Mit der rasanten Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Energie und Energiespeichertechnologien haben die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Batteriesystemen als zentrale Energieträger große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Als Stütz- und Schutzstruktur des Batteriemoduls steht die elektrische Isolationsleistung des Batteriewannen in direktem Zusammenhang mit dem sicheren Betrieb des Fahrzeugs, der Batterielebensdauer und der persönlichen Sicherheit des Benutzers. Das elektrische Sicherheitsdesign des Batteriewannen ist der Eckpfeiler der Sicherheit des Batteriesystems. Durch mehrstufigen Schutz wie Isolierung, Struktur, Wärme und Überwachung gewährleistet es einen stabilen Betrieb der Batterie unter komplexen Arbeitsbedingungen, verringert das Risiko von Feuer, Explosion oder Stromschlag durch elektrische Störungen, verlängert die Batterielebensdauer und verbessert die Systemzuverlässigkeit.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die elektrische Isolationssicherheit von Batteriewannen und erläutert systematisch deren Konstruktionsprinzipien, die Überprüfungsmethode der Druckfestigkeitsleistung sowie die Ursachenanalyse und Verbesserungsstrategien für typische Fehlerfälle, um theoretische Unterstützung und praktische Referenz für das hochsichere Design von Batteriesystemen zu bieten.

Teil 1: Designgrundlagen

Der Kern des elektrischen Sicherheitsdesigns des Batteriesystems liegt in der Dreifaltigkeit „Prävention-Kontrolle-Notfall“: Vermeidung von Ausfällen durch Isolierung, zuverlässige Verbindung, Wärmemanagement und andere Maßnahmen; Erreichen einer Echtzeitsteuerung mithilfe von Sensoren und BMS; Einsatz von Brandschutz, Druckentlastung und anderen Designs zur Bewältigung extremer Situationen. Alle wichtigen Punkte müssen zusammenarbeiten, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Batteriesystems während seines gesamten Lebenszyklus zu gewährleisten und gleichzeitig Wartungsfähigkeit und Konformität zu berücksichtigen. Das Batteriewannen ist nicht nur eine strukturelle Stütze im Batteriesystem, sondern hat auch mehrere Funktionen wie elektrische Isolierung, Wärmemanagement, Rutschfestigkeit, mechanischen Schutz, Erdung und modulares Design, was für die Gewährleistung der elektrischen Sicherheit des Batteriesystems von entscheidender Bedeutung ist.

1-Strukturelle Unterstützung gewährleistet die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung

Das Batteriewannen gewährleistet die Zuverlässigkeit und Sicherheit elektrischer Verbindungen unter komplexen Arbeitsbedingungen, indem es Batteriemodule fixiert, mechanische Belastungen reduziert, Vibrationen und Stößen standhält, die Ausrichtung beibehält und Umweltschutz und Wärmemanagement integriert.

Abbildung 1 Batteriewannen

A.Physische Unterstützung und Fixierung gewährleisten die präzise Ausrichtung elektrischer Verbindungspunkte (wie Sammelschienen, Kabelbäume und Steckverbinder), um schlechten Kontakt durch strukturelle Verformung oder Verschiebung zu vermeiden; bieten einen starren Rahmen zur Befestigung von Batteriemodulen und Steckverbindern, um ein Lösen oder Brechen durch Vibration oder Stöße zu verhindern.

B.Umweltisolierung und -schutz: Verhinderung des Eindringens von Wasserdampf, Staub, Salznebel usw. durch Dichtungsdesign (wie IP67/IP68), Vermeidung von Kurzschlüssen durch Korrosion oder Isolationsfehler; Blockierung externer mechanischer Stöße oder Fremdkörpereinwirkung, um Hochspannungsverbindungskomponenten zu schützen.

C.Synergie des Wärmemanagements: Integrierte Wärmeableitungsstruktur (wie Flüssigkeitskühlplatte, Wärmeleitpad) gleicht die Temperatur aus, um zu verhindern, dass lokale Überhitzung zu Oxidation oder Verschweißen der Verbindungspunkte führt; Reduzierung der thermischen Interferenz zwischen benachbarten Modulen durch Wärmeisolationsdesign, um Materialausdehnungsunterschiede durch Temperaturgradienten zu vermeiden.

D.Unterstützung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV): Unterdrückung elektromagnetischer Interferenzen durch Metallabschirmschicht oder leitfähige Beschichtung, um Niederspannungssignalleitungen (wie BMS-Kommunikationsleitungen) vor Hochspannungsschaltungsinterferenzen zu schützen.

2-Isolationsschutz schafft eine effiziente Isolationsumgebung

Der Schwerpunkt des Designs der elektrischen Batterieisolierung liegt auf der Schaffung einer Umgebung, die Hochspannungsstrom wirksam isolieren und einen effizienten Betrieb des Systems gewährleisten kann. Dadurch wird sichergestellt, dass das Batteriemodul unter allen Betriebsbedingungen sicher verpackt werden kann, eine versehentliche Freisetzung elektrischer Energie verhindert und somit potenzielle elektrische Risiken vermieden werden.

A.Bei der Konstruktion des Batteriewannen wird sowohl die Tragfähigkeit als auch der Isolationsschutz berücksichtigt:

l Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise extrudierte Aluminiumlegierungen, werden bevorzugt, um ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Schlagfestigkeit zu erreichen. Der Außenrahmen trägt das Gewicht des gesamten Batteriesystems und äußere Stöße. Profile mit geschlossenem Querschnitt werden verwendet, um die strukturelle Festigkeit zu verbessern. Der Innenrahmen ist so konzipiert, dass er Batteriemodule und wassergekühlte Platten usw. trägt, um deren Stabilität und Wärmeableitungsanforderungen sicherzustellen.

l Isoliermaterialien werden als Polster oder Beschichtungen verwendet, um eine gute elektrische Isolierung zwischen dem Batteriemodul und dem Träger sicherzustellen. Der Hochspannungskabelbaum sollte über einen eigenen Managementpfad und eine Isolierhülle verfügen, um den elektrischen Abstand und die Kriechstrecke zum Träger sicherzustellen.

l Fortschrittliche Schweißtechnologien wie Rührreibschweißen werden verwendet, um die Verbindungsfestigkeit zu verbessern und gleichzeitig wärmebeeinflusste Zonen zu reduzieren, wodurch Verformungen und potenzielle Risse vermieden werden. Für Teile, die sich nur schwer schweißen lassen, werden Bolzenverbindungen oder Nieten in Kombination mit Dichtungsmitteln verwendet, um die Zuverlässigkeit mechanischer Verbindungen und die elektrische Isolierung sicherzustellen.

l Bei der Konstruktion wird die Modularität berücksichtigt, um den Batteriewechsel und die Wartung zu erleichtern, ohne die Stabilität der Gesamtstruktur zu beeinträchtigen.

Abbildung 2 Schematische Darstellung der elektrischen Luft- und Kriechstrecke

B.Wichtige Punkte beim Design der Hoch- und Niederspannungsisolation:

l Die positiven und negativen Punkte des Batteriesystems müssen vom Niederspannungsversorgungssystem und dem Batteriewannen isoliert werden, um sicherzustellen, dass zwischen dem Hochspannungskreis und dem Niederspannungssteuerkreis ausreichend elektrische Abstände und Kriechstrecken vorhanden sind, um die Sicherheitsstandards zu erfüllen und ein Abfließen von Hochspannung in das Niederspannungssystem zu verhindern.

l Das Design der Hoch-Niederspannungsisolation muss die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die Isolationsmaßnahmen keine Störungen verursachen und das System stabil läuft.

l Hochohmige Verbindung, die Hoch- und Niederspannungssysteme sind über eine hohe Impedanz verbunden, und nur die Fahrzeugkarosseriemasse (Batteriewannen) darf den Stromfluss begrenzen, um sicherzustellen, dass sich der Fehler im Hochspannungssystem auf das Niederspannungssystem ausbreitet.

l Physikalische Isolationsmaßnahmen: Beim Design des Batteriewannen können die Hochspannungs- und Niederspannungskomponenten in verschiedenen geschlossenen Kammern angeordnet werden, um die gegenseitige Beeinflussung durch physische Trennung zu verringern; verwenden Sie Isoliermaterialien als Polster zwischen dem Batteriemodul und dem Batteriewannen, wie z. B. Polymerkunststoffe oder Gummi, um eine physische und elektrische Isolation zu gewährleisten.

l Berücksichtigen Sie bei der Konstruktion die Wartbarkeit der Isolationsmaßnahmen, um sicherzustellen, dass sie bei Bedarf sicher repariert oder ersetzt werden können.

C.Wichtige Punkte bei der Gestaltung des Berührungsschutzes:

l Hochspannungskabelbaummanagement: Hochspannungskabelbäume sollten ordnungsgemäß in Isolierhüllen eingewickelt und ordentlich durch Befestigungsklammern oder Kabelkanäle geführt werden, um Freilegung zu vermeiden und das Risiko eines direkten Kontakts zu verringern.

l Sicherheitstrennwände: Zwischen Batteriemodulen und zwischen Batteriemodulen und Batteriewannen werden Isoliertrennwände angebracht, um das Risiko eines indirekten Stromschlags durch austretenden Elektrolyt bei beschädigter Batterie zu verhindern.

l Verpackung von Hochspannungskomponenten: Schlüsselkomponenten wie Hochspannungsanschlüsse und Relais werden so verpackt, dass diese Komponenten auch im Fach nicht versehentlich direkt berührt werden.

l Geschlossenes Design: Das Batteriewannen ist insgesamt als geschlossene Struktur konzipiert und verwendet eine Metall- oder Verbundschale, um sicherzustellen, dass die internen Hochspannungskomponenten nicht freiliegen. Die Schale selbst muss außerdem gute Isoliereigenschaften aufweisen.

l Verriegelungsmechanismus: Für wartungsfähige Hochspannungsanschlusspunkte wird ein Verriegelungsmechanismus verwendet, um sicherzustellen, dass sie bei nicht professionellen Vorgängen nicht leicht geöffnet werden können, wodurch das Risiko eines versehentlichen Kontakts verringert wird.

l Anwendung von Isoliermaterial: Isoliermaterialien werden als Isolierschicht zwischen dem Batteriewannen und dem Batteriemodul verwendet, um sicherzustellen, dass selbst bei einer Beschädigung des Batteriewannen der direkte Kontakt des menschlichen Körpers mit stromführenden Teilen verhindert werden kann. Zu diesen Materialien zählen unter anderem Polymerkunststoffe, Gummidichtungen oder Beschichtungen.

3-Elektrisches Logo-Design

Durch die elektrische Kennzeichnung des Batteriewannen kann nicht nur die Betriebssicherheit verbessert werden, sondern auch der Wartungsvorgang vereinfacht und die Gefahr von Fehlbedienungen verringert werden.

A.Eindeutige Kennzeichnung

l Markieren Sie Warnschilder wie „Hochspannungsgefahr“ und „Nicht berühren“ deutlich auf dem Batteriewannen und den umliegenden Hochspannungskomponenten, um eine schnelle Identifizierung auch im Notfall zu gewährleisten.

l Verwenden Sie international anerkannte Farbcodierungen, wie Rot oder Orange zur Kennzeichnung von Hochspannungsbereichen und Blau für Gleichstrom, um verschiedene elektrische Eigenschaften intuitiv unterscheiden zu können.

l Verwenden Sie standardisierte elektrische Sicherheitssymbole, wie die grafischen Symbole in IEC 60417, um Hochspannung, Erdung, Stromausschaltpunkte usw. anzuzeigen, um eine globale Verständlichkeit der Informationen sicherzustellen.

l Fügen Sie die Seriennummer, das Produktionsdatum und die Chargeninformationen des Batteriewannen hinzu, um eine einfache Nachverfolgung und Rückrufverwaltung zu ermöglichen.

l Wählen Sie verschleißfeste und korrosionsbeständige Materialien und Drucktechnologien, um sicherzustellen, dass das Etikett während des gesamten Lebenszyklus des Batteriewannen klar und lesbar bleibt.

B.Warnsignale

l Gefahren durch Hochspannung sind auf dem Batteriewannen und in den umliegenden Bereichen deutlich gekennzeichnet, um das Wartungspersonal daran zu erinnern, auf die elektrische Sicherheit zu achten und die Betriebsverfahren einzuhalten.

l Geben Sie sichere Betriebsabstände an, insbesondere in der Nähe von Hochspannungsanschlüssen und exponierten Stellen, um die Personen daran zu erinnern, einen angemessenen Abstand einzuhalten.

C.Bedienungsanleitung

l Markieren Sie die Erdungsstellen des Batteriesystems und des Batteriewannen deutlich, um eine ordnungsgemäße Umsetzung der Erdungsmaßnahmen sicherzustellen.

l Identifizieren Sie sichere Testpunkte und Wartungszugangspunkte, die für den Betrieb bei niedriger Spannung oder ohne Stromversorgung ausgelegt sein sollten.Grundlegende Betriebs- und Sicherheitsanweisungen können in nicht kritischen Bereichen des Batteriewannen kurz aufgeführt werden, um den korrekten Betriebsablauf zu leiten.

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