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)對電池系統(tǒng)的防護(hù)等級產(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，它們在功率與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度縮短，針對純電動(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、預(yù)充電、絕緣監(jiān)測、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，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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