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新能源汽车小三电系统(PDU+DC+OBC)技术研究

2020-10-20 23:44:11·  来源:《天际汽车科技集团有限公司》  
 
0 引言近几年,在国家政策的支持下,新能源汽车产销量保持了较快增长,随着规模效应,国家逐步降低对新能源汽车的补贴,新能源行业也启动新一轮优胜劣汰,对于新
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近几年,在国家政策的支持下,新能源汽车产销量保持了较快增长,随着规模效应,国家逐步降低对新能源汽车的补贴,新能源行业也启动新一轮优胜劣汰,对于新能源整车企业,成本压力越来越大。新能源汽车发展时间较短,零部件质量,软件质量也是整车开发的难点。

针对这些问题,确定了小三电的技术方案:将主正、负接触器从PDU中移到动力电池内部,PDU只为PTC、EAC、无线充电等较小功率的高压电器配电;把车载充电和和DCDC变换器的功率模块和控制模块拆分,功率模块由具备丰富经验的电源生产企业设计生产,控制模块的软、硬件由整车企业设计生产,整车企业定义控制模块和功率模块的接口。

这种方案把既要满足汽车行业规范要求,又要满足电源规范要求的复杂车载充电机、DCDC做了简化成为功率模块和控制模块;功率模块只需要满足电源相关规范,有更多工业电源厂家可以进入,有利于实现规模化,产品质量也得到保证;控制模块的功能集成在VCU或是域控制器内,整车企业可利用成熟的软件开发流程,设计解决复杂的充电系统逻辑,从而减少了与充电机供应商的沟通成本,大大提高的软件可靠性。

1 技术分析及企业调研

欣锐科技、威迈斯、杭州富特三家国车载电源企业,占国内68%的市场份额,32%的份额被其它车载电源企业瓜分。特斯拉和国内的如广汽、吉利、蔚来、奇瑞等各家的技术方案各不相同。小型化、集成化、高功率密度化就市场需求的方向,把小三电成为更利于规模化的产品的企业,将会在下一轮竞争中胜出。

1.1 车载充电机和DCDC的技术方案

电动汽车的OBC主要由功率电路(PFC+移相全桥/LLC)和控制电路组成,可分为单向OBC和双向OBC,单向OBC只能给动力电池充电,双向OBC可以把动力电池的直流电逆变成为家用220V交流电。OBC+DCDC磁集成,如图1所示。OBC、DC共用控制电路、DC输出全桥电路、DC输出滤波电路,能够降低成本,减小体积。

 
OBC和DC总成在整车上动用难度和工作量很大,逻辑单片机外围电路需要满足ISO16750相关的要求,逻辑功能要匹配整车进行调整定义,充电机的状态机定义,充电上、下电时序,电子锁控制及检测电路与整车的电子锁的驱动方式及验证。使单件和软、硬件研发成本高昂。

1.2 高压配电盒方案分析

高压配电盒即PDU,由于PDU与整车电气布置相关,每个车型的PDU都有差异,所以PDU难以形成标准品。市场上主流方式有两种:一种是针对具体车型定制开发PDU产品;另一种方式是将PDU功能集成到其他零部件中,如针对具体车型定制开发OBC+DC+PDU多合一产品。

特斯拉把PDU集成到动力电池中,整车少了PDU这个零件,减少了开发成本;比亚迪E5把OBC,DCDC,电机控制器,动力电池继电器,配电等部集成在一起;吉利与比亚迪比起来,PDU中少了电机控制器。
综合多家整车企业的PDU方案,成本最优靠性最好的特斯拉,国内整车企业的整合能力达不到特斯拉的水平,但有一定的改进空间。

1.3 充电系统控制分析

国家标准化管理委员会在2015年12月发布了GB/T18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求,定义了充电接口原理和时序,于2017年10月发布了GB/T34657.2-2017电动汽车传导充电互操作性测试规范第2部分:车辆。

 
国标建议的控制引电电路原理如图2所示,解决新能源汽车和充电桩的充电兼容性,但是整车内部实现的方案却各有不同。检测点2、3的检测电路有放在充电机、BMS、整车控制器内部,这就要求OBC的零件生产企业要设计多种电路来匹配不同整车企业的需求,软件策略也同样需要调整,从行业高度分析,不利于降低开发及单件成本。

1.4 调研分析小结

新能源汽车的核心零件可分为三部分:动力电池,电驱(电机控制器,电机,减速器),小三电(PDU+DC+OBC);原因每一部分的技术与其它部分相对独立,且有整合提升空间。

不同车型小三电的组合方式不同,PDU原理不同,连接器不同,功率需求不同,控制引导电路实现方式不同,导致不能通过规模化降低成本。因此,如何把小三电有机分解易于规模化是行业研究的重点和难点。

2 小三电技术方案

2.1 高压配电盒方案

 
设计小三电中PDU的方案之前,首先是整车的高压原理,如图3所示,主正、负接触器集成在动力电池内部,优点在于安全,集成在BDU内部,可以模块化。

电驱与直接连接不通过PDU,优点是避免了电驱与其它高电压器间的电磁干扰,行车过程中,电驱会产生较大的干扰,可能影响到压缩压机控制器,DCDC等。其它的高压电器连接PDU,这样PDU与动力电池的电缆只需要用到6mm2,大大降低高压电缆的成本。

小三电的故障率较低时,便可以跟特斯拉一样做到动力电池内部。

2.2 小三电的硬件方案

车载电源与民用电源的差别在于应用环境和参考标准不同,OBC与DCDC需要低电压控制器的标准,如EMC需满足CISPR25的Class3,同时OBC又属于连接低压供电系统的设备,需满足CISPR16的ClassB,零件供应商须精通两个领域的技术,设计难度很大,相当于设置了一个很高的门槛,只有很少几个供应商可以做好,对提升行业技术能力不利。

如果把OBC的功率模块和控制模块分开是不是可行,功率模块的电性能参考连接低电压供电系统设备,结合整车对振动试验如ISO16750-3要求;控制模块同时整车低压系统和功率模块交互,控制模块的功能可以集成在VCU中,控制模块用于对功率模块的控制,如功率模块的开关控制、输出功率控制、诊断功能、对控制模块的保护功能、热管理、与整车交互的功能软件等,控制模块的软件由车载控制器软件开发经验丰富的整车来做,如果功能上可以实现,那么把复杂的OBC和DCDC分解成,功能单一的功率模块和控制模块(集成于VCU)成为可能。

 
按上述思路,我们在现在的小三电的OBC部分和VCU做了改制,把OBC原有的,CC、CP电路,电子锁驱动及检测等硬件及功能屏蔽,只留了以下硬件接口,参见表1所示,更改后的充电机总成参见图4所示。
VCU为自主设计,已经预留了CC、CP检测,电子锁驱动及状态检测等功能,唯一需要增加的是由VCU与功率模块的功率使能信号,VCU如图5所示。

 
2.3 软件方案

OBC的软件包括三个功能,一是ACDC变换及基本的自我保护功能,二是把状态信号报给VCU,VCU做诊断,三是通过CAN和Enable硬线实现开关功能。

 
上、下电逻辑如下:CP唤醒VCU后,VCU通过CAN唤醒OBC,VCU检测CC和CP的状态正常后闭合S2,此时充电桩输出交流220V,VCU给出OBC功率控制高电平,OBC根据VCU给出的电压、电流请求正常输出。当充电完成或是充电故障,VCU拉低功率使能信号,OBC停止输出,之后整车走休眠流程,具体流程图参见图6所示,由于流电子锁控制较简单不是核心内容,程图不体现。

3 实车测试结果

完成小三电中OBC部分、VCU、低压线束的更改之后,进行了整车联调,调试过程中遇到的按下充电枪按钮S3交流输入电流不能在100ms内降为0的技术难点;

国标要求:“判断开关S3由闭合变为断开(状态B),则车辆控制装置控制车载充电机在100ms内停止充电,然后断开S2。”对于带有CC、CP检测能传统OBC都能实现,但对于CC、CP由VCU检测的小三电系统是非常大的挑战,调试时,只能达到200ms满足不了国标要求。本人提出解决方案:

(1)将Enable硬线信号,由原方案中的唤醒功能改为功率输入的使能功能;VCU检测到CC为半连接,立即将Enable拉低;OBC检测到Enable低电平,即停止OBC输出,取消原方案中下电软关断,再关闭PFC部分。

(2)硬件信号检测优化,VCU检测CC半连接和OBC检测Enable硬线信号的debounce(防抖动)时间由之前的50mS减少到10mS。

(3)软件策略优化,把VCU对OBC的开关控制信号只用作正常下电时的关断控制,S3半连接时不通过此开关信号控制。经过两周的调试,最终实现充电功能,上、下电时序如图7所示。

 
4 结论

国家通过政策支持新能源汽车快速发展了近十年,汽车产销量已达到100万辆以上,通过对整车企业和小三电供应商的调研和技术分析,我们发现各家的技术方案差异较大,不利于规模化降低成本和可靠性;为解决这个问题,我们提出将复杂的车载电源,分解成功率模块和控制模块,功率模块可以交给电源企业设计生产,类似于直流充电桩的电源模块,控制模块由VCU替代。

在现有的小三电产品上更改的OBC的电路和软件,并装车验证,上、下电时序符合整车的功能性能要求,功能验证可行,将OBC的硬件电路改进,去掉多余的部分,再进行全面的DV试验验证。
 
 
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