纯电|纯电动汽车高压电气架构研究
作者 |李军亮 ， 泛亚汽车技术中心有限公司
来源 |EDC电驱未来
1 纯电动汽车高压电气架构功能要求
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【纯电|纯电动汽车高压电气架构研究】图1 高压电气原理图
纯电动汽车高压部件包括电池、电驱、电力电子及充电部件 。 如图1所示 ， 电池是整个高压系统的能源 ， 为电驱及电力电子部件提供能量 。 充电系统包括慢充和快充 ， 为电池提供能量 。 合理的高压部件方案及集成设计 ， 可以优化整个高压系统的导线、继电器、熔断丝及接插件数量 。 另外 ， 整个高压架构需满足高压安全要求 ， 高压互锁、主被动放电、绝缘监测、预充电、继电器监测和线路保护等功能 ， 合理的设计可满足安全的需求并实现成本的最优 。
2 高压电气架构设计
2.1 高压架构设计输入
高压架构设计要求包括整车性能及系统安全要求 ， 整车性能包括加速、续航里程、充电时间、低压用电功耗及热系统用电功耗等 。 根据整车性能相关需求 ， 通过计算仿真确定高压动力电池电压范围 ， 额定输出电压 ， 电池总能量 ， 电机功率 ， 慢充及快充功率 ， DC／DC、PTC、ACCM、Heater等高压部件功率 。 表1是根据整车性能要求仿真的直流母线瞬态电流信息 ， 供导线及熔断丝选型设计 。
表1 直流母线瞬态电流
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2.2 典型纯电动汽车高压电气架构分析
图2是产品车A高压拓扑图 ， 整个高压系统通过HPDM模块实现高压能量的分配 ， 各模块相对独立 ， 无集成设计 。 优点：满足系统安全要求 ， 由于各模块独立设计 ， 可实现独立控制和诊断 。 缺点：系统成本高 ， 各模块需要独立高压线束连接及熔断丝保护；增加整车布置空间及整车质量 。
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图2 产品车A高压拓扑图
2.3 高压架构方案设计
1）高压零部件整体设计策略 。 为保证整个系统成本及空间的最优 ， 采用电池集成BDU、电机控制器和电机集成、DC／DC、OBC及PDU集成的整体设计方案 。 如图3所示 ， 这种方案实现了零部件高度集成、空间布置及成本最优化 。
2）驱动系统设计策略 。 驱动系统采用电机和电机控制器集成的设计策略 ， 省去独立的三相线束 。 前期进行了驱动单元直接从电池出线的方案研究 。 由于功能安全要求 ， 驱动单元直接从电池出线 ， IPE需增加一路熔断丝保护 ， 最终从成本、熔断丝失效风险和电池包开盖维修风险等因素综合考虑采用Option1 。 DU接口分析如表2所示 。
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图3 高压拓扑图
表2 DU接口分析
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3）充电系统设计策略 。 充电系统设计快慢充功能 ， 由于IPE集成OBC ， 慢充接口直接连接IPE；快充连接电池 ， 通过BDU内部继电器给电池模组充电 。
4）电池设计策略 。 电池内部集成BDU ， 主正负继电器和快充继电器并联实现驱动和快充切换 。 基于成本和安全综合考虑 ， 采用低压MSD代替传统高压MSD的方案 。
对比图2产品车A高压拓扑图 ， 该方案优点是采用了电驱及IPE的集成设计方案 ， 高压零部件成本降低 ， 另外节省了高压导线及接插件数量 ， 降低了整车布置空间及整车质量 。
2.4 高压架构系统安全设计
1）放电及绝缘监测设计策略 。 通过电机控制器加电机主动放电实现5S系统电压从300V降低到60V以下 ， 保证人员触电安全；整个高压系统设计有主被动绝缘监测功能 ， 实现上电和下电时的系统绝缘监测 ， 确保绝缘失效时的故障报警及系统断电保护 。
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