新能源客車高壓附件集成控制器開發

朱正禮，周紅麗

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 引言

隨著環保及節能要求的提高，新能源客車應用越來越廣泛。依據類型、長度和配置等劃分，新能源客車有不同的分類，如按類型可分為純電動客車、混合動力客車和燃料電池客車等；依據長度劃分，有特大型、大型、中型和小型；依據配置可分為高三級、高二級、高一級、中級和普通級[1]。新能源客車高壓系統除了驅動系統、儲能系統外，還包含種類繁多的附件系統，如慢充接口、快充接口、BDU(電池高壓盒)、PDU(高壓配電盒)、MCU(電機控制器)、驅動電機、DCDC、油泵DC/AC、轉向泵、氣泵DC/AC、空壓機、空調和除霜器等。新能源客車亟需在統一高壓電氣架構基礎上，設計開發平臺化高壓電氣部件，以提高整車安全性能，降低整車設計復雜度，減少整車重量，并優化整車成本。

1 高壓附件集成控制器開發

1.1 平臺化高壓電氣架構設計

新能源客車作為公共交通工具，充電是在專門的停車場由專人負責，安全檢查更頻繁，對安全性、可靠性的要求更高。因此，本文基于需要共同遵循的一些設計原則[2-5]及安全標準[6-7]設計了平臺化高壓電氣架構，能夠滿足：

a.涵蓋6～18 m不同長度車型的功率和配置需求。

b.純電動、混合動力及燃料電池不同車型的配置需求。

c.能源部件不同安裝位置的要求，如動力電池頂置、底置和后艙布置等。

d.盡可能減少高壓電氣接口的數量。

e.在滿足充電安全的前提下，盡可能減少專業充電人員的操作。

f.高壓部件的檢修及更換需要更便于維修人員操作。

如圖1所示，平臺化高壓電氣架構特點在于：

圖1 新能源客車平臺化高壓電氣架構

a.獨立的充電控制策略。整車充電時，DCDC接觸器和預充電路工作，整車上其他的電氣部件不工作，提高了主接觸器和預充電路壽命及整車充電安全性，降低了能耗；同時，充電時不需要閉合整車低壓電源總開關，減少了充電操作步驟，并避免了充電后未斷開電源總開關而導致蓄電瓶虧電的風險。

b.高壓附件集成控制策略。PDU、DCDC、油泵DCAC、氣泵DCAC和除霜控制集成為1個高壓附件集成控制器ACU。

c.統一的安全監控策略。ACU采用1塊控制板加多塊功率板的方式集成設計，對外作為1個通信及網絡節點，降低了整車主干網絡復雜度；ACU控制主接觸器及預充電路、DCDC接觸器及預充電路，統一管理整車高壓電氣的上、下電流程，監控所有部件的主動放電過程。

1.2 高壓附件集成控制器硬件設計

ACU是整車高壓電氣架構及附件控制的載體，既需要把來自儲能系統的電能進行分配，同時需要根據各個傳感器及CAN總線上的信號輸入進行決策，控制整車高壓上下電和各個附件執行機構。另外，需要滿足《電動客車安全技術要求》的規定[8]，在高壓系統失效時，需要確保轉向系統的安全。ACU具有如下功能：

a.為各個高壓負載提供高壓配電，包括電機控制器、電空調等。

b.把動力電池電壓轉換為27 V的整車低壓用電(DC/DC功能)。

c.把動力電池電壓轉換為380 V的交流電，驅動氣泵電機工作(氣泵DC/AC功能)和油泵電機工作(油泵DC/AC功能)。

d.用蓄電池驅動低壓轉向油泵工作(低壓轉向冗余功能)。

e.控制高壓除霜器工作(除霜控制)。

f.主接觸器及預充功能。

g.通過急停開關緊急關斷高壓功能。

控制器硬件結構如圖2所示，具有如下幾個特點：

圖2 高壓附件控制器ACU的硬件結構

a.采用主從式硬件結構。主控制板主要功能是：對外作為網絡節點，接收傳感器和開關信號，并交互總線通信信息；對內基于工況及整車控制器的指令信息，控制主接觸器、預充電路完成高壓上下電，并發送指令信息給各從控板來控制外部的油泵、氣泵、除霜及24 V電源輸出。從控制板主要作為執行部分，驅動外部油泵、氣泵、除霜及實現DCDC變換輸出。主從式硬件結構一方面可以適應車輛功能的靈活配置，另一方面保障了整車主干通信網絡安全，對外作為1個網絡節點，內部自組成1個網絡，避免了內部節點通信出現問題，而對整車主干網絡造成不良影響。

b.采用了高、低壓轉向“雙源冗余”功能。一旦高壓系統失效，低壓轉向驅動電路及時進行切換。

c.除霜功率驅動采用IGBT代替接觸器實現。避免了除霜功能關閉時帶載切斷而導致的接觸器損傷。

控制器主控芯片采用ST的SPC560B60L7C6E0X，分別有4路高電壓、電流采集通道，6路CAN通道，10路繼電器驅動；從控芯片采用TI的TMS320F28035，采用32位CPU，7個增強型ePWM模塊；DCAC功率器件選用英飛凌IGBT模塊FS75R12KT4_B15，驅動芯片選用PI SID1152K，DCAC薄膜選用2片法拉板級DC-LINK電容器8 μF/1 000VDC并聯，相電流采樣選用Allegro霍爾IC ACS770LCB-100B-PFF-T，直流側電流采樣使用Allegro霍爾IC ACS724LMATR-30AU-T；電除霜控制IGBT選用IR單管 AUIRG4PH50S，低壓轉向功率MOSFET型號為STP75NF75。

高低壓“雙源冗余”轉向驅動電路結構如圖3所示，高低壓采用相同的使能邏輯電路、不同的驅動電路和功率輸出電路。當高壓轉向需要轉換到低壓轉向時，從控板關閉高壓轉向的硬件發波電路，切換到低壓轉向的發波硬件電路。轉向使能邏輯電路結構如圖4所示，高壓使能和低壓使能在同一時間，只能有1個信號有效，以確保轉向控制的安全。

圖3 高低壓“雙源冗余”轉向驅動電路結構

圖4 高低壓“雙源冗余”轉向使能邏輯電路結構

1.3 高壓附件集成控制策略

1.3.1 主控板與從控板之間的通信及診斷策略

通信與故障診斷共用1路CAN總線，如圖5所示。利用UDS完成ACU的診斷、標定和程序升級工作；UDS請求和應答的報文信息只在診斷、標定和程序升級時才會發出，不影響ACU與整車通信網絡上其他網絡節點的通信。當需要進行程序升級時功能程序跳入引導程序,此時ACU不響應網絡上其他節點的通信，僅進行程序升級。ACU作為網關轉發其內部各個從控板的UDS報文，ACU接收其他網絡節點的通信報文進行邏輯轉換，從而控制其內部各個從控板進行工作。

圖5 主控板與從控板之間的通信及診斷邏輯

1.3.2 整車高壓上下電控制策略

將整車充電時的高壓上下電和非充電時的上下電過程進行分離，流程分別如圖6和圖7所示。

圖6 整車非充電時的上下電流程

圖7 整車充電時的上下電流程

這樣既能滿足整車充電時低壓電子模塊的供電，又能夠防止由于忘記斷開大閘而出現的蓄電池虧電風險；同時，由于整車充電時復用了DCDC模塊，降低了成本和系統復雜性。

1.3.3 轉向高壓下電及“隨動轉向”策略

車輛在行駛過程中一旦出現掉高壓，轉向助力會突然丟失，安全隱患非常大。ACU在軟件上的安全策略是：在整車有嚴重故障需要主動切斷高壓時，只有當車速低于一定值(5 km/h)時才允許切斷高壓；同時，ACU基于轉向“雙源冗余”的硬件配置，在正常工作時，高低壓轉向使能切換邏輯隨時待命，在車速大于5 km/h情況下，如果檢測到高壓轉向出現故障或接收到整車控制器發送的緊急下高壓指令，ACU會在200 ms內完成高壓轉向使能切換到低壓轉向使能邏輯，保證整車轉向安全。

為了降低轉向能耗，ACU基于車輛運行狀態、車速、是否打方向及轉向電機的相電流反饋等輸入，而采取“隨動轉向”策略來實時調整油泵電機的工作轉速，如圖8所示。如在車輛靜止過程中需要轉向時，ACU會控制拉升轉速，提高轉向功率；一旦車輛行駛在較高的車速(如20 km/h)時，整車的轉向功率需求降低，ACU會調整降低油泵轉速；整車在直線行駛不需要轉向時，ACU會控制油泵工作在一個較低的轉速；如在駐車過程中，不需要油泵工作時，ACU會暫停油泵工作，通過上述措施來實現轉向功耗降低。

圖8 “隨動轉向”控制邏輯

1.4 高壓附件集成控制器結構設計

ACU外形結構設計主要考慮在整車上裝配、拆卸、高低壓線束敷設、水管敷設布置的合理和便捷性，以及更換線束、保險、拆裝緊固件等的維修接近性。ACU內部結構采用4層腔體，從上到下分別為：腔體a，包括繼電器、熔斷器等主控板等；腔體b，包括氣泵DC/AC、油泵DC/AC的驅動和功率板；腔體c，即冷卻水道；腔體d，即DCDC功率模塊。將腔體b和腔體c放置在水道上下兩側，不僅可以同時冷卻，而且還能縮小ACU體積。

ACU內部使用IGBT和變壓器，均會產生較大的熱損失并導致較高的溫度，進而影響ACU的工作性能，甚至失效。通過對內部結構建立模型、網格劃分、設置邊界條件及載荷后，在整車要求ACU最小水流量15 L/min情況下，對ACU內部各高溫點進行溫度場和流場分析。圖9為不同部件的溫度云圖，圖10為壓力云圖，圖11為速度流線圖。由仿真可知：在入水口冷卻液溫度為70 ℃時，DCDC底板最高溫度75.1 ℃，IGBT底板最高溫度84.2 ℃(對應箱體熱阻約為0.058 ℃/W)；出水口冷卻液溫度70.8 ℃，相對入口溫升約為0.8 ℃；整體流動性很好，出入口壓力損失約為2.091 kPa，流阻大小為8.36×106N·s·m-5，滿足設計需求。

圖9 溫度云圖

圖10 壓力云圖

圖11 速度流線圖

1.5 高壓附件集成控制器安全設計

ACU采用如下安全設計來保障整車的高壓安全：

a.集成架構減少硬件故障點。首先是預充回路及主接觸器配置在ACU內部，且由ACU執行控制，避免由于線束、接插件等故障而引起接觸器故障，減少了非預期的高壓下電故障，降低成本的同時減少線束故障點達15個，約降低50%的硬線故障點。

b.提升接觸器壽命。在預充回路的前、后端電壓采用相同的采樣電路和精度來檢測，采樣誤差值可降低20～50 A，避免了采樣誤差過大而對接觸器造成電流沖擊，可以極大地提高接觸器的壽命。

c.消除帶載切斷而導致接觸器粘連風險。針對高壓除霜器PTC為帶載切斷的特點，ACU采用IGBT實現除霜功率輸出，由于IGBT帶載關閉的特性優于接觸器，消除了接觸器粘連的隱患。

d.通過計算、仿真等手段實現電氣間隙、爬電距離和X/Y電容的匹配等關鍵點，使ACU的絕緣電阻在1 000 V直流電壓下不低于30 MΩ。

2 試驗驗證與分析

對設計開發的高壓附件控制器進行了臺架及整車搭載試驗。在環境溫度為85 ℃、入水口溫度為75 ℃的條件下進行滿負荷測試，ACU臺架的熱平衡試驗結果如圖12所示。

圖12 ACU熱平衡試驗

試驗結果表明，ACU內部各高溫測試點溫度均在報警限值以下，完全能夠滿足設計指標要求。

表1為ACU在公交工況下運行1天的轉向能耗數據(公交工況1圈約19 km)。

表1 公交工況轉向能耗對比

從表1可以看出，基于“隨動轉向”控制策略，在公交工況下，優化后的ACU的轉向功耗降低約30%，可以為整車減少約3 kW·h的耗電量，增加了整車的續駛里程。

采用平臺化高壓電氣架構后的整車后艙布置如圖13所示。

圖13 優化后整車后艙布置

由圖13可知，高壓部件ACU、BDU和MCU布置在后艙，非常便于維護。ACU布置空間減小50%，高壓接點減少15個，減重40%(集成前獨立部件總質量為45 kg左右，而ACU的質量為28 kg)，降低成本4 300多元；同時，從原來裝配多個零件變為只需要裝配1個零部件，提升生產裝配效率300%。

3 結束語

基于平臺化的高壓電氣架構,設計開發了高壓附件集成控制器ACU。通過集成化設計、優化及控制策略，提高了通信的魯棒性，并基于硬件設計及控制策略解決了轉向安全性問題和能耗問題，降低了公交車充電時未斷開大閘而導致的虧電風險。此ACU已經得到了批量應用。