车载储能电源设计规范.docx

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车载储能电源设计规范

车载储能电源设计规范

Vehicle energystorage powerdesign specification

一：

概述

车载储能电源是电动汽车的唯一能量来源，是电动汽车性能决定因素之一，由数百只动力锂离子电芯经并、串联方式组合成电池组，形成能输出高电压，大电流的供电源；电动汽车的运行环境多变，对电池箱的散热、防水、防火、抗震动、绝缘、等要求很高，此规范适用于我司电池箱电气和结构设计。

二：

规范性引用文件

1：

SZJG31-2010公共汽车通用技术要求

2：

QCT413-2002汽车电气设备基本技术条件

3：

QCT417.4-2001车用电线束插接器（多线片式接插件的尺寸和特殊要求）

4：

QCT417.1-2001车用电线束插接器（试验方法和一般性能要求）

5：

QCT417.3-2001车用电线束插接器（单线片式插接件的尺寸和特殊要求）

6：

QCT417.5-2001车用电线束插接器（单线和多线插接的圆柱式插接件尺寸和特殊要求）

7：

QCT897-2011电动汽车用电池管理系统技术条件

8：

QCT743-2006电动汽车用锂离子蓄电池

9：

GB/T19666-2005阻燃和耐火电线电缆通则

10：

GB/T18384.1-2001电动汽车安全要求（车载储能装置）

11：

GB/T18384.2-2001电动汽车安全要求（功能安全和故障保护）

12：

GB/T18384.3-2001电动汽车安全要求（人员触电防护）

13：

GB/T5023.1-1997额定电压聚录乙烯绝缘电缆

14：

GB2893-2001安全色

15：

GB4208-1993外壳防护等级（IP代码）

16：

GB156-1993标准电压

17：

GB/T5465.2-1996用于设备上的图形符号

18：

GB/T19596-2004电动汽车术语

19：

GB2894-1996安全标志

20:

GB5023.1-1997额定电压450750v及以下聚氯乙烯绝缘电缆（一般要求）

21：

GB20234-2006电动汽车传导充电用插头/插座/车辆耦合器和车辆插孔通用要求

22：

SAEJ1939汽车现场总线协议

23：

GB/T1804-M一般公差的公差等级和极限偏差数值

24:

GB/T1184-1996形状和位置公差未注公差

25：

GB/T19804-2005焊接结构的一般尺寸公差和结构公差

26：

GB/T14846-2008一类型材高精级

27：

GB/T1804-2000公差表

三：

术语和定义:

3.1：

电池管理系统BMS

电池管理系统（BATTERYMANAGEMENTSYSTEM）电池管理系统（BMS）是电池与用户之间的纽带，主要对象是二次电池；电池管理系统（BMS）主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态；主要系统功能为准确估测SOC，动态监测，电池间的均衡。

3.2：

单体蓄电池batterycell

单体蓄电池由电极和电解质组成，构成蓄电池组的基本单元，被称之为单体蓄电池。

它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。

它的工作原理就是把化学能转化为电能，目前我司生产的是磷酸铁锂电池。

3.3：

蓄电池模块batterymoduleorbatterymonobloc

放置在一个单独的机械和电气单元内的内部相连的单体蓄电池的组合。

3.4：

蓄电池连接端子batteryconnectionterminal

用于蓄电池之间带电部分（极耳）的连接，其作用是输送电能。

3.5：

动力蓄电池箱tractionbatterybox

用来给动力电路提供能量的所有电气相连的蓄电池模块组合成的箱体。

3.6：

可导电部件conductivepart

能够使电流通过部件，在正常工作状态下不带电，但当基本绝缘故障的情况下，可能成为带电部件。

3.7：

带电部件livepart

正常使用时被通电的导体或导电部件。

3.8：

爬电距离creepagedistance

连接端子的带电部分（包括任何可导电的连接件）和电底盘之间，或两个电位不同的带电部分之间的沿绝缘材料表面的最短距离。

3.9：

直接接触directcontact

人员与带电部件的接触。

3.10：

外露可带电部件exposedconductivepar

按照GB4208规定，可以通过IPXXB试纸触及的导电部件。

3.11：

电底盘electricalchassis

一组电气相连的可寻电部件，其电位作为基准电位。

四：

电气设计

4.1：

安全要求

4.1.1储能电源的电气设计遵循GB/T18384标准执行

4.1.1.1安全标示

人员接触蓄电池箱时，应能看到警告标记，在蓄电池箱的表面标示如图1所示的符号。

按GB/T5465.2，GB2893和GB2894规定的符号（底色为黄色，边框和符号为黑色）

图1蓄电池箱的标记

4.1.1.2触电防护

1.1.2.1直接接触防护

图2电路的电压分级

对于任何B极电压电路的带电部件，都应为人员提供危险接触的防护，直接接触防护应由带电部件的基本绝缘提供或由遮挡/外壳或两者的结合来提供，并符合GB/T18384.3-2001中6.2和6.3的要求。

4.1.1.2.2基本绝缘故障情况下的防护

任何B极电压电路的带电部件的基本绝缘故障时，应防止人员与外露可导电部件接触而导致的触电危害。

故障情况下，应由I类设备或II类设备或两者组合来防护。

4.1.1.3绝缘电阻

4.1.1.3.1绝缘电阻的要求按照GB/T18384.1动力电池的绝缘电阻执行，测量方法依据6.1.1执行；箱体的绝缘电阻按照GB/T18384.3中6.2.2执行（图3）。

图3绝缘电阻设备等级分类

4.1.1.3.2用图4规定电压的测试仪器测量蓄电池箱下列部位的绝缘电阻，应符合以下规定：

a）各独立电路与地（即金属外壳）之间的绝缘电阻不小于10MΩ；

b）无电气联系的各电路之间的绝缘电阻不小于10MΩ。

c）电池导电体与箱体的绝缘电压应≤1V。

额定绝缘电压Ui（V）

绝缘电阻测试仪器的电压等级（V）

介质试验电压（kV）

Ui≤60

250

1.0（1.4）

60＜Ui≤300

500

2.0（2.8）

300＜Ui≤800

1000

2.5（3.5）

图4绝缘试验的试验等级

注：

1：

括号内数据为直流介质强度试验值。

2：

出厂试验时，介质强度试验允许试验电压高于本表中规定值的10％，试验时间为1s。

4.1.1.4耐压

电底盘和带电部分之间耐压应符合GB/T18384.3中6.2.3执行（图5）。

图5耐压试验

试验期间不能发生绝缘材料的击穿或跳火。

4.1.1.5电气间隙和爬电距离

电池箱的电气间隙和爬电距离应符合图6的规定，执行GBT18384.1中6.2标准。

额定绝缘电压Ui（V）

电气间隙（mm）

爬电距离（mm）

Ui≤60

3

5

60＜Ui≤300

6

8

300＜Ui≤660

10

12

图6电气间隙和爬电距离

注：

1、当主电路与控制电路或辅助电路的额定绝缘电压不一致时，其电气间隙和爬电距离可分别按其额定值选取。

2、具有不同额定值主电路或控制电路导电部分之间的电气间隙与爬电距离，应按最高额定绝缘电压选取。

4.1.1.6动力蓄电池类型及安全性测试

根据GBT18384.1中4.2标准，应清晰可见的注明动力蓄电池的化学类型以便识别；根据QC/T743-2006电动汽车用锂离子蓄电池标准进行测试蓄电池包不能发生起火、爆炸或漏液。

4.1.1.6.1：

耐振动性

依据QC/T743-2006中第5.2.6，要求由5只以上单体蓄电池组合实验时，不允许出现放电电流锐变，电压异常，蓄电池壳变形，电解液溢出等现象，并保持连接可靠，结构完好，不允许装机松动。

4.1.1.6.2：

安全性

依据QC/T743-2006中第5.2.7蓄电池模块按照6.3.8.1进行

a）过放、过充实验时，应不爆炸，不起火，不漏液；

b）进行短路、加热、挤压、针刺实验时不爆炸，不起火；

实验方法按照QC/T743-2006第6点执行。

4.1.1.6.3：

检验规则

依据QC/T743-2006中第7点进行单体蓄电池的检验。

（见图7）

图7检验分类，项目，样品数量及检验周期

4.1.1.7:

动力电池的过电流断开器

动力蓄电池的过电流断开装置应能在车辆制造厂规定的条件下断开蓄电池电路。

应在车辆制造厂规定的过电流，或与动力蓄电池连接的电路出现短路时，动力蓄电池过电流断开装置应能够在任何故障情况下工作，包括过载储能装载故障；动力蓄电池的过电流断开装置的响应时间应由车辆制造厂根据动力蓄电池参数，动力蓄电池和电路发生过电流或短路的防护方式来确定，每次电源切断后，在故障明确的情况下，应允许仅通过正常的电源接通程序来重新给驱动系统供电。

1.1.8：

车载储能装置碰撞的特殊要求

应按照国家有关规定进行碰撞试验，发生碰撞时，应符合GBT18384.1中第6.4点要求，碰撞试验期间，电解液溢出不能超过5L；电池包不能发生明火或爆炸（QC/T743-2006电动汽车用锂离子蓄电池）；试验期间和结束均不能有电解液或电池包及其其他部件进入乘客舱；动力蓄电池包的任何移动应确保乘客安全；试验期间应防止动力电路短路，符合本章1.1.7规定。

4.1.2温升

4.1.2.1：

温升试验

正常试验条件下，电池箱以1I1电流充满电，然后以1I1电流放电时，其各元器件（部件）的温升不得超过图8的规定。

并且发热元件的温度不应影响周围元器件的正常工作且无元器件损坏。

元器件（部件）名称

温升（K）

电池模块连接处

30

电池保险接线端子

70

电池箱连接器

强电触头

强电触头接线端子

50

50

70

可接触的外壳和覆板

金属表面

绝缘表面

30

40

50

图8电池箱各元器件（部件）温升

4.1.2.2耐温度、湿度循环变化性能

电池箱在-20℃～+55℃之间，应能承受GB/T2423.34-2008规定的10个循环的温度/湿度组合循环试验，每个循环为24h，试验过程电池箱不工作。

在试验结束前2h内，用规定开路电压值的测试仪表，分别测量规定部位的绝缘电阻，不应小于1MΩ。

试验结束后，在环境试验箱内恢复至正常大气条件，电池箱应能正常工作。

4.1.3机械冲击性能

电池箱应能经受图9规定的上、下、左、右、前、后六个方向的加速试验冲击。

试验结束后，检查电池箱不应有机械的变形、零部件的损坏和紧固件的松动现象。

项目

要求

脉冲形状

半正弦波

加速度

500m/s2

持续时间

6ms

温度

常温

冲击次数

每个方向10次

图9机械冲击试验条件

4.1.4耐振动性能

电池箱应能经受图10、图11、图12规定的上下（垂直Z轴）、左右（水平横向Y轴）、前后（水平纵向X轴）三个方向的扫频振动试验。

试验过程中，电池箱锁止机构应不会打开。

试验结束后，电池不应有损坏和松动现象。

频率（Hz）

PSD（g2/Hz）

PSD[（m/s2）2/Hz]

5

0.05

4.81

10

0.06

5.77

20

0.06

5.77

200

0.0008

0.08

图10功率频谱密度（PSD）值-垂直Z轴

频率（Hz）

PSD（g2/Hz）

PSD[（m/s2）2/Hz]

5

0.04

3.85

20

0.04

3.85

200

0.0008

0.08

图11功率频谱密度（PSD）值-水平横向Y轴

频率（Hz）

PSD（g2/Hz）

PSD[（m/s2）2/Hz]

5

0.0125

1.20

10

0.03

2.89

20

0.03

2.89

200

0.00025

0.02

图12功率频谱密度（PSD）值-水平纵向X轴

4.1.5耐盐雾性能

电池箱应承受GB/T2423.17-2008规定的持续时间为48h的盐雾试验，试验过程电池箱不工作。

试验结束后，电池箱不应产生锈蚀、漏水、并能正常工作。

4.2：

电磁兼容要求

2.1蓄电池箱中各零部件的传导发射，电磁辐射骚扰，静电放电试验以及零部件的辐射，传导干扰应符合GB/T17626电磁兼容试验和测量技术标准。

4.3：

线束要求

a）电池箱用的线束应具有耐温、耐磨、防水、耐腐蚀、抗氧化、阻燃等特性，其阻燃和耐火性能应满足GB/T19666-2005的要求，插接器压接和抗拉力应符合QC/T417.1-2001的要求；

b）动力线应采用低烟、无卤多股铜导线或柔性铜排，其额定电压不应低于750V，耐温不应低于125℃。

线束应具有明显标识，能明确区分正极和负极；

c）控制线应采用多股铜导线，其额定电压不应低于300V，耐温不应低于200℃；

d）通信线应采用双绞屏蔽线，黄色为CAN_H，绿色为CAN_L。

4.3.1线束测试步骤和要求（依据QC/T417.1-2001）如图13

图13线束测试步骤和要求

4.3.2：

线束压接的抗拉强度要求（依据QC/T417.1-2001）如图14

在恒定速度25mm/min至100mm/min下，用合适的实验仪器来测量导体附件的抗拉强度，选用的速度记入实验报告中。

图14压接部分最小抗拉强度

4.3.3：

线束的水密性实验依据QC/T417.1-2001中4.9章节进行。

4.3.4：

线束的的结合温度震动测试如图15，依据QC/T417.1-2001中4.11章节进行。

图15线束的的结合温度震动测试

4.3.5:

线束的接触电阻应符合以下标准（QC/T417.5-2001中5.1执行）图16

图16线束的接触电阻

4.4：

BMS管理系统

4.4.1：

管理系统的通讯方式遵循SAEJ1939中的CAN2.0标准，目前基于29位信息标示符的用法，适用于电源与汽车中的应用层协议的对接。

4.4.2：

BMS的抗干扰应符合GB/T17626中规定的实验等级进行测试。

4.5：

其他电器元件的要求

a）电池箱体所选用的电气元件，应符合中华人民共和国国家标准《低压配电设计规范》

b）电器的额定电压应与所在回路标称电压相适应；

c）电器的额定电流不应小于所在回路的计算电流；

d）电器元件应满足使用环境条件（温度、湿度、震动、电磁辐射）

e）电器元件应满足短路条件下的通断能力。

4.6：

铜线耳

4.6.1：

铜线耳按国标生产的紫铜镀锡，按下表的导线截面积选取相应的铜线耳。

导线规格（mm2）

10

16

25

35

50

70

95

120

150

线耳规格（mm2）

10

16

25

35

50

70

95

120

150

最大电流（A）

69

91

120

145

175

215

255

290

330

4.7：

导线

4.7.1导线选取国标多股软芯铜导线（2000芯/根级以上），其他种类导线可参考下表

4.8：

铜排

4.8.1：

铜排的选取可参考下表

五：

结构设计规范

5.1箱体图纸的设计规范

5.1.1箱体的图纸按照以下版式，其未注的公差按GB/T1804-2000执行；一类型材高精级按照GB/T14846-2008执行；箱体及其他焊接结构的一般尺寸公差和结构公差按照GB/T19804-2005执行；形状和位置公差未注公差按照GB/T1184-1996执行；其他一般公差的公差等级和极限偏差数值按GB/T1804-M执行。

5.1.2结构设计所使用的PC端软件，整体设计采用SolidWorks2012或以上版本，CAD则采用AUTOCAD2012或以上版本。

5.1.3图纸的统一版式如图17

图17设计图纸的版式

5.2箱体

5.2.1：

箱体的设计必须考虑防水，通风散热，防漏电，抗碰撞等功能。

5.2.1.1电池组为高压储能设备，内有许多高压控制线路及单体电池，液体进入蓄电池组内部可能导致短路、漏电、腐蚀单体电池与电子线路及连接头，因此必须确保电池组不会被各种液体浸泡、潮湿的空气不会进入到蓄电池组内部，对于外露的产品采用防护等级为IPX4进行防溅水试验；对于安装在驾驶室和行李仓内的产品采用防护等级为IPX3进行防淋水试验；对产品水试验后的合格评定，按照GB/T4942.1和GB/T4942.2的规定。

5.2.1.2循环试验，每个循环为24h，试验过程电池箱不工作。

在试验结束前2h内，用规定开路电压值的测试仪表，分别测量规定部位的绝缘电阻，不应小于1MΩ。

试验结束后，在环境试验箱内恢复至正常大气条件，电池箱应能正常工作。

5.2.1.3电池箱通风散热的设计必须保证其内部元件温度≤55℃。

5.2.1.4电池箱的油漆层：

箱体内外部油漆层应均匀，无气泡，无空白，无堆积和流溢现象；油漆层应与被覆盖物表面牢固结合，经栅格法试验后漆层应不脱落；油漆层按QCT413-2002中3.10.2条规定的高温试验后，无皱缩或起层现象；油漆层在经受48H盐雾试验后，不允许产生锈蚀。

5.2.1.5电池箱的防碰撞设计

电池箱体设计时充分考虑到底板承重和碰撞后的变形量，依据ECER95的实验方法，电池箱安装于模拟小车底部，在平直干净干燥的环境，移动变形壁障以50±1KM/H的车速撞击模拟小车时，电池包不能发生短路起火；碰撞产生的能量应能保证电池箱不伤及车内乘客；发生碰撞时，动力蓄电池，电池包或其他组件（电解液）不能从电池箱内散落；发生碰撞时，应保证其过流断开装置切断连接（断路器）。

5.2.1.6电池箱的底框使用型材焊接，材料厚度应≥2.5mm,箱体的外形除客户特殊要求，首选规则长方体，如图18

图18电池箱外形（参考）

六：

装配要求

6.1电池模块的正负极柱应清晰标识，并具有相应的防护措施；

6.2电池模块的成组应利于散热，并采用保持热场均匀的布置方式；

6.3电池模块的安装应具有防止振动和擦碰的措施，并使用牢固的定位与夹紧装置；

6.4电子控制单元的安装应与电池模块隔离；

6.5动力线和控制线应独立捆扎，走线平顺，并具有防止振动和摩擦的措施；

6.6各种机械和电连接点应保持足够的预紧力，必要时应采用适宜的防松措施。

对于无基本绝缘的电连接点应采用加强绝缘防护；

6.7电池模块及箱体的螺丝安装，严格按照设计的扭力标准进行装配，并清晰标识。

6.7.1：

螺丝的机械性能等级选取碳钢8.8级，其材质公称抗拉强度达800MPa级，其安装扭力参考图19

螺丝尺寸（picth）

M3（0.5）

M4（0.7）

M5（0.8）

M6（1.0）

M8（1.25）

M10（1.5）

M12（1.75）

M14（2.0）

M16（2.0）

M20（2.5）

碳钢螺丝推荐扭力（kgf-cm）

铁螺丝推荐扭力（kgf-cm）

8.76

20.41

41.17

69.19

169.51

336.72

589.96

图19螺丝的扭力（参考）

七：

维护

7.1：

电池组连接

电池组共有三种接口：

电源正负极、通讯接口、系统工作电源。

整车使用N个电池组串联，所有接口采用内置式，由于系统工作在高压大电流工作环境下,因此连线的安全可靠为基本要求：

7.1.1连接电缆要满足标准工作电压/电流等要求；

7.1.2各连接头必须安全可靠，确保不会有松脱、虚接触问题，接触电阻接近0，接头必须具有抗腐蚀、耐磨、抗震功能

7.1.3各种连接必须满足相关国标要求，严防各种形式的电弧放电

7.1.4内部电池之间的连接必须有抗震防松脱装置，温度、电压、电流感应器连接同样需要安全可靠。

防止松脱、老化及挤压。

严禁各连接线出现任何金属裸露现象。

7.1.5严防在连接过程中出现任何形式的短路

7.1.6严禁操作人员未穿戴保护装备的徒手操作（操作员穿戴绝缘鞋，绝缘手套，必要时佩戴防护眼镜，严禁佩戴金属首饰，手表等进行违规操作）

7.1.7所有连接必须在明确指导下进行，严禁任何形式的猜想与模糊尝试形式的作业方式

7.1.8连接的关键点为：

确保连接正确、可靠（不会松脱）、接触良好（无接触电阻）、无短路。

7.1.9连接完成后，必须逐点测量、确认。

7.1.10所有连接点必须确保不会与外箱或其他部件接触、短路。

7.1.11有其它不确定的因素，需请教专业人士确认后方可实施。

7.2防热处理

7.2.1电池模组外壳材质必须选用耐高温，导热性好的材质；

7.2.2箱体设计时充分考虑环境温度对内部元件、导线、控制器、电芯产生的影响，例如箱体外壳设计隔热层，箱体在结构上设计冷却风扇等装置。

7.2.3高压连接端子，各导线符合设计标准，导线长度一致，避免接触内阻增大、导线内阻不一致导致的热堆积；高压连接端子要采用导热性好，接触内阻小，抗氧化性好的材质。

7.3防潮防水

电池组为高压储能设备，内有许多高压控制线路及单体电池，液体进入蓄电池组内部可能导致短路、漏电、腐蚀单体电池与电子线路及连接头，因此必须确保电池组不会被各种液体浸泡、潮湿的空气不会进入到蓄电池组内部，蓄电池组不能日晒雨淋，如果蓄电池组被液体浸泡或被雨淋，需立即进行维护。

蓄电池组安装空间必须充分考虑防水功能。

7.4.环境隔热

电池组必须保持在最佳工作温度范围内工作，这样可以大大延长电池的使用寿命并提高电池的安全性能，对温度的限制应充分满足规格中的各种定义，电池组安装的空间应保持通风、隔热功能，严禁阳光直晒或在太阳光底下热量直接传给电池或在寒冷冬天电池热量直接散发到外界。

7.5防震防撞

电池组内部电池串联并安装有管理系统与各种感应器件，电池组安装必须牢固可靠，不能有任何的松动与晃动，严禁电池组翻转或倾斜安装，同时电池组底部必须安装防震缓冲垫片，防止蓄电池组在使用过程中剧烈振动而影响电池连接的可靠性。

蓄电池组安装空间的外围，必须有足够强度的防撞保护装置，确保一般的碰撞不会直接伤害到电池组与电池而导致电池出现安全事故（直接短路、过热、燃烧等）。

7.6高压绝缘

电池组内所有的电源连接部分必须确保有足够的绝缘保护措施，确保在任何情况下电池正负极不会接触外箱导致漏电与短路，任何时候需绝对保证电池系统的正负极不会直接短路，否则可能引起重大安全与触电事故。

7.7事故处理

电池组在出现异常与事故后，应及时采取正确、有效的处理措施予以处理，排除产生进一步的损害与扩大损失：

7.7.1漏电

在使用过程中，如果发现电池组漏电现象，必须立即疏散车上人员，并立即通知相关技术人员到场处理，排除故障后方可继续使用，严禁电池带病工作、强行继续使用。

7.7.2过放

当电池组电量被用完，整体电压过低或有个别电池电压低过其正常工作电压范围，管理系统将给出警告并要求立即停止使用电池与进行充电，此时应立即停止对电池的放电，开始给电池进行充电。

严禁此时强行给电池继续放电使用，其将损害电池的性能，严重情况下可能导致电池被永久损害不能继续使用。

7.7.3短路

各种原因导致的电池组短路情况，必须立即疏散车上人员，关闭车