TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3678 ~ 36 8 3   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4899          3678     Re cei v ed O c t ober 2 3 , 201 3; Revi se d Decem b e r  17, 2013; Accept ed Ja nua ry 5,  2014   High Voltage Security System Design and Testing of  Electric Car      Peng Hailan 1 , Jiang Zhilong   1 Jiaxin g Vocati ona l T e chnical  Coll eg e, Mech anic a l an d Elec tronic an d Auto motive Branc h   Jia x in g, 31 403 6;   2 Minkai Auto Parts co.,  L T D.,  Rese arch an Devel opm ent Dep a rtment,   Jia x in g, 31 403 1       A b st r a ct   Safety des ig of hi gh v o lta g e  part is  the  fou ndati on  of  the  w hole auto m ob ile des ign; it  is base d   o n   safety desi gn  requ ire m e n ts  of the e l ectric  car, an d the  security functi on of  hardw ar e. T he d e sig n  th e   different functi ons of har dw are modu les ar e prese n ted, throu gh circ uit princi pl e di agr am l a yo ut of PCB ,   and  circu i t bo a r d is  made, th e  systems  har d w are test bo ar d is  desi g n  acc o rdi ng to  the fu nction al test  of  the  system . Test r e sults s how that relati v e   errors between the measur em ent  of ins u lation r e sistanc e value of   the safety system a nd the th eoretic al val u e  is only 0. 3%,  thus the rationality of  the d e sig n  calcu l ati o n   mo de l of th e i n sul a tion  resis t ance  is ver i fie d . T he r e spo n s e ti mes  of D C  (dir ect curre nt) contactor  a r e   higher than t he national st andar d requir ements, so th e system  s e c u rity des ign  m e ets the design  re q u i r em en ts.    Ke y w ords : ele c tric vehicl e, hi gh volta ge, saf e ty desig n, test        Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The  wo rkin voltage of el e c tri c  vehi cle s  in mo re th an  200v, workin g current  can  rea c h   tens or eve n  hundred s a m pere, when  there exists  a high voltag e safety failures, hig h  voltage  and la rge  cu rrent will  not  only end ange r pa sseng ers sa fety ca n a l so affe ct the  norm a l work of  low volta ge  electri c al  [1-3 ]. Therefo r e,  high volta ge  safety de sig n  in the  ele c tric  car ha s th extremely important si gnifi can c e. Hi gh  voltage syst e m  for electri c  car is p r o p o s ed in the p a per,  cha r a c teri stics of the electric  ca r high -voltage circui t are analyze d. Throu gh the high volta ge  circuit p a ra m e ter  cal c ulati on mo del, a nd dete c tion   of importa nt  electri c al  pa rameters in  real- time, we c an  k e ep the s a fety of  the vehic l e [4].  In the pape r, it is based  on the de sig n  r equi rem e n t s of the hig h  voltage sy stem of  electri c  vehi cle and d e si g n  relate d fun c tion s, on thi s  ba si s, the hard w a r circuit de sign  a nd  developm ent  system of e a ch fun c tion  module  a r given out, and the prin ci ple of hard w are  comp ositio n and its re alization of each f unction mo d u le are al so p r esented [5 -9 ].        2. Sy stem Securit y  Hardw a r e  Design  Requireme n t s   In the process of the  ele c tric  car re se a r ch  an d its h i gh voltage  system, every  safety  indicators mu st meet safet y  requirement s; the sy stem  shoul d have  the followin g  main functio n s:   1. The insul a tion re sista n ce testing;   2. The tran sie n t impact;   3. High an d low voltage p r otection;    4. The over-current dete c tion;   5. High pressure loo p  interl ock testing.       3. Relate d Hard w a r e  Circ uit Design   In this study, the high volta ge safety de sign of electri c  vehicle mainl y  include s:   1. The main control ci rcuit.   2. The power  sup p ly circuit;   3. The po sitive and ne gative side  conta c tor cont rol an d curre n t sam p ling ci rcuit;  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     High Voltag e Secu rity Syst em  Design a nd  Testin g of Electri c  Ca r (Peng Hail an)  3679 4. The battery positive and  negative volt age an d total voltage acqui sition ci rcuit;   5. High voltag e circuit voltage mea s u r em ent circuit;   6. High an d low voltage p r otection  circui t;    7. High pressure loo p  interl ock circuit,    8. Insulation resi stan ce mo nitoring  circui t;    9. Power b a ttery temperature me asure m ent circuit.   Introdu ction o f  main circuit desi gn are gi ven out as be low:     3.1. Po w e r S upply  Circuit      Figure 1. Power Su pply Circuit       In the de sign  of the whole  circuit, first  o f   all it need s t o  de sign th power  sup p ly circuit;  power ci rcuit desi gn princi ple  i s   to i m prove the  reliability of power  conversi on ci rcuit, at  the same  time in orde r to make the  design of th e system  mo re pr act i cal.  De sign ed se curit y  sy st e m  is   sup p lied  with  12V  and  5V  two  po we r f o rm s, be ca use the  ele c tri c  ca of the l o w voltag e p o w er  sou r ce is DC 12V, so it needs to convert 12V  power suppl y to 5V power su pply circuit.   Schem atic ci rcuit diag ram i s  sh own as in  Figure 1.     3.2. Contactor Con t rol a nd Curr ent S a mpling Circ uit  High  pressu re loo p  m u st i n stall th co rr esp ondi ng hi gh  voltag e DC conta c to r, and high  voltage DC contacto r ne e d  spe c ific  on -off cont rol  ci rcuit to d r ive  the co ntacto r, so the sy stem  desi gn is sh own in Fig u re 2. At  the same time  it also h a s the  function of acq u isitio n of the  conta c tor coil  cu rre nt. Hig h  voltage  DC conta c tor  sho u ld b e  arrang ed in th e location of  the   power b a ttery pack,  whi c h is to en su re the re lia bili ty and high  efficien cy of the high volt ag e   circuit. And  o n  the p o sitive  side  an d ne gative si d e  of  each  con n e c tion, we  re sp ectively co nn ect  and di sconn e c t the po sitive and n egati v e side of  hi gh voltage  circuit an d ma ke the co nne ction  betwe en the  positive an d neg ative side of batte ry. Battery th roug h two  DC conta c tor  are   con n e c ted to  the positive  and neg ative side in  th e high p r e s sure  system,  in whi c h a  DC  conta c tor ma lfunction  ca n' t be di sconn ected,  anoth e r DC co nta c tor also  ca gua ra ntee the  norm a l wo rk  of the contact o r, so a s  to lose c ontrol of the high volta ge circuit, wh en high volta ge  circuit in  any  contactor di sconnec t, high pressure  ci rcuit  will be  cut off, which  is more  security  than just u s in g a conta c tor.   In the Fig u re  2, it incl ude the conta c tor  co ntrol and   the conta c tor coil cu rrent sampling   circuit. As  ca n se e fro m  th e table, the  DC  co ntacto r cont rol i s   co nne cted to  o ne en d of the  coil   and the 12V  power.   By controllin g whethe r th e othe r e nd  of t he coil g r oundi ng, it can reali z e th e on -off  control of th e conta c tor.  In the figu re,  VCRe lay+ a nd VCRel a y–  are  the  co n t rol  signal  fro m   control pa rt. The si gnal i s   throug h the fi eld effect  tub e  IRFD912 0 (Q2, Q5) to  co ntrol whethe the   relay  coil  is i n  form ation  of co ndu ction .  The  prin cipl e of u s e  effe ct tube  to  co ntrol th e o u tput   curre n t is thro ugh  ch angi ng  the i nput volt age.  Conta c t o coil  current  is thro ugh  th e LM 258  si ng le   basi c  subtra ction circuit to obtain the current.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3678 – 36 83   3680   Figure 2. Positive and Neg a tive End of the Rel a y Con t rol and Curre n t Sampling  Circuit         Figure 3. Hig h  and Lo w Vo ltage Prote c tion Circuit       3.3. Insulatio n  Resis t anc e  Monitoring  Circuit  Electri c  ca rs  are u s ually e quipp ed with  highe r po wer supply voltage, the purp o s e is to  redu ce the transmi ssion li ne cu rrent, there b redu cing the loss of lines and  equipm ent, thus  improve  the transmi ssion  ef ficien cy  of the  vehicl e e ner g y  s y s t em. Ho w e ver ,  h i ghe r  po we r su pp ly  voltage of  th e vehi cle  ele c tri c al  safety  is p u forwa r d hig her req u irem ents,  e s pe cially fo high  voltage insul a tion perfo rm ance of the system, more   requi rem ents are put forward. Throug h the   related el ectri c  vehicle  saf e ty  standards, it can be found that the in sul a tion re si stan ce is on e  of  the impo rtant  paramete r s t o  evaluate  th e ele c tri c   car elect r ical safety, and in o r der to  elimin ate  the hig h  volt age  of vehi cl e an d d r ivin g pe rsonn el person a p o tential  threats, guarantee  the  safety of  electrical  sy stem  of pu re  ele c tri c  v e h i c l es . Acc o rd in g to  the n a t io na s t a n d a r ds , in  or de r   to meet th e v ehicl e u nde any ci rcum stances fo r in sulation  co nditi on d e tectio and fa ult ha n d ling  requi rem ents  accordingly, we de sign a  set of r eal-time  detection ci rcuit; the insul a tion re sista n c is to satisfied  with quantitatively analyzing of  the DC insul a tion  perfo rman ce.  Detection  circuit   prin ciple di ag ram is a s  sho w n in Figu re  4.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     High Voltag e Secu rity Syst em  Design a nd  Testin g of Electri c  Ca r (Peng Hail an)  3681   Figure 4. Insu lation Re si sta n ce Mo nitori n g  Circuit       3.4 Anti -inter feren ce Desi gn of  Hard w a re   As for  ele c tric vehi cle s ,  the high   voltage DC system i s  definitely a strong  electroma gne tic interfe r e n ce source,  an d the  hi gh vo ltage  safety  monitori ng  sy stem in  such  a  stron g   ele c tromagn etic  in terfere n ce en vironm e n t, the elect r oma g netic inte rference re si stan ce  is very important. The electrom agn etic interfer e n ce  resi stan ce could dete r mi nes  wheth e the  se curity  syste m  is  stable  a nd reliable, m o re im po rtant  is that the  sy stem  can  det ect the  relia bl e   electri c  p a ra meters so a s  to re alize t he syst em fu nction. So it  is not ha rd  to see h o w t h e   importa nce of security mon i tor system fo r high voltage   The mai n  int e rferen ce  so urces are: hi gh  p r e s s u re  sy st em  D C  int e rf er en ce ,  spa c e   electroma gne tic interferen ce and the  power in terfe r en ce. For hi gh voltage DC interfe r en ce,  system a dop ts high p r e s sure dam pe r, shunt capa citan c e an high ten s ion  line method  to  redu ce i n terf eren ce; a s  fo r sp ace ele c t r oma gneti c  in terfere n ce, ra dio interfe r e n c e, the  syste m   adopt s the sh ielding meth o d  to redu ce the sp ace  el e c trom agn etic  interferen ce. As for the po wer  interferen ce, it adopts integ r ated ma no stat  to redu ce the po wer inte rfere n ce.   In addition, in the circuit  desi gn, the desi gn of the singl e poin t  groun ding t hat is to   sep a rate the  digital and  analog g r o undin g  ca n redu ce the i n terferen ce. Thro ugh the s e   measures, it can  effectivel y redu ce the  interfer en ce;  the system  can  wo rk i n  the reli able a n d   stable  state.  After ado ptin g ha rd ware  anti-jammi ng  mea s u r e s , a c cordi ng to  the  stated b e fore   each modul e circuit sche m a tic diag ram,  system  h a rd ware PCB di agra m  ca n b e  obtaine d, which  is sh own as i n  Figure 5.            Figure 5. System Hardware Circuit Board  Fi gure 6. Hig h  Voltage System Te st Platform  of the Electric Car                       4. Relate d Experimental Tests   Experimental  test obj ect i s  the  ele c tric ca is high   voltage safety system  circuit, a s   sho w n in Fig u re 6. It is the electri c   car high voltage  safety syste m  inside b e fo re addi ng cl o s ed   shell  stru cture, which ca n be se en from  the char t, the system ha rdwa re is m a d e  up of a main   control  circuit  boa rd a nd a   data di splay  panel s, respe c tively, they are u s e d  to  co mplete the  da ta   colle ction p r oce s s and d a ta displ a y. Five relay are use d  in the main control circuit boa rd,   inclu d ing a  chargi ng  relay ,  two co ntrol  on-off  relays and two bia s  re si stors  conne cted to t he  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3678 – 36 83   3682 relay d a ta di splay  pan el,  it also  contai ns  a TF T-L C scree n , re al-time te st  result can  b e   dynamically displaye d on the scre en.     4.1. The Test Platform   Electri c  car  h i gh voltage  safety test experim ent  plat form of the t e sting  syste m , mainly  inclu d ing 2 0 0 V  high voltag e DC  power  sup p ly,  regul ated DC 12V  powe r  suppl y, oscillog r ap h,  multimeter,  and comput er an d high  voltage saf e ty monitori ng and  cont rol sy stem. The  debu gging a n d  testing data  of the whole  system   work  are to be do n e  on this platf o rm.     4.2. Validation Experimen t    In ord e r to  verify wh ether the hig h  vol t age sy stem  insul a tion  co ndition s a r e i n  goo d   con d ition, it is nece s sary to  make qu antitativ e analysis of high voltage insul a tion  perfo rman ce  of  the system.  The impe dan ce of the in sulatio n  re si stance i s  ne e d  to mea s ure, so it is n o conve n ient  a nd di re ctly to  ma ke th e v a lidatio n  exp e rime nts. T h e me asure   method  is to  put  impeda nce of  re sista n ce in to the po sitive or neg ative of ci rcuit, system  can  calculate  mod e of   insul a tion re sistan ce a c cording to the collectio n of electri c al pa ra meters, and  finally throug comp ari ng m easure d  valu es  and  the  th eoreti c al val u e, the m odel   for  cal c ulatin g the  insulati on  resi stan ce  ca n be verified.   In the test experim ents,  the output volt age is 2 00V high vo ltage DC po wer; the  measurement  of in sulatio n   resi stan ce  is  simula te d th rough  the  re si stan ce  betwe en p o wer  su p p ly  and bi g re si stan ce. As  shown in the  Table 1,  rela tive erro r b e twee n the m easure d  valu e s   relative to th e theoretical  value of insul a tion re si stan ce i s  0.3%, the stan da rd  deviation is  4 . 15 whi c h can prove the corre c tne ss of the  ca l c ulatio n model for in sul a tion re sista n c e.       Table 1. The  Insulatio n  Re sista n ce Test  Results ( K Measured value   Theoretical Value  error   The first time  96  100  -4   The second time   104  +4  The third time   100  The fou r th time   98  -2   The fifth time   96  -4   The sixth time   102  +2  The seventh time   101  +1  The averag e value  99.5  -0.5   Standard deviati on  4.15      4.3. Experiment of  Con t a c tor Resp on se    The hig h  voltage Conta c to r used in  clo s i ng and  openi ng test is TY CO KILOVAC EV200,  the its ch arg ed ca pa city is more than  500A,  in the DC 3 20V the  current  can  be ch ang ed to   2000A; its Built-in energy-saving coil can  remain  7 W  u nder  DC 12V   powe r  only, and its co unt er   electromotive  force i s  0V.   Thro ugh th colle ction  of high-volta ge  DC  co ntacto r coil  curre n t cal c ulatio n, a nd the  quantitative d a ta cu rve,  we  ca n  an alyze  the co ntacto r on p r o c e s perfo rman ce,  and th en ju d ge  the co ntacto r wheth e r i s  reliable, al so  can j udge  whether th e re lated feature s  of hig h  voltage  se curity sy ste m  of the desi gn is reli able.    Thro ugh th cha nge  of co ntactor p r o c e s s curr ent  cu rve, it ca n cl early sho w  current  cha nge p r o c e ss in th e high  voltage cont actor  coil, an d it can sho w  the time nee ded for  clo s in g,  also  ca n p r ov ide comp arati v e data fo r subsequ ent  a nalysi s . As  shown in Fi gu re 7, th e current  cha nge s of DC co ntacto r cl osin g coil i s  g i ven out.   From  the Fi g u re  7, it can  be  fo und  tha t   the conta c to r dyna mic proce s can  be  divided   into the three  stage s that is the re spo n se pro c e ss, st able process  and no rmal  cl ose d , whe n  the  input MCU el ectri c ity is lo w, co ntacto coil  curr ent  will have a le ss than 1 m resp on se lag,  the   lag is  cau s e d  by MCU a n d  the hardware circuit.  After anthe r 20 m s , co ntacto r coil cu rre nt there   will be in the  process of decline,  at thi s   point, it can be judged as  t he first contacts  of contact o r.   As ca n be se en from the fi gure, fro m  produ cing of  the c ontac tor coil c u rrent to t he c o ntac tor firs Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     High Voltag e Secu rity Syst em  Design a nd  Testin g of Electri c  Ca r (Peng Hail an)  3683 conta c t, this  pro c e s s take s for  16m s, i n  the late r p e riod  of 11 5 m s i s  the  st able p r o c e s s of  conta c tor, the n  conta c tor  can be no rmall y  close d     Figure 7. Clo s ed for  DC  Contacto r Coil  Curre n t Cha n ge Cu rve in the Pro c e s     Thro ugh the  experim ents,  it c an be  known that in  desig n of  control p r og ra m of the  system, th clo s ed  sig nal  judgm ent ti me shoul d b e  set to at l east m o re th an 2 30m s. T he  mech ani cal v i bration  of hi gh voltage  contacto r i s  in evitable. Ho wever in Fi g u re  7 it  sho w s n o   vibration, con t act bou nce time ca n be i gnored, th is i s  be ca use th e frequ en cy of the co ntact   boun ce i s  g r e a ter tha n  the  lKHz, a nd  systemati c   data  colle ction  interval i s  2m s,  whi c h m a kes it   impossibl e to  colle cted  the  data in  the p r ocess  of re b ound. But th e  pro b lem  doe s n o t affect t he  respon se te st of the c ontactor clo s ing p r oce s s.      5. Conclusio n    This arti cle  is mainly  aime d at th e el ect r ic  car hig h  v o ltage  pa rt of  ha rd ware  de sign  an t e st ing  of  t h e  se cu rit y  sy st em.  Fir s t  it  p r es ents sy ste m  ba sic com positio n an desi gn of  ke circuit corre s pondi ng exp e rime ntal dat a  are o b tain ed thro ugh t he rel e vant test platform and  experim ents,  and the te st  data of  the e x perime n t are analy z ed  a nd summa rized, re sults  show  that the desi gn of safety  perfo rman ce  of the  syste m  is reli able,  and it ca n be u s ed in t h e   pra c tical a ppli c ation of ele c tric cars.      Referen ces   [1]   W ang  Z han jia n g Is it safe to e l ectric vehicle W o rld cars. 20 11; (4): 86-89.    [2]    T he Car of  the Y ear  20 11:  th e  Clos e  w i n  for Nis san Leaf [EB/OL].  2010   29.   http:// w w w . car o fthe y ear.or g / w i n n e r/Niss an/ Leaf / 201 1 _5 2 / cot y .   [3]    Jian g Jiuc hu n, jack ne o,  w u  Qiu Ruic ha ng  etc.  Electric car insulation on line m o nitoring  system  of   researc h . Jour nal of man u fac t uring a u tomati on. 200 5; 27(5) : 74-77.   [4]    Li Ji ng xin F a n  YanJ ian g , Ji ang  Jiuc hu n e t c.  Electric motor  i n sul a tio n   on lin e mo nito ring metho d Journ a l of auto m obil e  en gi nee ring. 20 06; 28( 10): 884- 88 7.   [5]   W ang  Jinz hon g.  T he devel op me nt of the electr ic ins u lati on det ecti on dev ice . Beiji ng Ji aoton g   Univers i t y . 2 0 0 6 .   [6]    Guo H ong  sl ip per y ,  Ji ang  Ji u c hun  W en G u  Pen g   etc.  Ne w  electric c a r i n sul a tion  d e te ction  metho d   researc h  Gui . Journ a l of el ectronic me asure m ent  and i n strument. 201 1; 2 5 (3): 253- 25 7.  [7]    W ang Jiaj un,  Hon g  Bin, W ang H ongm ei.   Electric Insul a tion D e tectio n Method for  High-vo ltag Insulators.  T E L K OMNIKA Indones ian J ourn a l of Electrica l  Engi neer in g . 2013; 11( 7): 408 6-40 90.   [8]   Z hengr en  W u Mei L i u, Xi n W ang. Pre d icti on  of Electric  P o w e r Consu m pti on Bas ed  on t he I m prov ed   GM (1, 1).  T E LKOMNIKA Indones ian J ourn a l of Electrica l  Engi neer in g . 2013; 11( 8): 466 9-46 75.   [9]    Lin  Xu, Ya ng  Han. Res earc h  on the AVC T e sti ng Pl atform for the Regi on al Grid bas ed  on Re al-T ime   Digital S i mulator (RT D S).  T E LKOMNIKA In don esia n J our nal  of E l ectric al E ngi ne erin g . 201 3; 1 1 (1):   476- 483.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.