圖3）、卡接螺柱式卡扣（圖4）、扎帶固定（圖5）

3.1.1 圖3 中扎帶主要用在高低壓線束

通過連接前、后段塑料風道內，風道內部做出結構供卡接式扎帶卡扣固定線束。風道本體預留安裝孔供線束固定裝配。

3.1.2 圖4 中卡接螺柱式卡扣主要用在前、后端電池模組下方鈑金底板焊接固定螺柱供扎帶固定線束。

3.1.3 圖5 中扎帶固定線束主要用在后端模組上蓋板用于LMU 從板、HCU信號采集線束固定。

高壓線束采用雙軌制設計，將電池包前、后端模組串聯、電池包內PTC、風冷風扇、強電維修開關、充電預充回路等連接到原理回路中。并通過電池包前端高壓接插件提供整車強電供電。高壓接插件采用插件本體屏蔽，并增加高壓互鎖功能，有效防護高壓電流產生的EMC 干擾。

電池包內低壓線束原理設計同傳統車外部整車線束采用的導線及導線選取原則相同，區別在于電池包內部線束主要進行信號采集，電池包內監測相關的傳感器類部件。目前采用耐溫等級高導線，屏蔽線、雙絞線等。將所有采集的信息交互給BMU（圖6 所示）進行供電、電池包內熱管理、包內散熱、電池充放電等相關控制。

4.1 電池包內線束EMC 防護的電源分配方案

整車范圍內首先保證零部件的EMC 符合標準要求，通過線束連接將各個控制單元連接在一起，在電源分配方面所采用的防護方式為供電回路與接地點回路在同一接插件中采用圖7 方式進行孔位排列。

4.2 電池包內EMC 防護的線束設計方案

在線束材料選取方面為了可以有效的防止因為線束電流過大造成電磁干擾問題，所以在線束材料選取上一般采用雙絞線，并將雙絞線回路布置到其他線束最外側，在高頻信號方面，可以采用屏蔽雙絞線。

整車線束中的傳導發射90%都與電源線相關，因此在線束評估及設計時需要注重以下幾個方面：

1）開關電源部分處理，設計上考慮環路控制。

2）敏感信號采用屏蔽線纜傳輸，且屏蔽層做好360 度搭接處理。

3）信號線纜遠離高壓網絡和強干擾源，且合理的與地做緊耦合布線。

4）做好濾波器“搭鐵”接地處理措施，減少引線電感。

5）線纜中保證足夠的信地比，且需要做合理的安排和配置。

4.3 電源線傳導瞬態抗擾防護的設計分析

電源線傳導瞬態抗擾度在設計初期應該同時考慮新能源車輛高壓、低壓工作時浪涌、脈沖的防護設計。

4.4 脈沖干擾防護

電池包內開關繼電器及保險絲在開啟或者關閉的過程中，由于電弧產生的干擾脈沖，也需要進行線束設計初期考慮的防護。

通過新能源電池包內線束設計開發前期的線束合理化設計與布置，以及對電池包內高低壓原理設計階段EMC 防護的重點考慮，有效的避免了強電線束工作時產生的干擾，并通過搭載臺架、實車認證，不斷優化線束布置方案與EMC設計。目前所采用的線束布置形式，以及采用的各項EMC防護方案與措施，在批產項目中得到充分的驗證和認可。