純電動汽車高壓電氣架構設計方案

散漫說，純電動汽車高壓部件包括電池、電驅、電力電子及充電部件。本文通過分析純電動汽車高壓架構功能要求，對比目前典型純電動汽車高壓電氣架構，提出了一種全新高壓架構設計方案。以下為正文。

1 純電動汽車高壓電氣架構功能要求

圖1 高壓電氣原理圖

純電動汽車高壓部件包括電池、電驅、電力電子及充電部件。如圖1所示，電池是整個高壓系統(tǒng)的能源，為電驅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計，可以優(yōu)化整個高壓系統(tǒng)的導線、繼電器、熔斷絲及接插件數量。另外，整個高壓架構需滿足高壓安全要求，高壓互鎖、主被動放電、絕緣監(jiān)測、預充電、繼電器監(jiān)測和線路保護等功能，合理的設計可滿足安全的需求并實現成本的最優(yōu)。

2 高壓電氣架構設計

2.1 高壓架構設計輸入

高壓架構設計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、充電時間、低壓用電功耗及熱系統(tǒng)用電功耗等。根據整車性能相關需求，通過計算仿真確定高壓動力電池電壓范圍，額定輸出電壓，電池總能量，電機功率，慢充及快充功率，DC/DC、PTC、ACCM、Heater等高壓部件功率。表1是根據整車性能要求仿真的直流母線瞬態(tài)電流信息，供導線及熔斷絲選型設計。

表1 直流母線瞬態(tài)電流

2.2 典型純電動汽車高壓電氣架構分析

圖2是產品車A高壓拓撲圖，整個高壓系統(tǒng)通過HPDM模塊實現高壓能量的分配，各模塊相對獨立，無集成設計。優(yōu)點：滿足系統(tǒng)安全要求，由于各模塊獨立設計，可實現獨立控制和診斷。缺點：系統(tǒng)成本高，各模塊需要獨立高壓線束連接及熔斷絲保護;增加整車布置空間及整車質量。

圖2 產品車A高壓拓撲圖

2.3 高壓架構方案設計

1)高壓零部件整體設計策略。為保證整個系統(tǒng)成本及空間的最優(yōu)，采用電池集成BDU、電機控制器和電機集成、DC/DC、OBC及PDU集成的整體設計方案。如圖3所示，這種方案實現了零部件高度集成、空間布置及成本最優(yōu)化。

2)驅動系統(tǒng)設計策略。驅動系統(tǒng)采用電機和電機控制器集成的設計策略，省去獨立的三相線束。前期進行了驅動單元直接從電池出線的方案研究。由于功能安全要求，驅動單元直接從電池出線，IPE需增加一路熔斷絲保護，最終從成本、熔斷絲失效風險和電池包開蓋維修風險等因素綜合考慮采用Option1。DU接口分析如表2所示。

圖3 高壓拓撲圖

表2 DU接口分析

3)充電系統(tǒng)設計策略。充電系統(tǒng)設計快慢充功能，由于IPE集成OBC，慢充接口直接連接IPE;快充連接電池，通過BDU內部繼電器給電池模組充電。

4)電池設計策略。電池內部集成BDU，主正負繼電器和快充繼電器并聯(lián)實現驅動和快充切換?；诔杀竞桶踩C合考慮，采用低壓MSD代替?zhèn)鹘y(tǒng)高壓MSD的方案。

對比圖2產品車A高壓拓撲圖，該方案優(yōu)點是采用了電驅及IPE的集成設計方案，高壓零部件成本降低，另外節(jié)省了高壓導線及接插件數量，降低了整車布置空間及整車質量。

2.4 高壓架構系統(tǒng)安全設計

1)放電及絕緣監(jiān)測設計策略。通過電機控制器加電機主動放電實現5S系統(tǒng)電壓從300V降低到60V以下，保證人員觸電安全;整個高壓系統(tǒng)設計有主被動絕緣監(jiān)測功能，實現上電和下電時的系統(tǒng)絕緣監(jiān)測，確保絕緣失效時的故障報警及系統(tǒng)斷電保護。

2)預充設計策略。BDU內部設計有預充回路，在200～300ms時間內預充整個高壓回路到正常高壓值，確保系統(tǒng)上電安全。

3)高壓線路保護策略。每個高壓線路設計有線路保護功能，通過熔斷絲保護，確保線路過流斷開。

4)高壓母線紋波及UCG設計要求。通過軟件仿真分析整個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。另外通過軟件分析非受控再生制動下的最高反向電動勢電壓，確保直流母線零部件及電機控制器交流側不受影響。

3 結論

本文首先通過分析純電動汽車高壓架構功能要求，對比目前典型純電動汽車高壓電氣架構。通過高壓架構方案設計和高壓架構系統(tǒng)安全設計兩方面，提出了一種全新高壓架構設計方案，通過集成化的設計方案和最優(yōu)的拓撲設計結構，實現成本最優(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，空間布置簡單且質量降低，系統(tǒng)成本低，可實現平臺化推廣。

審核編輯：湯梓紅

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