新能源客车高压附件集成控制器开发
新能源客车高压系统除了驱动系统、储能系统外,还包含种类繁多的附件系统,如慢充接口、快充接口、BDU(电池高压盒)、PDU(高压配电盒)、MCU(电机控制器)、驱动电机、DCDC、油泵DC/AC、转向泵、气泵DC/AC、空压机、空调和除霜器等。
新能源客车亟需在统一高压电气架构基础上,设计开发平台化高压电气部件,以提高整车安全性能,降低整车设计复杂度,减少整车重量,并优化整车成本。
1 高压附件集成控制器开发
1.1 平台化高压电气架构设计
新能源客车平台化高压电气架构,应能够满足:
a.涵盖6~18m不同长度车型的功率和配置需求。
b.纯电动、混合动力及燃料电池不同车型的配置需求。
c.能源部件不同安装位置的要求,如动力电池顶置、底置和后舱布置等。
d.尽可能减少高压电气接口的数量。
e.在满足充电安全的前提下,尽可能减少专业充电人员的操作。
f.高压部件的检修及更换需要更便于维修人员操作。
如图1所示,平台化高压电气架构特点在于:
b.高压附件集成控制策略。PDU、DCDC、油泵DCAC、气泵DCAC和除霜控制集成为1个高压附件集成控制器ACU。
c.统一的安全监控策略。ACU采用1块控制板加多块功率板的方式集成设计,对外作为1个通信及网络节点,降低了整车主干网络复杂度;ACU控制主接触器及预充电路、DCDC接触器及预充电路,统一管理整车高压电气的上、下电流程,监控所有部件的主动放电过程。
1.2 高压附件集成控制器硬件设计
ACU是整车高压电气架构及附件控制的载体,既需要把来自储能系统的电能进行分配,同时需要根据各个传感器及CAN总线上的信号输入进行决策,控制整车高压上下电和各个附件执行机构。另外,需要满足《电动客车安全技术要求》的规定,在高压系统失效时,需要确保转向系统的安全。ACU具有如下功能:
a.为各个高压负载提供高压配电,包括电机控制器、电空调等。
b.把动力电池电压转换为27V的整车低压用电(DC/DC功能)。
c.把动力电池电压转换为380V的交流电,驱动气泵电机工作(气泵DC/AC功能)和油泵电机工作(油泵DC/AC功能)。
d.用蓄电池驱动低压转向油泵工作(低压转向冗余功能)。
e.控制高压除霜器工作(除霜控制)。
f.主接触器及预充功能。
g.通过急停开关紧急关断高压功能。
控制器硬件结构如图2所示,具有如下几个特点:
b.采用了高、低压转向“双源冗余”功能。一旦高压系统失效,低压转向驱动电路及时进行切换。
c.除霜功率驱动采用IGBT代替接触器实现。避免了除霜功能关闭时带载切断而导致的接触器损伤。
控制器主控芯片采用ST的SPC560B60L7C6E0X,分别有4路高电压、电流采集通道,6路CAN通道,10路继电器驱动;从控芯片采用TI的TMS320F28035,采用32位CPU,7个增强型ePWM模块;DCAC功率器件选用英飞凌IGBT模块FS75R12KT4_B15,驱动芯片选用PISID1152K,DCAC薄膜选用2片法拉板级DClink电容器8μF/1000VDC并联,相电流采样选用Allegro霍尔ICACS770LCB100BPFFT,直流侧电流采样使用Allegro霍尔ICACS724LMATR30AUT;电除霜控制IGBT选用IR单管AUIRG4PH50S,低压转向功率MOSFET型号为STP75NF75。
高低压“双源冗余”转向驱动电路结构如图3所示,高低压采用相同的使能逻辑电路、不同的驱动电路和功率输出电路。当高压转向需要转换到低压转向时,从控板关闭高压转向的硬件发波电路,切换到低压转向的发波硬件电路。转向使能逻辑电路结构如图4所示,高压使能和低压使能在同一时间,只能有1个信号有效,以确保转向控制的安全。
1.3.1主控板与从控板之间的通信及诊断策略
1.3.2整车高压上下电控制策略
将整车充电时的高压上下电和非充电时的上下电过程进行分离,流程分别如图6和图7所示。
1.3.3转向高压下电及“随动转向”策略
车辆在行驶过程中一旦出现掉高压,转向助力会突然丢失,安全隐患非常大。ACU在软件上的安全策略是:在整车有严重故障需要主动切断高压时,只有当车速低于一定值(5km/h)时才允许切断高压;同时,ACU基于转向“双源冗余”的硬件配置,在正常工作时,高低压转向使能切换逻辑随时待命,在车速大于5km/h情况下,如果检测到高压转向出现故障或接收到整车控制器发送的紧急下高压指令,ACU会在200ms内完成高压转向使能切换到低压转向使能逻辑,保证整车转向安全。
1.4 高压附件集成控制器结构设计
ACU外形结构设计主要考虑在整车上装配、拆卸、高低压线束敷设、水管敷设布置的合理和便捷性,以及更换线束、保险、拆装紧固件等的维修接近性。ACU内部结构采用4层腔体,从上到下分别为:腔体a,包括继电器、熔断器等主控板等;腔体b,包括气泵DC/AC、油泵DC/AC的驱动和功率板;腔体c,即冷却水道;腔体d,即DCDC功率模块。将腔体b和腔体c放置在水道上下两侧,不仅可以同时冷却,而且还能缩小ACU体积。
ACU采用如下安全设计来保障整车的高压安全:
a.集成架构减少硬件故障点。首先是预充回路及主接触器配置在ACU内部,且由ACU执行控制,避免由于线束、接插件等故障而引起接触器故障,减少了非预期的高压下电故障,降低成本的同时减少线束故障点达15个,约降低50%的硬线故障点。
b.提升接触器寿命。在预充回路的前、后端电压采用相同的采样电路和精度来检测,采样误差值可降低20~50A,避免了采样误差过大而对接触器造成电流冲击,可以极大地提高接触器的寿命。
c.消除带载切断而导致接触器粘连风险。针对高压除霜器PTC为带载切断的特点,ACU采用IGBT实现除霜功率输出,由于IGBT带载关闭的特性优于接触器,消除了接触器粘连的隐患。
d.通过计算、仿真等手段实现电气间隙、爬电距离和X/Y电容的匹配等关键点,使ACU的绝缘电阻在1000V直流电压下不低于30MΩ。
2 试验验证与分析
对设计开发的高压附件控制器进行了台架及整车搭载试验。在环境温度为85℃、入水口温度为75℃的条件下进行满负荷测试,ACU台架的热平衡试验结果如图12所示。
表1为ACU在公交工况下运行1天的转向能耗数据(公交工况1圈约19km)。
采用平台化高压电气架构后的整车后舱布置如图13所示。
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