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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。
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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