纯电动客车高压系统架构设计

Posted 2021-08-14 电动知道

纯电动客车高压系统架构设计

文章来源：楼佳烽 上万清源智动车有限公司

纯电动客车的高压电气架构非常重要，其设计目标包括整车安全、功能配置、市场需求及系统成本。在保障纯电动客车性能以及高压系统安全的基础上，高压系统架构设计需要根据车辆功能定位以及成本竞价策略确认高压组件配置，并通过模拟仿真以及系统测试以确认高压直流总线( HV DC Bus) 的性能，确保高压电气系统的稳定性。本文针对纯电动客车，分析其高压组件的工作状态，提出其高压系统架构设计方案及安全设计策略。

1 高压系统组件工作状态

典型的纯电动客车( 直驱) 高压架构电气拓扑关系如图 1 所示。高压电池通常在 450 ～ 800 V DC，用于为各逆变器供电以实现车辆驱动、提供转向动力等，并通过 DC /DC 变换器为 24 V 低压电气负载设备供电。

为满足纯电动客车行驶和充电工况下的功能需求及功能安全，典型纯电动客车高压组件的工作状态如下:

1) 车辆驱动模式下，应保障充电功能不被激活，且 DC /AC 辅助控制器应实时控制转向油泵及空压机工作，需保障转向功能的鲁棒性以及制动的可靠性。

图 1 典型纯电动客车( 直驱) 高压架构电气拓扑图

2) 为了保护低压蓄电池及满足低压负载用电需要( 如纯电动客车 V2V 模式下放电车辆的低压负载用电、分体式空调低压用电等) ，可考虑充电和驱动模式下 DC /DC 变换器均可工作，以此可减少低压蓄电池容量，且提供充电模式下为低压蓄电池补充能量的机会以及解决某些条件下充电设备低压供电输出不足问题。

3) 对于车辆空调和除霜系统，采用开关被动式启动更符合驾驶需求，且简单易用。

4) 车辆充电过程中，为保障安全、提高效率、降低成本、减少充电时间，应禁止一切可能使车辆发生移动的操作，且不期望各高压组件在充电期间工作。但从功能需求出发，为低压负载供电的 DC /DC 以及52为电池冷却的空调可能会在充电时开启工作。

5) 车辆驱动和充电模式下，需保障动力电池热平衡，避免过温影响电池系统寿命或导致热失控。根据纯电动客车高压组件工作状态，合理选择高压组件并择优集成设计，有利于优化高压连接系统配置，降低成本，改善车辆 EMC 以及降低能量传导损耗。

具体如下:1) 通过将电机控制器 /电机 /减速器、DC /AC 控制器 /转向油泵、DC /AC 控制器 /空压机气泵等分别进行机电集成，以此优化三相交流导线成本并改善EMC 性能。2) 通过将 DC /DC 与高压配电单元 PDU 集成设计，优化高压导线布置及减少接插件数量。3) 通过将电池热管理系统与空调设施关联协作设计冷却系统，以此降低系统配置成本。

2 高压系统配电方案

纯电动客车必须合理设计高压配电方案，以满足整车功能及安全需要，并具备不同车型平台一定的拓展性。电动客车必须满足整车高压安全设计。国内外有 关 适 用 于 电 动 客 车 整 车 的 安 全 标 准 有 GB18384—2020［1］、GB 38032—2020［2］和 EVS －GTR［3］。其中 EVS－GTR 由中、美、欧、日四方共同提案制定，已成为全球各国电动汽车安全标准纲领，GB 18384—2020 和 GB 38032—2020 在内容上与 EVS－GTR 作了统一协调，并结合国情作了进一步拓展。

不同的纯电动客车，根据不同的功能定位会有不同的高压系统配电方案，其高压系统配电方案实施有几点共性( 如图 2 所示) ，具体如下:

1) 在车辆熄火或出现故障( 高压互锁、碰撞) 时，需将动力电池与高压直流总线切断; 为保障接触器切断安全冗余性，需配置双接触器系统，分别切断动力电池正 /负极。

2) 为避免动力电池与高压直流总线链路电容器之间形成浪涌电流对接触器以及其他组件造成损害，需要利用电阻进行限流; 且考虑到在正常操作中该限流电阻产生的电压降及功率损耗，需要对该限流电阻进行单独的分支电路设计，并进行预充电管理。

3) 由于存在多个功率转换器，可考虑用多个预充电回路独立地对相关高压组件进行预充电，以优化高压直流总线; 且为防止各功率转换器内部电容之间相互充电导致大电流，可适时配置反向二极管。

4) 为保障驱动模式下充电接口不被激活带电，并满足与充电设备连接的顺利交互匹配，充电回路正 /负极需单独设置接触器。

5) 高压组件各回路应匹配相应熔断器，以应对出现的过流故障，并设置维修开关 MSD 以便维修时将高压直流总线与动力电池解耦隔离，且 MSD 的放置位置应结合配电电路方案。

图 2 纯电动客车高压配电方案基本架构拓扑图对于纯电动客车其他高压组件，如 DC /DC、空调、除霜等，则不同车型因功能不完全相同可能具有不同的配电方案:

1) 为满足 DC /DC 在驱动模式和充电模式下均可工作，但并不期望 DC /DC 未经接触器或开关控制直接连接至动力电池，导致 DC /DC 一直耗电并造成维修流程复杂化。因此，应设计 DC /DC 内部自带预充电电路，DC /DC 高压回路可与驱动回路并联，并增加接触器装置。

2) 由于空调( 高压组件) 在整车上电时刻未被开启，从配电单元空间布置及控制逻辑优化考虑，空调内部须单独配置预充电路; 另外，空调高压回路可考虑具备与电池共用冷却系统的控制逻辑。

3) 电除霜则需要考虑回路接触器粘连时对高压系统的影响，比如若除霜回路在主驱动预充回路之下，则除霜接触器粘连有可能导致电容预充无法如期完成。

4) 对于为支持大电流充电而采取并联电池 PACK的纯电动客车，高压配电方案需要额外增加充电回路及接触器组件，以实现大电流充电及提供更好的维护便利性。

3 高压直流总线设计

电动客车高压系统中的高压直流总线( HV DC62 客 车 技 术 与 研 究 2021 年 8 月Bus) 由多个功率转换器和能量存储系统共享。高压直流总线中的纹波 /谐振 /瞬态与各高压组件的控制算法、滤波器组件的设计选择以及电动车辆的整体性能交织在一起［4－6］。为满足纯电动客车高压直流总线性能设计要求，避免引起不期望的电气故障，具体措施如下:1) 高压直流总线设计时应尽量防止驱动模式下功率转换器在谐振频率区域下产生主谐波，或者通过使电路的固有谐振频率区域保持在开关频率范围之外以避免谐振。为此，各功率转换器尽量合理选择电容类型，或通过仿真和测试用例，计算各高压组件之间的电路参数并进行合理布置; 或通过设计阻尼电路防止系统电流振荡。

2) 为了保持车辆系统稳定性和可控性，应尽可能避免产生严重的差模或共模噪声。为了减少传导辐射或共模纹波，电机控制器需要有良好的机械结构( 如叠层母排设计及合理的分层结构等) ，合适的开关频率，并采用屏蔽电缆减少共模噪声辐射［7］。

3) 高压组件设计时 Y 电容除了需满足整车电容耦合安全要求外，还需保障充电时避免因车辆以及充电设备的正极 /负极与 PE 线之间可能存在电压差导致瞬变而引起不受控制的过电压［8］。

4) 高压组件( 如动力电池、电机等) 及元器件( 如电容、接触器等) 在设计阶段，需考虑在驱动系统严重故障导致车辆非受控发电时不被损坏［9］。

4 高压系统架构安全策略设计

结合高压系统架构方案，纯电动客车需要进行高压安全管理，并遵循可靠且易实现的原则，高压安全管理策略主要如下:

1) 预充电管理。将高压直流总线链路电容在0. 5 s 内预充至有效电压范围之内( 如接近动力电池电压) ，确保合理压差，防止浪涌电流; 为保障预充时间不因预充电阻、电容介质变化或因非期望的负载加入( 如 PTC) 导致超时或预充电阻烧毁，需对预充状态进行监测和诊断［10］。

2) 主动放电。整车下电或因非预期故障断电后，应可通过驱动系统实现主动放电功能，如在 5 s内( 甚至 1 s 内) 将电压降至安全电压 60 V DC 以下，并监控整个放电过程。

3) 被动放电。为了保证高压直流总线电容安全放电，将被动放电功能作为冗余选项设计，由于纯电动客车链路电容较大，一般无法共用预充电阻作为放电电阻; 为在预定时间( 120 s 内) 及时完成被动放电，放电电阻将短时承受大量能量，而这将使放电电阻选型难度增大。

4) 绝缘监测。配置不受车辆 Y 电容影响的绝缘监测模块，实现车辆驱动 /充电模式下对交 /直流泄漏故障的诊断监测，并能快速( 5 ～ 30 s 内) 上报绝缘检测数值，且上报绝缘电阻的精度需满足安全要求。另外，绝缘模块停止工作后，需自动切断与高压直流总线的耦接，避免一直被激励导致功耗以及影响整车绝缘诊断。

5) 高压互锁 /开盖检测。为确保维修期间人员安全，高压系统针对连接器设置高压互锁机制以及开盖检测断电功能。

6) 接触器可靠度监测。为确保高压安全，需对高压系统的接触器粘连进行监测。为防止接触器在接通或断开时产生超过其承载限值的电弧而导致其触点粘连，接触器接通时可通过限流措施避免其触点粘连。但接触器断开时，需要记录其每次断开时的带载电流以便进行接触器触点可靠度监测，具体方法为: 车辆根据供应商提供的接触器在充 /放电时设定的不同电流阈值下断开时的寿命次数，将其带载断开电流设定多个阈值，若接触器带载断开时电流超过对应设定阈值，则作为接触器的磨损数据进行统计记录，并根据接触器带载断开电流阈值大小设定故障严重度等级，整车 ECU 再根据故障严重度执行相应的故障处理指令( 如仪表报警、禁止车辆上电或车辆降功率) 。7) 过 /欠压保护。通过 BMS 防止电池的过充 /过放，且当车辆发生严重故障时，可通过电机控制器进行主动短路( ASC) 或其他措施防止高压直流母线电压过高。8) 冗余转向系统。为防止车辆在行驶过程中异常切断高压导致转向失控，应配置双源转向系统，提高车辆助力转向状态的鲁棒性。

5 结束语

为保证纯电动客车整体系统稳定性能，需要合理72 第 4 期 楼佳烽: 纯电动客车高压系统架构设计地设计高压系统架构。本文从系统角度和未来趋势对纯电动客车高压系统进行了研究分析，针对车辆不同类型的功能定位，高压系统架构方案需要在多维度之间( 如可靠性、成本等) 进行权衡取舍。为此，OEM应该评估高压系统集成的工程设计成果以及技术方案选择的长期利益。