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纯电动汽车高压电气架构研究

2020-05-28 00:07:27·  来源:EDC电驱未来  作者:李军亮  
 
1 纯电动汽车高压电气架构功能要求图1 高压电气原理图纯电动汽车高压部件包括电池、电驱、电力电子及充电部件。如图1所示,电池是整个高压系统的能源,为电驱及
1 纯电动汽车高压电气架构功能要求


图1 高压电气原理图

纯电动汽车高压部件包括电池、电驱、电力电子及充电部件。如图1所示,电池是整个高压系统的能源,为电驱及电力电子部件提供能量。充电系统包括慢充和快充,为电池提供能量。合理的高压部件方案及集成设计,可以优化整个高压系统的导线、继电器、熔断丝及接插件数量。另外,整个高压架构需满足高压安全要求,高压互锁、主被动放电、绝缘监测、预充电、继电器监测和线路保护等功能,合理的设计可满足安全的需求并实现成本的最优。

2 高压电气架构设计

2.1 高压架构设计输入

高压架构设计要求包括整车性能及系统安全要求,整车性能包括加速、续航里程、充电时间、低压用电功耗及热系统用电功耗等。根据整车性能相关需求,通过计算仿真确定高压动力电池电压范围,额定输出电压,电池总能量,电机功率,慢充及快充功率,DC/DC、PTC、ACCM、Heater等高压部件功率。表1是根据整车性能要求仿真的直流母线瞬态电流信息,供导线及熔断丝选型设计。

表1 直流母线瞬态电流


2.2 典型纯电动汽车高压电气架构分析

图2是产品车A高压拓扑图,整个高压系统通过HPDM模块实现高压能量的分配,各模块相对独立,无集成设计。优点:满足系统安全要求,由于各模块独立设计,可实现独立控制和诊断。缺点:系统成本高,各模块需要独立高压线束连接及熔断丝保护;增加整车布置空间及整车质量。


图2 产品车A高压拓扑图

2.3 高压架构方案设计

1)高压零部件整体设计策略。为保证整个系统成本及空间的最优,采用电池集成BDU、电机控制器和电机集成、DC/DC、OBC及PDU集成的整体设计方案。如图3所示,这种方案实现了零部件高度集成、空间布置及成本最优化。

2)驱动系统设计策略。驱动系统采用电机和电机控制器集成的设计策略,省去独立的三相线束。前期进行了驱动单元直接从电池出线的方案研究。由于功能安全要求,驱动单元直接从电池出线,IPE需增加一路熔断丝保护,最终从成本、熔断丝失效风险和电池包开盖维修风险等因素综合考虑采用Option1。DU接口分析如表2所示。


图3 高压拓扑图

表2 DU接口分析

3)充电系统设计策略。充电系统设计快慢充功能,由于IPE集成OBC,慢充接口直接连接IPE;快充连接电池,通过BDU内部继电器给电池模组充电。

4)电池设计策略。电池内部集成BDU,主正负继电器和快充继电器并联实现驱动和快充切换。基于成本和安全综合考虑,采用低压MSD代替传统高压MSD的方案。

对比图2产品车A高压拓扑图,该方案优点是采用了电驱及IPE的集成设计方案,高压零部件成本降低,另外节省了高压导线及接插件数量,降低了整车布置空间及整车质量。

2.4 高压架构系统安全设计

1)放电及绝缘监测设计策略。通过电机控制器加电机主动放电实现5S系统电压从300V降低到60V以下,保证人员触电安全;整个高压系统设计有主被动绝缘监测功能,实现上电和下电时的系统绝缘监测,确保绝缘失效时的故障报警及系统断电保护。

2)预充设计策略。BDU内部设计有预充回路,在200~300ms时间内预充整个高压回路到正常高压值,确保系统上电安全。

3)高压线路保护策略。每个高压线路设计有线路保护功能,通过熔断丝保护,确保线路过流断开。

4)高压母线纹波及UCG设计要求。通过软件仿真分析整个直流母线上不同频域的电压纹波,确保所有高压部件工作正常。另外通过软件分析非受控再生制动下的最高反向电动势电压,确保直流母线零部件及电机控制器交流侧不受影响。

3 结论

本文首先通过分析纯电动汽车高压架构功能要求,对比目前典型纯电动汽车高压电气架构。通过高压架构方案设计和高压架构系统安全设计两方面,提出了一种全新高压架构设计方案,通过集成化的设计方案和最优的拓扑设计结构,实现成本最优并满足系统安全要求。研究表明,此方案满足系统功能和安全要求,空间布置简单且质量降低,系统成本低,可实现平台化推广。 
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