純電動(dòng)汽車高壓電氣架構(gòu)分析

純電動(dòng)汽車由于動(dòng)力電池和電驅(qū)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)燃油和發(fā)動(dòng)機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)電壓從傳統(tǒng)12V升高到300V以上系統(tǒng)電壓等級(jí)，高壓母線充電及放電電流達(dá)到200A以上。因此在設(shè)計(jì)整個(gè)高壓電氣架構(gòu)時(shí)，不僅要考慮整車成本、驅(qū)動(dòng)性能和充電時(shí)間要求，還需要考慮整個(gè)高壓系統(tǒng)安全，確保駕乘人員的安全。

文章基于目前典型純電動(dòng)汽車高壓電氣架構(gòu)，提出了一種全新高壓架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

01純電動(dòng)汽車高壓電氣架構(gòu)功能要求

純電動(dòng)汽車高壓部件包括電池、電驅(qū)、電力電子及充電部件。如圖1所示，電池是整個(gè)高壓系統(tǒng)的能源，為電驅(qū)及電力電子部件提供能量。充電系統(tǒng)包括慢充和快充，為電池提供能量。合理的高壓部件方案及集成設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化整個(gè)高壓系統(tǒng)的導(dǎo)線、繼電器、熔斷絲及接插件數(shù)量。另外，整個(gè)高壓架構(gòu)需滿足高壓安全要求，高壓互鎖、主被動(dòng)放電、絕緣監(jiān)測(cè)、預(yù)充電、繼電器監(jiān)測(cè)和線路保護(hù)等功能，合理的設(shè)計(jì)可滿足安全的需求并實(shí)現(xiàn)成本的最優(yōu)。

02高壓電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 高壓架構(gòu)設(shè)計(jì)輸入

高壓架構(gòu)設(shè)計(jì)要求包括整車性能及系統(tǒng)安全要求，整車性能包括加速、續(xù)航里程、充電時(shí)間、低壓用電功耗及熱系統(tǒng)用電功耗等。根據(jù)整車性能相關(guān)需求，通過(guò)計(jì)算仿真確定高壓動(dòng)力電池電壓范圍，額定輸出電壓，電池總能量，電機(jī)功率，慢充及快充功率，DC ／DC、PTC、ACCM、Heater等高壓部件功率。表1是根據(jù)整車性能要求仿真的直流母線瞬態(tài)電流信息，供導(dǎo)線及熔斷絲選型設(shè)計(jì)。

2.2 典型純電動(dòng)汽車高壓電氣架構(gòu)分析

圖2是產(chǎn)品車A高壓拓?fù)鋱D，整個(gè)高壓系統(tǒng)通過(guò)HPDM模塊實(shí)現(xiàn)高壓能量的分配，各模塊相對(duì)獨(dú)立，無(wú)集成設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：滿足系統(tǒng)安全要求，由于各模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制和診斷。缺點(diǎn)：系統(tǒng)成本高，各模塊需要獨(dú)立高壓線束連接及熔斷絲保護(hù)；增加整車布置空間及整車質(zhì)量。

2.3 高壓架構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1） 高壓零部件整體設(shè)計(jì)策略。為保證整個(gè)系統(tǒng)成本及空間的最優(yōu)，采用電池集成BDU、電機(jī)控制器和電機(jī)集成、DC ／DC、OBC及PDU集成的整體設(shè)計(jì)方案。如圖3所示，這種方案實(shí)現(xiàn)了零部件高度集成、空間布置及成本最優(yōu)化。

2） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)和電機(jī)控制器集成的設(shè)計(jì)策略，省去獨(dú)立的三相線束。前期進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)單元直接從電池出線的方案研究。由于功能安全要求，驅(qū)動(dòng)單元直接從電池出線，IPE需增加一路熔斷絲保護(hù)，最終從成本、熔斷絲失效風(fēng)險(xiǎn)和電池包開(kāi)蓋維修風(fēng)險(xiǎn)等因素綜合考慮采用Option1。DU接口分析如表2所示。

3） 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略。充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)快慢充功能，由于IPE集成OBC，慢充接口直接連接IPE；快充連接電池，通過(guò)BDU內(nèi)部繼電器給電池模組充電。

4） 電池設(shè)計(jì)策略。電池內(nèi)部集成BDU，主正負(fù)繼電器和快充繼電器并聯(lián)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和快充切換。基于成本和安全綜合考慮，采用低壓MSD代替?zhèn)鹘y(tǒng)高壓MSD的方案。

對(duì)比圖2產(chǎn)品車A高壓拓?fù)鋱D，該方案優(yōu)點(diǎn)是采用了電驅(qū)及IPE的集成設(shè)計(jì)方案，高壓零部件成本降低，另外節(jié)省了高壓導(dǎo)線及接插件數(shù)量，降低了整車布置空間及整車質(zhì)量。

2.4 高壓架構(gòu)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

1） 放電及絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)策略。通過(guò)電機(jī)控制器加電機(jī)主動(dòng)放電實(shí)現(xiàn)5S系統(tǒng)電壓從300V降低到60V以下，保證人員觸電安全；整個(gè)高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)有主被動(dòng)絕緣監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)上電和下電時(shí)的系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)，確保絕緣失效時(shí)的故障報(bào)警及系統(tǒng)斷電保護(hù)。

2） 預(yù)充設(shè)計(jì)策略。BDU內(nèi)部設(shè)計(jì)有預(yù)充回路，在200~300ms時(shí)間內(nèi)預(yù)充整個(gè)高壓回路到正常高壓值，確保系統(tǒng)上電安全。

3） 高壓線路保護(hù)策略。每個(gè)高壓線路設(shè)計(jì)有線路保護(hù)功能，通過(guò)熔斷絲保護(hù)，確保線路過(guò)流斷開(kāi)。

4） 高壓母線紋波及UCG設(shè)計(jì)要求。通過(guò)軟件仿真分析整個(gè)直流母線上不同頻域的電壓紋波，確保所有高壓部件工作正常。另外通過(guò)軟件分析非受控再生制動(dòng)下的最高反向電動(dòng)勢(shì)電壓，確保直流母線零部件及電機(jī)控制器交流側(cè)不受影響。

03結(jié)論

本文首先通過(guò)分析純電動(dòng)汽車高壓架構(gòu)功能要求，對(duì)比目前典型純電動(dòng)汽車高壓電氣架構(gòu)。通過(guò)高壓架構(gòu)方案設(shè)計(jì)和高壓架構(gòu)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)兩方面，提出了一種全新高壓架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)集成化的設(shè)計(jì)方案和最優(yōu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)并滿足系統(tǒng)安全要求。研究表明，此方案滿足系統(tǒng)功能和安全要求，空間布置簡(jiǎn)單且質(zhì)量降低，系統(tǒng)成本低，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化推廣。

審核編輯 ：李倩