關(guān)于純電動(dòng)汽車高壓電氣架構(gòu)分析

王大為

摘要：純電動(dòng)類型汽車，其內(nèi)部的高壓電氣總體架構(gòu)設(shè)計(jì)期間，不但需要著重考慮到整車的成本及各項(xiàng)功能需求，還需要保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全。對(duì)此，本文主要采用文獻(xiàn)資料檢索方法及實(shí)地調(diào)查法，先檢索國內(nèi)外與純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部高壓電氣整體架構(gòu)相關(guān)的研究報(bào)告、學(xué)術(shù)論文、圖書雜志、文集文章等等，對(duì)相關(guān)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)化地梳理及總結(jié)分析，并圍繞著純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部高壓電氣整體架構(gòu)開展深入研究及探討，再通過實(shí)地調(diào)查，深入了解純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部高壓電氣整體架構(gòu)具體設(shè)計(jì)情況。本次課題研究可謂是橫跨了電動(dòng)汽車、電氣等各個(gè)領(lǐng)域，需運(yùn)用到各種學(xué)科方法、基礎(chǔ)理論及成果，并從整體入手綜合研究本課題，以保證本次課題研究的客觀性及精準(zhǔn)性，望能夠?yàn)榻窈蟠朔矫鎸?shí)踐工作的深入研究及有效落實(shí)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng);汽車;高壓電氣;架構(gòu)

0? 引言

純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部高壓電氣，是純電動(dòng)類型汽車的重要構(gòu)成部分，直接關(guān)系著電動(dòng)類型汽車的運(yùn)行安全及駕駛者的人身安全。對(duì)此，深入研究純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部高壓電氣整體架構(gòu)，有著一定現(xiàn)實(shí)價(jià)值及意義。

1? 系統(tǒng)配置

依據(jù)純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部電路特性和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行合理、安全的各項(xiàng)保護(hù)措施有效設(shè)定，對(duì)于保證駕乘人員及汽車設(shè)備運(yùn)行安全來說至關(guān)重要。為確保高壓電的安全性，務(wù)必要系統(tǒng)化的規(guī)范和設(shè)計(jì)高壓電的防護(hù)。純電動(dòng)類型汽車，其內(nèi)部所含零部件較多，且均由高壓的直流電實(shí)現(xiàn)能量供給，能夠結(jié)合高壓部件功率、工況實(shí)現(xiàn)有效的集成化處理。純電動(dòng)類型汽車，其內(nèi)部高壓部件具體構(gòu)成包括：電動(dòng)控制裝置、電動(dòng)加熱裝置、電動(dòng)控制的壓縮裝置、車載式充電器、直流式轉(zhuǎn)換器、直流式充電口等。高壓電氣總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，往往與高壓部件集成化、整車中布置位置與控制策略密切限量。高壓電氣科學(xué)合理的一個(gè)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多部件集成，促使高壓導(dǎo)線、高壓的連接器、高壓的接觸器等實(shí)際用量，還可防止各種安全隱患出現(xiàn)，更可以達(dá)到整車成本有效節(jié)約的目的[1]。

2? 架構(gòu)總體設(shè)計(jì)

2.1 基本原則

純電動(dòng)類型汽車，其高壓電的系統(tǒng)功能主要包含著傳輸整車系統(tǒng)的動(dòng)力電能，還有實(shí)時(shí)化檢測(cè)整車的高壓系統(tǒng)絕緣故障、高壓故障、接地故障及短路故障等等。動(dòng)力電池各種相關(guān)高壓的元器件，包括所有回路保險(xiǎn)絲、接觸器，均集成于動(dòng)力型電池包中。該動(dòng)力電池，屬于純電動(dòng)類型汽車儲(chǔ)存能量的一種裝置，會(huì)受到整車布置實(shí)際位置與尺寸所影響，在空間上備受限制。為促使動(dòng)力電池實(shí)際能量能夠得到增加，需盡可能將動(dòng)力型電池包減少，除了電池單體、模組以外其余零件數(shù)量的合理化匹配，還應(yīng)當(dāng)保證電池單體、模組實(shí)際布置空間充足，確保動(dòng)力電池整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)便捷，盡量將動(dòng)力型電池包拆卸次數(shù)減少。如下是高壓系統(tǒng)的電氣架構(gòu)總體設(shè)計(jì)原則：一是，所以高壓部件均應(yīng)當(dāng)設(shè)有供電獨(dú)立控制模塊，保證不運(yùn)行部件處于不帶電狀態(tài);二是，各個(gè)高壓部件保險(xiǎn)絲盒和動(dòng)力電池整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)予以隔離設(shè)置，防止更換或者檢修保險(xiǎn)絲情況下，會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)產(chǎn)生影響;三是，工作特性比較接近的一些部件，應(yīng)當(dāng)共用接觸器，以確保接觸器實(shí)際用量能夠減少;四是，功率等級(jí)比較接近的相應(yīng)部件，保險(xiǎn)絲應(yīng)當(dāng)共用，盡可能將保險(xiǎn)絲實(shí)際用量減少。并且，還應(yīng)當(dāng)盡可能地將動(dòng)力電池的系統(tǒng)內(nèi)部電氣接口實(shí)際使用數(shù)量減少。如下為純純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部高壓部件的運(yùn)行工況：DC Charger，在純電動(dòng)類型汽車行駛期間處于不工作狀態(tài)、停車下電條件下處于不工作狀態(tài)、直流充電期間不工作、交流充電期間工作、一般的功率等級(jí)即為≥20.0k/W;On-board Charger在純電動(dòng)類型汽車行駛期間處于不工作狀態(tài)、停車下電條件下處于不工作狀態(tài)、直流充電期間工作、交流充電期間不工作、一般的功率等級(jí)即為≤3.3k/W;DC/DC在純電動(dòng)類型汽車行駛期間處于工作狀態(tài)、停車下電條件下可處于工作/不工作狀態(tài)、直流充電期間工作、交流充電期間工作、一般的功率等級(jí)即為≤3.0k/W;Compressor和PTC，在純電動(dòng)類型汽車行駛期間可處于工作/不工作狀態(tài)、停車下電條件下可處于工作/不工作狀態(tài)、直流充電期間可處于工作/不工作狀態(tài)、交流充電期間可處于工作/不工作狀態(tài)、一般的功率等級(jí)即為≤5.0k/W;MCU零部件在純電動(dòng)類型汽車行駛期間處于工作狀態(tài)、停車下電條件下不工作、直流充電期間不工作、交流充電期間不工作、一般的功率等級(jí)即為≥30.0k/W[2];

通過分析以上數(shù)據(jù)，結(jié)合高壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則，能夠獲取6個(gè)優(yōu)化實(shí)施方案，即為：①DC/DC、On-board Charger、PTC、Compressor，它們?cè)诠β逝c工作特性方面較為相似，可實(shí)現(xiàn)靈活的集成化處理，保險(xiǎn)絲和接觸器可共用，也可共用動(dòng)力型電池包的連接口;②DC Charger、MCU二者功率等級(jí)差異性較小，保險(xiǎn)絲可共用;③DC/DC、On-board Charger，二者都屬于開關(guān)電源型產(chǎn)品，能夠由相同供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)開發(fā)與集成，可實(shí)現(xiàn)電氣分配的單元功能集成，對(duì)Compressor / PTC實(shí)現(xiàn)電能供給，無線進(jìn)行集成分線盒的開發(fā);④整車上面布置高壓的零部件期間，可選定相鄰位置放置，盡可能將高壓線束的長(zhǎng)度縮短，針對(duì)純電動(dòng)類型汽車，約30%線束方面的成本可實(shí)現(xiàn)有效降低;⑤MCU，它與行車安全之間關(guān)系密切，功率較大，不適合與其余部件實(shí)現(xiàn)集成化;⑥直流充電式接口導(dǎo)線的線徑和其余部件具有著不兼容性，因此，不適合集成化處理[3]。

2.2 功能要求

純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部高壓部件，以充電部件、電力電子、電驅(qū)、電池等為主。電池，屬于高壓系統(tǒng)總能源，主要是為電力電阻與電驅(qū)供給能量。而充電系統(tǒng)，內(nèi)含快充、慢充，對(duì)電池實(shí)現(xiàn)能量供給。高壓部件科學(xué)方案與集成化設(shè)計(jì)，對(duì)于高壓系統(tǒng)內(nèi)部接插件、熔斷絲、繼電器及導(dǎo)線數(shù)量可起到良好優(yōu)化作用。高壓架構(gòu)總體需要滿足于高壓運(yùn)行安全方面的需求，應(yīng)當(dāng)具備線路保護(hù)、繼電器的監(jiān)測(cè)、預(yù)充電、絕緣監(jiān)測(cè)、主被動(dòng)式放電、高壓互鎖等各種功能，科學(xué)合理化的設(shè)計(jì)，能夠充分滿足于安全運(yùn)行需求，促進(jìn)成本實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化[4]。

2.3 設(shè)計(jì)輸入

高壓架構(gòu)總體總體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以整車的性能與系統(tǒng)運(yùn)行安全方面的要求為主，整車的性能主要包含著熱系統(tǒng)的用電功耗、低壓的用電功耗、充電時(shí)間、續(xù)航路程、加速等等。整車性能各項(xiàng)要求，經(jīng)計(jì)算仿真分析后，便可將高壓式動(dòng)力電池的電壓范圍、快慢充的功率、電機(jī)功率、電池總體能量、額定的輸出電壓等確定下來，還可以將Heater、ACCM、PTC、DC/DC等這些高壓部件實(shí)際功率確定下來。

2.4 方案設(shè)計(jì)

①驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)策略是選用電機(jī)控制裝置與電機(jī)集成，三相獨(dú)立線束可省去。在前期，針對(duì)驅(qū)動(dòng)單元，通過電池的出線方面的深入研究，可了解到因功能安全方面要求，充分考慮到電池包的開蓋維修、熔斷絲的失效風(fēng)險(xiǎn)、總體成本等各方面因素，確定該驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)當(dāng)直接從內(nèi)部電池處出線，并在IPE內(nèi)增設(shè)熔斷絲一路保護(hù)。

②充電系統(tǒng)方面。設(shè)計(jì)充電系統(tǒng)期間，針對(duì)快/慢充系統(tǒng)功能，因IPE集成了OBC，該慢充接口處應(yīng)當(dāng)與IPE實(shí)現(xiàn)直接連接;快充連接著電池部分，應(yīng)當(dāng)經(jīng)BDU當(dāng)中繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池模組的電能供給。

③電池方面。電池內(nèi)部應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)BDU集成，快充繼電裝置和主正負(fù)繼電裝置并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)快充與驅(qū)動(dòng)的有效切換。充分考慮到安全及成本方面因素，以低壓的MSD來替代傳統(tǒng)高壓的MSD設(shè)計(jì)方案。

④零部件方面。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總成本與空間方面最優(yōu)化，選用電池集成化BDU、PDU與OBC集成、DC/DC、電機(jī)與電機(jī)控制裝置集成，以實(shí)現(xiàn)高度集成所有零部件，達(dá)到成本與空間不足最優(yōu)化效果。

2.5 安全設(shè)計(jì)

①在放電和絕緣監(jiān)測(cè)方面。經(jīng)電機(jī)控制裝置和電機(jī)的主動(dòng)放電，5S的系統(tǒng)電壓可實(shí)現(xiàn)自300V逐漸降至60V、甚至更低，確保人員觸電方面的安全性。高壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)當(dāng)中，設(shè)有主被動(dòng)式絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能，能夠進(jìn)行上電、下電期間系統(tǒng)絕緣的實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，確保絕緣失效情況下，及時(shí)作出故障報(bào)警與斷電保護(hù)動(dòng)作[5]。

②在高壓線路的保護(hù)方面。高壓線路內(nèi)設(shè)線路保護(hù)系統(tǒng)功能，經(jīng)熔斷絲的保護(hù)動(dòng)作，及時(shí)斷開線路過流。

③在高壓母線的紋波和UCG設(shè)計(jì)方面。借助軟件仿真系統(tǒng)，通過對(duì)于直流母線處于不同頻域條件下電壓波紋的綜合分析后可了解到，通過高壓母線的紋波和UCG合理化設(shè)計(jì)，保證高壓各個(gè)部件能夠維持正常運(yùn)行狀態(tài)，非受控的再生制動(dòng)條件下，最高反向的電動(dòng)電壓可以得到保證，保證電機(jī)控制裝置交流側(cè)與直流母線的零部件不會(huì)受其影響，可維持正常、安全的工作狀態(tài)。

④在預(yù)充設(shè)計(jì)方面。BDU內(nèi)設(shè)預(yù)充回路，處于200-300ms的時(shí)間范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)高壓回路至正常的高壓值整體預(yù)充，為系統(tǒng)的上電安全提供保障。

3? 結(jié)語

綜上所述，本文先分析了純電動(dòng)類型汽車內(nèi)部高壓電氣的系統(tǒng)整體配置情況，明確設(shè)計(jì)原則、分析具體的功能需求，通過高壓架構(gòu)的方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，提出全新的高壓架構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案，經(jīng)集成化設(shè)計(jì)方案及最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成本可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，此方法可充分滿足于系統(tǒng)各項(xiàng)功能及安全性需求，成本較低，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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