一種混合動(dòng)力汽車交流取電的高壓架構(gòu)及功能邏輯

收稿日期：2024-05-10

作者簡介

黃柏林（1996—），男，助理工程師，從事整車電源系統(tǒng)開發(fā)工作。

【摘 要】混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）由于其良好的駕駛平穩(wěn)性、低油耗、低排放等優(yōu)點(diǎn)，近年來已較為普及，應(yīng)用廣泛。針對(duì)HEV汽車的應(yīng)用現(xiàn)狀，文章提出一種在HEV汽車上逆向取用220V交流電的高壓架構(gòu)及控制過程。它主要針對(duì)HEV汽車在戶外使用時(shí)，擴(kuò)充一種用電場景，使車輛用戶在戶外更便捷地使用常規(guī)220V交流用電器，提高用車體驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】新能源；HEV；取電；架構(gòu)；邏輯

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0019-02

High Voltage Architecture and Functional Logic of AC Power Taking for Hybrid Electric Vehicle

HUANG Bolin

（Zhuzhou CRRC Times Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China）

【Abstract】Hybrid Electric Vehicle （HEV） has been widely used in recent years because of its good driving stability，low fuel consumption，low emissions and other advantages. According to the application status of HEV，this paper presents a high voltage architecture and control process of using 220V AC power in reverse. It is mainly for the outdoor use of HEV vehicles，expand a power scenario，so that vehicle users in the outdoor more convenient use of conventional 220V AC electrical appliances，improve the car experience.

【Key words】new energy；HEV；power supply；architecture；logic

擴(kuò)充用戶新出行，建立用車新概念是目前HEV汽車的重要課題，而建立220V交流取電系統(tǒng)就是一個(gè)有力的方向。在HEV汽車上建立220V交流取電系統(tǒng)，最大的難點(diǎn)就是在維持原有整車高壓架構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)220V交流取電系統(tǒng)的可升級(jí)，即在配置上做加減法，而不是硬性捆綁。控制邏輯、可應(yīng)用時(shí)長，通常是220V交流取電系統(tǒng)的一大難點(diǎn)，也就導(dǎo)致了取電場景應(yīng)用的局限性。為了擴(kuò)充用車新概念，推動(dòng)HEV汽車的發(fā)展，針對(duì)上述所提到的難點(diǎn)，本文研究一種HEV汽車220V交流取電系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)架構(gòu)穩(wěn)定、功能可靠、安全性高、可持續(xù)應(yīng)用。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

通常市場上主流的HEV汽車高壓架構(gòu)如圖1所示，主要由動(dòng)力蓄電池、配電系統(tǒng)、DCDC系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)組成，電壓平臺(tái)一般為200～470V。

本文設(shè)計(jì)的高壓架構(gòu)如圖2所示，主要由動(dòng)力蓄電池、配電系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、DCDC系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、DCAC系統(tǒng)、取電插座組成。

架構(gòu)高壓回路運(yùn)行如下：整車高壓直流電由動(dòng)uOZGK+ywYjQROiF8U29Bv8pK0zIYnmBvaApLpsRr6R0=力蓄電池存儲(chǔ)和釋放，經(jīng)配電系統(tǒng)分配到整車其余高壓用電部件，如DCDC、空調(diào)系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)等。

本架構(gòu)中，DCAC取電模塊通過并聯(lián)在DCDC的高壓回路上，接入整車回路。即動(dòng)力蓄電池的直流高壓電經(jīng)配電系統(tǒng)分配到DCDC模塊的高壓線路上，通過連接器分線的方式，將電源同步分配給DCAC取電模塊，在該架構(gòu)中高壓直流電路的DCDC模塊與DCAC放電模塊同開同關(guān)。高壓直流電進(jìn)入DCAC放電模塊后，經(jīng)轉(zhuǎn)換變?yōu)?20V高壓交流電，進(jìn)入取電插座。取電插座帶實(shí)時(shí)硬線開關(guān)，即取電插座可強(qiáng)制手動(dòng)開通斷。

各模塊在整車上的布置，隨著架構(gòu)走向分配。動(dòng)力蓄電池布置在中間底盤，DCAC放電模塊、取電插座布置在后艙，其余高壓部件布置在前艙。DCAC放電模塊布置在后艙，將取電插座引入至后備廂側(cè)圍立柱上，同時(shí)做隱藏式設(shè)計(jì)。該布置方案簡潔整齊，且放電插座布置于后備廂，利于戶外取電用電。

由于HEV電池的比功率小，當(dāng)電動(dòng)汽車起動(dòng)多個(gè)高壓部件，放電大功率工作時(shí)，會(huì)使電池的充放電電流過大，造成電池的使用壽命降低。對(duì)此可以通過在DCAC模塊中并入超級(jí)電容來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。超級(jí)電容具有比功率大和充放電快的優(yōu)點(diǎn)，適合短時(shí)間的功率輸出和能量回收。可采取動(dòng)力電池-超級(jí)電容復(fù)合電源共同為汽車供電的方法，使用超級(jí)電容承擔(dān)大電流，減少對(duì)動(dòng)力電池的沖擊。動(dòng)力電池與超級(jí)電容組合成復(fù)合電源后互相取長補(bǔ)短，既有動(dòng)力電池的高比能量又有超級(jí)電容的高比功率，提高了純電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的整體性能。

另外一個(gè)成本優(yōu)化及系統(tǒng)高集成的方法是將DCAC模塊與DCDC模塊做成二合一，在電路拓?fù)渲校珼CAC與DCDC共用高壓側(cè)原邊。該電源拓?fù)湓谑袌錾弦脖容^成熟，具有較高的應(yīng)用性。

2 控制過程

220V取電功能控制過程如圖3所示。

主要時(shí)序及控制思路如下：整車上電，DCAC模塊接收到低壓驅(qū)動(dòng)，如K30&K15電，進(jìn)行休眠喚醒、執(zhí)行采樣及功能自檢。DCAC模塊自檢正常后，通過CAN通信向整車HCU發(fā)送狀態(tài)報(bào)文。整車HCU識(shí)別狀態(tài)報(bào)文為“模塊狀態(tài)正常待機(jī)”，則閉合高壓回路，動(dòng)力電池直流高壓電釋放到高壓回路上。隨后DCAC放電模塊并聯(lián)接入直流高壓回路，并同步進(jìn)行高壓輸入檢測，如在200～470V之間，則回饋“高壓輸入狀態(tài)正常”給HCU。HCU接收到放電模塊的高壓狀態(tài)正常報(bào)文，發(fā)送“放電工作使能”（可通過CAN通信或硬線接口電路發(fā)送電位驅(qū)動(dòng)）。隨后DCAC放電模塊開啟高壓工作狀態(tài)，將直流高壓電轉(zhuǎn)換為220V交流電，放至取電插座面板。同時(shí)，整車HCU對(duì)動(dòng)力蓄電池SOC進(jìn)行能量管理。整車上電時(shí)，BMS檢測SOC并通過CAN通信上報(bào)給HCU，當(dāng)動(dòng)力蓄電池SOC下降至20%（可按車型電池電量進(jìn)行匹配調(diào)控）時(shí)，HCU啟動(dòng)車輛發(fā)電機(jī)，給動(dòng)力蓄電池補(bǔ)電，同步供給DCAC模塊工作。考慮到車輛發(fā)電機(jī)的輸出電壓存在干擾、紋波，在一定程度上會(huì)影響DCAC放電模塊的工作效率，可以在動(dòng)力蓄電池SOC恢復(fù)至90%時(shí)，關(guān)閉車輛發(fā)電機(jī)，DCAC放電模塊重新從動(dòng)力蓄電池取電，減少損耗。車輛發(fā)電機(jī)開關(guān)過程中，DCAC放電模塊由于并聯(lián)在高壓回路上，高壓輸入并沒有中斷，故可持續(xù)工作，同時(shí)又可以保證整車能量循環(huán)，動(dòng)力電池不會(huì)饋電。

3 應(yīng)用案例

該HEV 220V取電功能可應(yīng)用在以下場景：①中小型商業(yè)活動(dòng)取電；②多人野外露營用電；③對(duì)純電動(dòng)車道路用電緊急救援等場景，并且可隨著車型配置的等級(jí)，做不同功率的DCAC放電模塊配置區(qū)分，如6.6kW型、3.3kW型、2.0kW型，大大提升了用戶選擇性與使用場景。

某款應(yīng)用實(shí)例的DCAC模塊功率曲線如圖4所示。該應(yīng)用實(shí)例使用的是一款3.3kW型的模塊，從曲線中可以看到，在電壓范圍260～470V內(nèi)，該模塊都能正常工作和輸出。其中，在輸入電壓330V以上，DCAC模塊可以穩(wěn)定輸出3.5kW。由于開關(guān)電源的特性，在高壓輸入330V以下，模塊的輸出能力有所下降，但是穩(wěn)定在1kW以上，同步輸出電壓能到達(dá)210V，該輸出能力已基本覆蓋用電場景，滿足大多數(shù)用電器使用。

4 結(jié)語

本文所研究和設(shè)計(jì)的這種HEV汽車220V交流取電的高壓架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能控制過程，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中充分考慮到車型配置的差異性和功能的延展性，結(jié)合場景變化、多元需求的特點(diǎn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分層，同時(shí)架構(gòu)相對(duì)簡單、邏輯控制過程相對(duì)簡化，在成本控制上也有一定的優(yōu)勢，適合的場景范圍比較廣泛，能使HEV汽車的應(yīng)用得到更多的拓展。該HEV汽車220V交流取電的高壓架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能控制過程無論在技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面都有很好的推廣價(jià)值。

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（編輯 楊凱麟）