關于純電動汽車高壓電氣架構分析

王大為

摘要：純電動類型汽車，其內部的高壓電氣總體架構設計期間，不但需要著重考慮到整車的成本及各項功能需求，還需要保證系統(tǒng)的運行安全。對此，本文主要采用文獻資料檢索方法及實地調查法，先檢索國內外與純電動類型汽車內部高壓電氣整體架構相關的研究報告、學術論文、圖書雜志、文集文章等等，對相關研究成果進行系統(tǒng)化地梳理及總結分析，并圍繞著純電動類型汽車內部高壓電氣整體架構開展深入研究及探討，再通過實地調查，深入了解純電動類型汽車內部高壓電氣整體架構具體設計情況。本次課題研究可謂是橫跨了電動汽車、電氣等各個領域，需運用到各種學科方法、基礎理論及成果，并從整體入手綜合研究本課題，以保證本次課題研究的客觀性及精準性，望能夠為今后此方面實踐工作的深入研究及有效落實提供指導。

關鍵詞：純電動;汽車;高壓電氣;架構

0? 引言

純電動類型汽車內部高壓電氣，是純電動類型汽車的重要構成部分，直接關系著電動類型汽車的運行安全及駕駛者的人身安全。對此，深入研究純電動類型汽車內部高壓電氣整體架構，有著一定現實價值及意義。

1? 系統(tǒng)配置

依據純電動類型汽車內部電路特性和結構，進行合理、安全的各項保護措施有效設定，對于保證駕乘人員及汽車設備運行安全來說至關重要。為確保高壓電的安全性，務必要系統(tǒng)化的規(guī)范和設計高壓電的防護。純電動類型汽車，其內部所含零部件較多，且均由高壓的直流電實現能量供給，能夠結合高壓部件功率、工況實現有效的集成化處理。純電動類型汽車，其內部高壓部件具體構成包括：電動控制裝置、電動加熱裝置、電動控制的壓縮裝置、車載式充電器、直流式轉換器、直流式充電口等。高壓電氣總體架構設計，往往與高壓部件集成化、整車中布置位置與控制策略密切限量。高壓電氣科學合理的一個架構，能夠實現多部件集成，促使高壓導線、高壓的連接器、高壓的接觸器等實際用量，還可防止各種安全隱患出現，更可以達到整車成本有效節(jié)約的目的[1]。

2? 架構總體設計

2.1 基本原則

純電動類型汽車，其高壓電的系統(tǒng)功能主要包含著傳輸整車系統(tǒng)的動力電能，還有實時化檢測整車的高壓系統(tǒng)絕緣故障、高壓故障、接地故障及短路故障等等。動力電池各種相關高壓的元器件，包括所有回路保險絲、接觸器，均集成于動力型電池包中。該動力電池，屬于純電動類型汽車儲存能量的一種裝置，會受到整車布置實際位置與尺寸所影響，在空間上備受限制。為促使動力電池實際能量能夠得到增加，需盡可能將動力型電池包減少，除了電池單體、模組以外其余零件數量的合理化匹配，還應當保證電池單體、模組實際布置空間充足，確保動力電池整個系統(tǒng)維護便捷，盡量將動力型電池包拆卸次數減少。如下是高壓系統(tǒng)的電氣架構總體設計原則：一是，所以高壓部件均應當設有供電獨立控制模塊，保證不運行部件處于不帶電狀態(tài);二是，各個高壓部件保險絲盒和動力電池整個系統(tǒng)內部的結構應當予以隔離設置，防止更換或者檢修保險絲情況下，會對電池系統(tǒng)的防護等級產生影響;三是，工作特性比較接近的一些部件，應當共用接觸器，以確保接觸器實際用量能夠減少;四是，功率等級比較接近的相應部件，保險絲應當共用，盡可能將保險絲實際用量減少。并且，還應當盡可能地將動力電池的系統(tǒng)內部電氣接口實際使用數量減少。如下為純純電動類型汽車內部高壓部件的運行工況：DC Charger，在純電動類型汽車行駛期間處于不工作狀態(tài)、停車下電條件下處于不工作狀態(tài)、直流充電期間不工作、交流充電期間工作、一般的功率等級即為≥20.0k/W;On-board Charger在純電動類型汽車行駛期間處于不工作狀態(tài)、停車下電條件下處于不工作狀態(tài)、直流充電期間工作、交流充電期間不工作、一般的功率等級即為≤3.3k/W;DC/DC在純電動類型汽車行駛期間處于工作狀態(tài)、停車下電條件下可處于工作/不工作狀態(tài)、直流充電期間工作、交流充電期間工作、一般的功率等級即為≤3.0k/W;Compressor和PTC，在純電動類型汽車行駛期間可處于工作/不工作狀態(tài)、停車下電條件下可處于工作/不工作狀態(tài)、直流充電期間可處于工作/不工作狀態(tài)、交流充電期間可處于工作/不工作狀態(tài)、一般的功率等級即為≤5.0k/W;MCU零部件在純電動類型汽車行駛期間處于工作狀態(tài)、停車下電條件下不工作、直流充電期間不工作、交流充電期間不工作、一般的功率等級即為≥30.0k/W[2];

通過分析以上數據，結合高壓系統(tǒng)總體設計原則，能夠獲取6個優(yōu)化實施方案，即為：①DC/DC、On-board Charger、PTC、Compressor，它們在功率與工作特性方面較為相似，可實現靈活的集成化處理，保險絲和接觸器可共用，也可共用動力型電池包的連接口;②DC Charger、MCU二者功率等級差異性較小，保險絲可共用;③DC/DC、On-board Charger，二者都屬于開關電源型產品，能夠由相同供應商實現開發(fā)與集成，可實現電氣分配的單元功能集成，對Compressor / PTC實現電能供給，無線進行集成分線盒的開發(fā);④整車上面布置高壓的零部件期間，可選定相鄰位置放置，盡可能將高壓線束的長度縮短，針對純電動類型汽車，約30%線束方面的成本可實現有效降低;⑤MCU，它與行車安全之間關系密切，功率較大，不適合與其余部件實現集成化;⑥直流充電式接口導線的線徑和其余部件具有著不兼容性，因此，不適合集成化處理[3]。

2.2 功能要求

純電動類型汽車內部高壓部件，以充電部件、電力電子、電驅、電池等為主。電池，屬于高壓系統(tǒng)總能源，主要是為電力電阻與電驅供給能量。而充電系統(tǒng)，內含快充、慢充，對電池實現能量供給。高壓部件科學方案與集成化設計，對于高壓系統(tǒng)內部接插件、熔斷絲、繼電器及導線數量可起到良好優(yōu)化作用。高壓架構總體需要滿足于高壓運行安全方面的需求，應當具備線路保護、繼電器的監(jiān)測、預充電、絕緣監(jiān)測、主被動式放電、高壓互鎖等各種功能，科學合理化的設計，能夠充分滿足于安全運行需求，促進成本實現最優(yōu)化[4]。

2.3 設計輸入

高壓架構總體總體設計標準以整車的性能與系統(tǒng)運行安全方面的要求為主，整車的性能主要包含著熱系統(tǒng)的用電功耗、低壓的用電功耗、充電時間、續(xù)航路程、加速等等。整車性能各項要求，經計算仿真分析后，便可將高壓式動力電池的電壓范圍、快慢充的功率、電機功率、電池總體能量、額定的輸出電壓等確定下來，還可以將Heater、ACCM、PTC、DC/DC等這些高壓部件實際功率確定下來。

2.4 方案設計

①驅動系統(tǒng)方面。驅動系統(tǒng)，設計策略是選用電機控制裝置與電機集成，三相獨立線束可省去。在前期，針對驅動單元，通過電池的出線方面的深入研究，可了解到因功能安全方面要求，充分考慮到電池包的開蓋維修、熔斷絲的失效風險、總體成本等各方面因素，確定該驅動單元應當直接從內部電池處出線，并在IPE內增設熔斷絲一路保護。

②充電系統(tǒng)方面。設計充電系統(tǒng)期間，針對快/慢充系統(tǒng)功能，因IPE集成了OBC，該慢充接口處應當與IPE實現直接連接;快充連接著電池部分，應當經BDU當中繼電器實現對電池模組的電能供給。

③電池方面。電池內部應當實現BDU集成，快充繼電裝置和主正負繼電裝置并聯(lián)，以實現快充與驅動的有效切換。充分考慮到安全及成本方面因素，以低壓的MSD來替代傳統(tǒng)高壓的MSD設計方案。

④零部件方面。為實現系統(tǒng)總成本與空間方面最優(yōu)化，選用電池集成化BDU、PDU與OBC集成、DC/DC、電機與電機控制裝置集成，以實現高度集成所有零部件，達到成本與空間不足最優(yōu)化效果。

2.5 安全設計

①在放電和絕緣監(jiān)測方面。經電機控制裝置和電機的主動放電，5S的系統(tǒng)電壓可實現自300V逐漸降至60V、甚至更低，確保人員觸電方面的安全性。高壓系統(tǒng)總體設計當中，設有主被動式絕緣監(jiān)測系統(tǒng)功能，能夠進行上電、下電期間系統(tǒng)絕緣的實時化監(jiān)測，確保絕緣失效情況下，及時作出故障報警與斷電保護動作[5]。

②在高壓線路的保護方面。高壓線路內設線路保護系統(tǒng)功能，經熔斷絲的保護動作，及時斷開線路過流。

③在高壓母線的紋波和UCG設計方面。借助軟件仿真系統(tǒng)，通過對于直流母線處于不同頻域條件下電壓波紋的綜合分析后可了解到，通過高壓母線的紋波和UCG合理化設計，保證高壓各個部件能夠維持正常運行狀態(tài)，非受控的再生制動條件下，最高反向的電動電壓可以得到保證，保證電機控制裝置交流側與直流母線的零部件不會受其影響，可維持正常、安全的工作狀態(tài)。

④在預充設計方面。BDU內設預充回路，處于200-300ms的時間范圍內，可實現高壓回路至正常的高壓值整體預充，為系統(tǒng)的上電安全提供保障。

3? 結語

綜上所述，本文先分析了純電動類型汽車內部高壓電氣的系統(tǒng)整體配置情況，明確設計原則、分析具體的功能需求，通過高壓架構的方案設計及系統(tǒng)的安全設計，提出全新的高壓架構總體設計方案，經集成化設計方案及最優(yōu)結構設計，成本可實現最優(yōu)化，此方法可充分滿足于系統(tǒng)各項功能及安全性需求，成本較低，具有推廣應用的價值。

參考文獻：

[1]馮健.北汽純電動汽車高壓系統(tǒng)控制原理分析[J].汽車維修，2018，11（06）：398-399.

[2]Hongyu W ， Lizhiming，? Yong F ， et al. Study on High Voltage power up down control strategy of pure electric vehicles[C].IEEE International Conference on Software Engineering & Service Science. IEEE， 2015，10（02）：1104-1108.

[3]古毅.純電動汽車基本結構及關鍵技術分析[J].汽車實用技術，2017，29（07）：303-304.

[4]楊國亮，齊同啟，柳熹，等.純電動汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設計[J].汽車工程師，2015，19（11）：410-412.

[5]李云.基于逆向思維的電動汽車技術架構研究[J].時代汽車，2017，34（01）：272-273.