電動汽車充配電系統設計

羅士鋒

上汽集團商用車技術中心 上海 200438

引言

隨著電動汽車補貼的退坡，如何降低整車成本成為各主機廠高度關注的問題，車載充電機（On Board Charger 下文簡：OBC）、DC/DC變換器(下文簡稱DC/DC)、高壓配電箱(High Voltage Distribution Unit 下文簡稱PDU)為電動汽車不可或缺的高壓零部件，市場發展較為成熟，單獨降本空間較小，高度集成化成為降本的有效途徑。本文詳細介紹了OBC、DC/DC集成原理，及與PDU集成設計，并對集成系統進行仿真測試，結果表明本文設計的充配電集成系統，滿足整車技術要求，并有效降低整車成本、減少整車重量。

圖1 集成系統總成圖

1 充配電系統介紹

如圖1所示，本文設計的充配電系統包括：高壓配電箱、OBC、DC/DC。其中，OBC與DCDC共用PCB板，共用冷卻水道，三個模塊之間通過銅排連接。

2 OBC與DC/DC集成模塊設計

2.1 OBC與DC/DC集成原理框圖

本文設計的集成系統中OBC與DC/DC共用PCB板，并且DC/DC的輸入與OBC的輸出共用功率器件。OBC部分采用二級變換拓撲結構，前級AC/DC模塊采用Boost型APFC電路，提高功率因數和降低輸入電流中的諧波對電網的影響，并為后級DC/DC電路供應恒定的高精度低紋波高壓直流電；后級DC/DC模塊采用隔離式PS-ZVS-PWM逆變電路，并使功率MOS管器件實現零電壓導通與關斷，從而提高了功率變換的效率，除此之外，還為動力電池提供一個寬輸出電壓范圍、低紋波的高精度直流電。見圖2所示，OBC部分主要由主功率、控制與保護和輔助管理三部分構成。主功率部分主要由EMI抑制器、整流橋、Boost型APFC電路、全波整流和LC濾波構成，控制和保護部分主要由輸入交流模塊、Boost型APFC電路模塊和DC/DC模塊的電壓電流檢測與保護電路以及DSP控制器組成，輔助管理部分主要由輔助電源、CAN-BUS通訊組成。在三個部分的協調工作下，實現把交流電轉成滿足動力電池電壓分為的穩定高精度直流電。

圖2 OBC與DC/DC原理框圖

2.2 OBC與DC/DC技術參數

整車動力電池容量為53kWh，電壓范圍為268.8-408V；整車低壓負載總用電量為2.231kW，12V低壓平臺。根據整車參數選定的OBC與DCDC規格及主要技術參數如表1所示。

表1 OBC與DCDC規格及主要技術參數

續表

2.3 OBC充電方式

本文設計的OBC采用三段式充電法，在充電初期電池端電壓較低，可以采用恒流充電以提高充電速度，當電池電壓達到額定最大值時，轉為恒壓充電，從而避免過充，最后采用浮充充電使電池達到滿充狀態，充電電流小于最小充電閥值時，充電過程結束。

圖3 充電曲線

2.4 保護功能

為保護整車安全，設計OBC與DCDC具有自我保護功能，主要保護功能見表2所列。

表2 OBC與DCDC保護功能

3 高壓配電模塊設計

3.1 高壓配電架構

根據整車架構，設計高壓配電架構，如圖4所示，高壓配電模塊包括MCU繼電器、快充繼電器、快充熔斷器、附件熔斷器、開蓋互鎖開關。

圖4 高壓配電架構圖

3.2 高壓繼電器的選型

以MCU繼電器為例介紹繼電器選型，根據動力電池額定電壓350V，選定額定電壓為450V的繼電器，驅動方式為12V/0V電平驅動控制。因此選定某品牌型號為EVC175的繼電器。

3.3 高壓熔斷器選型

熔斷器電壓確定：根據電池最高電壓及OBC的輸出過壓保護點465VDC，選擇額定電壓為500VDC的熔斷器。

熔斷器電流確定（以快充熔斷器為例）：熔斷器的額定電流需降額75%，工作溫度大于40℃時，溫度每升高10℃再降額4.5%。按照公式3-1計算選定快充熔斷器額定電流400A。

其中：

I—快充電流180A；

Tmax—最高環境溫度；

T1—常溫；

4 集成方案設計驗證

4.1 OBC與DC/DC輸出特性

如圖5所示，OBC最大輸出電壓為450V，最小輸出電壓為240V，最大輸出電流為23A，滿足設計要求；當冷卻水溫小于65℃時OBC滿功率輸出6.6kW，大于65℃時成比例降額，直至85℃時降為0并關機保護，輸出特性如圖。

圖5 OBC輸出特性

如圖6所示，DCDC最大輸出電壓為15V，最小輸出電壓為9V，最大輸出電流為186A，滿足設計要求；當冷卻水溫小于65℃時DCDC額定功率為2.5kW，大于65℃時成比例降額，直至85℃時降為0并關機保護，輸出特性如圖6所示。

圖6 DC/DC輸出特性

4.2 繼電器吸合特性驗證

為驗證上文選定的繼電器能否在整車環境下正常工作，進行如表3功能測試。

表3 繼電器功能測試

4.3 結構仿真

集成系統殼體材料選用ADC12，材料參數見表4所示，為驗證集成系統能否滿足整車強度要求，對集成系統進行振動、沖擊仿真分析。

表4 殼體材料參數

隨機振動：采用RMS=10g的振動功率譜進行隨機振動分析，振動方向為X、Y、Z三個方向。

沖擊分析：采用峰值50g，持續時間6ms的半正弦波加載，沖擊方向為X、Y、Z三個向。

測試結果見表5：

振動分析顯示各結構應力均小于材料抗拉強度的20%，結構滿足振動耐久要求。

沖擊分析顯示各結構應力均小于材料屈服強度，結構滿足沖擊要求。

表5 結構測試結果

5 結論

本文研制的電動汽車充配電系統，將傳統的OBC、DC/DC、PDU集成在一個殼體內，可降低約10%的重量。并且OBC與DC/DC共用一個PCB板，降低整車成本。試驗結果表明，OBC、DCDC均可正常工作，并滿足功率、效率要求，繼電器正常吸合，滿足整車要求。