新能源汽車高壓直流總線系統設計挑戰

樓佳烽， 劉敢闖

（1.上萬清源智動車有限公司（萬向集團）， 浙江 杭州310016；2.重慶金康動力新能源有限公司， 重慶 400020）

近年來，由于苛刻的燃油經濟性要求，在政府激勵措施的不斷實施以及新技術的應用下，電動汽車 （EV） 和混合動力汽車（HEV） 市場發展迅猛，但潛在的汽車消費客戶仍對車輛安全性、續駛里程以及充電基礎設施的便利性缺乏信心，并面對相對高昂的購車價格而猶豫不決。面臨這些挑戰，汽車制造商需要開發具有優勢的技術方案，以此來滿足目標市場，并平衡開發成本。為了滿足不同需要，從輕混到電動汽車，隨著汽車電氣化程度不斷提高，熱、電和機械系統之間相互影響，EV/HEV面臨著比傳統內燃機汽車更多的差異化的系統級和多學科問題［1］。

EV/HEV為了滿足安全、可靠、高效及預期成本的目標，則合理設計高壓直流總線系統（High Voltage DC-link System） 非常重要［2］。EV/HEV由電源、多個功率變換器以及負載組成，當多個電力電子功率變換器連接到動力電池時，意味著在車輛中建立了一個小型DC分布式電力系統，圖1為特定類型車輛的高壓系統拓撲簡圖。

高壓直流總線系統中的個體組件的穩定獨立運行并不一定意味著整個系統的穩定運行，即EV/HEV每個子系統若都是基于其個體的獨立操作進行設計，在系統集成之后，子系統之間的相互作用有可能會導致部件個體性能下降，甚至系統不穩定，這可以被視為經典的動態系統穩定性問題［3］。

高壓直流總線系統需要多方面權衡設計，以保持系統的穩定性和可控性。如果在開發的初始階段不考慮組件系統級別的要求，將導致后續在迭代設計中可能面對更大的困難以及成本考量。

圖1 特定類型車輛高壓系統拓撲

1 高壓直流總線系統諧振

EV/HEV高壓直流總線由多個功率變換器共享，取決于系統架構，任一功率變換器為了滿足EMC、濾波、紋波要求，均會使用如EMC電容、電感或扼流圈組件，因此高壓直流總線系統構成LRC直流鏈路（DC link），如圖2所示。

這些功率變換器 （如MCU、GCU、DCDC等） 內部的濾波電感、電容以及連接它們的電纜之間將形成具有如公式（1） 中的諧振頻率的電路：

式中：L、C——環路等效電感和電容。

如果功率變換器在直流鏈路的諧振頻率或其附近工作時，此時直流鏈路阻抗較低，將導致高的諧振電流流過濾波器組件，并對高壓回路的元器件選型（如熔斷器） 帶來挑戰［4］。高壓直流總線系統設計時應盡量避免發生電氣諧振，因為這不僅會降低元器件額定壽命，而且會影響系統控制穩定性，并有可能增加不期望的聲學噪音。

由于系統諧振行為很大程度上取決于電路參數，而電路參數取決于許多因素，例如環境溫度、制造公差、工作頻率、老化效果等，這使得設計決策更加復雜。

無論如何優化系統，在特定頻率的DC link中總是存在諧振，因此，在考慮諧振頻率的魯棒性基礎上，設計時需要盡量防止功率變換器在諧振頻率區域下產生主諧波，或者通過使電路的固有諧振頻率區域保持在開關頻率范圍之外以避免諧振。

如果設計的第一次迭代未考慮DC link諧振，此時如果對所使用的高壓組件軟硬件進行更改不具有經濟型以及可操作性，則僅留下有限的選擇，例如改變電纜長度或高壓組件的放置位置，以此將諧振頻率區域轉移至高壓組件工作頻率范圍之外［5］。

圖2 高壓總線直流鏈路LRC電路

2 高壓直流總線系統EMI

EV/HEV中主要功率變換器包括電機控制器 （MCU）、DCDC、充電機、轉向變換器等，所有功率變換器組件均使用不同的控制算法和開關頻率，范圍在幾千赫茲到幾百千赫茲之間。這些高壓組件和動力電池電連接，所有這些開關頻率及其諧波含量，尤其是電機控制器，作為高壓總線架構上的主要噪聲源之一，都在整個高壓直流總線系統中展開。

為了保持車輛系統穩定性和可控性，高壓直流總線系統需要小心構建，盡可能避免產生嚴重的差模或共模噪聲。尤其是所有的高壓部件外殼均與底盤電氣等電勢連接，電驅動系統與車輛底盤間存在的寄生和雜散電容為共模噪聲提供了低阻抗的循環路徑［6］，動力電池&驅動系統模型如圖3所示。

為了減少傳導輻射或共模紋波，重要的是電機控制器需要有良好的機械結構和母排布局［7］，采用合適的IGBT模塊開關速率，以及合理選擇一定閾值的Y電容的共模濾波器位置，并采用屏蔽電纜減少共模噪聲輻射。

圖3 動力電池&驅動系統模型

3 高壓直流總線系統紋波

EV/HEV中的各功率變換器與高壓電池之間的相互連接，構建了一個高壓直流總線系統，為保證車輛控制的穩定性，需要確認車輛在驅動 （前進/倒退/最高車速等）、充電狀態（快速/慢速充電） 下電壓紋波和電流紋波，用以評估系統各單元配置是否滿足紋波要求。車輛工況條件-紋波評估統計見表1。

表1 車輛工況條件-紋波評估統計表

尤其是電機控制器，作為DC link總線系統中最大的功率變換器，將產生高頻電流紋波。電流紋波不應超過元器件（如X電容） 的載流能力，影響其工作壽命。同時，電流紋波也有害于電池［8］，比如會導致電池阻抗增加和容量衰減，并且超過預期的紋波有可能對控制算法造成誤差（如電池SOC）。動力電池紋波電流等效電路如圖4所示。

圖4 動力電池紋波電流等效電路

4 總結

為保證EV/HEV的整體系統穩定性能，需要合理地設計高壓直流總線架構，直流鏈路諧振、紋波、EMI之間相互交織關聯，在不犧牲系統可靠性及效率的情況下，需要充分利用每個組件，并權衡控制算法、濾波器元件選型等以應對電氣化發展以及降低成本、體積的挑戰。