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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
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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