電動汽車高壓主動放電幾種方式

導語：隨著電動汽車的迅速普及，其安全性問題日益受到終端用戶和制造商的重視。在眾多安全特性中，高壓主動放電功能作為規(guī)避高壓人身危害的關鍵手段，顯得尤為重要。今天我們深入探討下這個問題，解釋下電動汽車高壓主動放電幾種方式，以及它們各自的工作原理、適用場景、必要性、實現(xiàn)方式、提升電動汽車安全性能方面的作用。

目錄1.主動放電的基本概念

1.1 什么是高壓主動放電？

1.2 為什么需要高壓主動放電？

1.3 高壓主動放電的基本工作原理是什么呢？

2.電機主動放電、冗余主動放電、被動放電

2.1 電機主動放電

2.2 冗余主動放電

2.3 被動放電

2.4 小節(jié)

3. 主動放電的三種方式對比：電機放電、電阻放電、功率開關放電4.從應用場景到控制策略的說明5.功能安全的考慮6.功率開關放電的實現(xiàn)方法

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主動放電基本概念綜述

1.1 什么是高壓主動放電？

高壓主動放電是指在電動汽車高壓系統(tǒng)斷電后，通過專門的放電回路和控制策略，迅速將高壓電容中的電能快速地（一般規(guī)定1~2s）釋放至安全水平（高壓降至60V以下）的過程。其核心目的：是防止因高壓系統(tǒng)內(nèi)部殘余電壓而導致的觸電風險以及次生危害的產(chǎn)生，保障車輛維修、緊急救援等過程中的人員安全。這一功能在車輛關閉、緊急斷開高壓電池，或在維護、維修等需要安全操作的場景下尤為重要！

圖片來源：網(wǎng)絡

1.2 為什么需要高壓主動放電？

電動汽車的高壓系統(tǒng)，如電池、電機控制器等，在工作時會產(chǎn)生高電壓。這些高電壓在車輛關閉或發(fā)生緊急情況時仍可能殘留在系統(tǒng)中，對人員構成潛在威脅。如果沒有有效的放電機制，殘余電壓可能引發(fā)觸電事故，甚至導致火災等嚴重后果。因此，高壓主動放電功能成為電動汽車安全設計不可或缺的一部分。通過主動放電，可以迅速將系統(tǒng)電壓降低到安全水平，從而避免這些風險。

考慮到人身安全，國內(nèi)/外對于xEV的高壓安全，在標準層面都提出了明確的要求。以下兩圖分別是ISO6469-Part4和GB/T 18488-2024中關于主動放電的描述。

圖片來源：ISO6469-Part4

圖片來源：GB/T18488-2024

|SysPro備注，關于GB/T18488-2024 主被動放電的解讀，之前已經(jīng)做過，感興趣的朋友可以點擊下面鏈接：2024版GB/T18488解讀 | 主動放電、被動放電

1.3 高壓主動放電的基本工作原理是什么呢？高壓主動放電功能的工作原理主要基于電力電子技術和控制策略。當車輛的高壓系統(tǒng)需要放電時（指令來自VCU，或者控制器內(nèi)部），控制系統(tǒng)會發(fā)出指令，通過特定的放電回路將高壓電能快速釋放。這一過程通常利用電機繞組、或電機控制器內(nèi)置的放電電阻、或通過功率半導體的線性區(qū)特征等作為負載，將電能轉化為熱能并耗散掉。

圖片來源：ST

只不過，如何進行控制？如何執(zhí)行放電？如果有需要冗余放電，主路徑、冗余路徑彼此之間要如何協(xié)同？選擇什么樣的放電方式，效果更好、能效更高、成本更低？這些問題是設計人員重要點權衡與考慮的問題。作為動力系統(tǒng)的設計人員，需要熟悉每一種控制路徑和放電路徑，并清楚不同技術路徑下，會帶來哪些優(yōu)勢和劣勢，綜合評估，以選擇符合各利益相關方的最佳方案。這些問題，我們會在后續(xù)的文章中會陸續(xù)討論到。

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電機主動放電、冗余主動放電、被動放電

為了更清楚的定位后續(xù)的解讀對象，有必要再對放電的方式做下澄清。只有從整車視角了解了諸如”主動放電究竟要解決什么問題？為什么又需要冗余放電？被動放電的意義是什么？“一類的問題，才能為后續(xù)的放電路徑的選擇、軟件策略的定義提供指向。 對于動力系統(tǒng)而言，從類型上區(qū)分，放電的方式主要包括三種：電機主動放電、冗余主動放電、被動放電。下面我從定義/工作原理、放電路徑、應用場景、優(yōu)勢、劣勢角度做下說明。

2.1 電機主動放電

定義/工作原理

主要主動放電是一種通過電機，使用受控電流來主動降低電壓的功能。在電動汽車中，這通常意味著利用電機控制器（MCU）來控制放電過程。當系統(tǒng)檢測到需要放電時，MCU會發(fā)送信號給電機，通過特定的控制策略使電機繞組成為負載，從而消耗高壓系統(tǒng)中的電能。

實現(xiàn)方式

主要放電路徑是由QM扭矩控制功能負責實現(xiàn)，控制d/q電流的控制，將DC-Link能量泄放到電機繞組中，通過熱量的形式實現(xiàn)電能的消耗和電壓的降低。如下圖所示為通用汽車關于主動放電專利的原理說明。

圖片來源：通用汽車

應用場景

主要主動放電通常用于正常關閉車輛或進行維護時，確保高壓系統(tǒng)內(nèi)的電壓迅速且安全地降低。它也可以用于在車輛發(fā)生故障時，如碰撞后，快速降低高壓以減少觸電風險。

優(yōu)勢/劣勢 電機放電可以放電速度快，可以在短時間內(nèi)將電壓降至安全水平；并且通過軟件控制，可以實現(xiàn)智能化的放電策略，靈活性很強；適用于多種情況，包括正常操作和緊急情況。但是，由于共用的是電機的扭矩控制路徑，快速放電過程中如果控制不當，可能會造成扭矩抖動，影響駕乘體驗。

2.2 冗余主動放電

定義/工作原理

冗余主動放電同樣是一種主動功能，但它不依賴于電機，而是通過電力電子的專用組件，如放電電阻或專門的放電電路，使用受控電流來降低電壓。這些組件通常被設計為在電機放電失效時提供備份，以確保系統(tǒng)的安全性。

實現(xiàn)方式

冗余主動放電路徑使用專門的放電電阻或放電單元，通過電力電子開關（如MOSFET）控制放電過程，在需要時提供額外的放電能力，確保即使主要放電路徑失效，系統(tǒng)也能安全地放電。此外，硬件上需要設計放電電阻網(wǎng)絡、開關控制電路及必要的保護電路。

如下圖所示為一個由微處理器控制的主動放電系統(tǒng)，通過邏輯電路和驅動電路來驅動MOS管，從而控制母線電壓和電流。

圖片來源：精進電動應用場景

冗余主動放電主要用于提高系統(tǒng)的可靠性，特別是在電機放電電路徑可能因故障而無法工作時，如碰撞事件。它也可以用于在車輛長時間停放后，確保高壓系統(tǒng)內(nèi)的電壓已經(jīng)降至安全水平。

優(yōu)勢/劣勢 冗余主動放電策略的優(yōu)勢在于其提供了額外的安全層，增加了系統(tǒng)的冗余性，不依賴于電機的狀態(tài)，可以在更廣泛的情況下使用，并且通過獨立的監(jiān)控機制來檢測其工作狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可維護性。然而，該策略也存在劣勢，主要是需要另外增加電路，從而增加成本。此外，雖然用電阻放電風險較小，但在多次放電過程中，電阻也可能會老化損壞，引入了新的失效。

2.3 被動放電

定義/工作原理

被動放電是一種不需要任何主動控制機制的放電路徑。它通常依賴于系統(tǒng)中的被動組件，如電阻器或電感，這些組件會自然地消耗或分散電能，從而降低電壓。被動放電的速度通常比主動放電慢，但它是一種始終存在的放電機制，不需要額外的控制或監(jiān)控。

應用場景

被動放電主要用于在車輛關閉且沒有其他放電機制工作時，確保高壓系統(tǒng)內(nèi)的電壓逐漸降低。它也可以作為主動放電路徑失效時的最后一道防線。

優(yōu)勢/劣勢 被動放電的優(yōu)勢在于它無需額外的控制或監(jiān)控機制，從而降低了系統(tǒng)的復雜性；同時，它始終存在并提供基本的放電功能，且成本低廉，易于實現(xiàn)。

2.4 小節(jié)

小節(jié)一下。通過02章節(jié)，我們了解到在電動汽車高壓電氣系統(tǒng)中，電機主動放電、冗余主動放電以及被動放電共同構成了完整的放電路徑體系。其中冗余主動放電又有多種方式可選，如電阻放電、晶閘管放電、功率開關放電（模塊放電）等。以上所述每種放電路徑都有其獨特的作用、應用場景和優(yōu)勢，彼此協(xié)同、共同確保了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖片來源：ST

那么，是不是電機放電、冗余放電、被動放電都是必須存在的？如果不是，要如何根據(jù)各自的放電特征選用合適的放電方式呢？如果是，此三者之間又要如何配合（控制策略），以完整覆蓋所有應用場景、滿足整車需求呢？這些問題我們在下期「主動放電」文章中繼續(xù)展開聊聊：

03 主動放電的三種方式對比：電機放電、電阻放電、功率開關放電

04 從應用場景到控制策略的說明

05 功能安全的考慮

06 功率開關放電的實現(xiàn)方法概述

備注：以上內(nèi)容完整版會在知識星球中發(fā)表

以上是關于電驅動系統(tǒng)功能解讀：主動放電 v1.0內(nèi)容總結的節(jié)選，完整版及相關資料在知識星球「SysPro| 動力系統(tǒng)功能解讀」專欄發(fā)布，歡迎查閱、學習。此外，關于主動放電，大家可以結合知識星球中以下兩部分內(nèi)容一并學習(星球中點擊鏈接跳轉，查閱下載)，希望有所幫助！