電動(dòng)汽車充配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅士鋒

上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心 上海 200438

引言

隨著電動(dòng)汽車補(bǔ)貼的退坡，如何降低整車成本成為各主機(jī)廠高度關(guān)注的問題，車載充電機(jī)（On Board Charger 下文簡：OBC）、DC/DC變換器(下文簡稱DC/DC)、高壓配電箱(High Voltage Distribution Unit 下文簡稱PDU)為電動(dòng)汽車不可或缺的高壓零部件，市場發(fā)展較為成熟，單獨(dú)降本空間較小，高度集成化成為降本的有效途徑。本文詳細(xì)介紹了OBC、DC/DC集成原理，及與PDU集成設(shè)計(jì)，并對(duì)集成系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的充配電集成系統(tǒng)，滿足整車技術(shù)要求，并有效降低整車成本、減少整車重量。

圖1 集成系統(tǒng)總成圖

1 充配電系統(tǒng)介紹

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的充配電系統(tǒng)包括：高壓配電箱、OBC、DC/DC。其中，OBC與DCDC共用PCB板，共用冷卻水道，三個(gè)模塊之間通過銅排連接。

2 OBC與DC/DC集成模塊設(shè)計(jì)

2.1 OBC與DC/DC集成原理框圖

本文設(shè)計(jì)的集成系統(tǒng)中OBC與DC/DC共用PCB板，并且DC/DC的輸入與OBC的輸出共用功率器件。OBC部分采用二級(jí)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級(jí)AC/DC模塊采用Boost型APFC電路，提高功率因數(shù)和降低輸入電流中的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，并為后級(jí)DC/DC電路供應(yīng)恒定的高精度低紋波高壓直流電；后級(jí)DC/DC模塊采用隔離式PS-ZVS-PWM逆變電路，并使功率MOS管器件實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷，從而提高了功率變換的效率，除此之外，還為動(dòng)力電池提供一個(gè)寬輸出電壓范圍、低紋波的高精度直流電。見圖2所示，OBC部分主要由主功率、控制與保護(hù)和輔助管理三部分構(gòu)成。主功率部分主要由EMI抑制器、整流橋、Boost型APFC電路、全波整流和LC濾波構(gòu)成，控制和保護(hù)部分主要由輸入交流模塊、Boost型APFC電路模塊和DC/DC模塊的電壓電流檢測(cè)與保護(hù)電路以及DSP控制器組成，輔助管理部分主要由輔助電源、CAN-BUS通訊組成。在三個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作下，實(shí)現(xiàn)把交流電轉(zhuǎn)成滿足動(dòng)力電池電壓分為的穩(wěn)定高精度直流電。

圖2 OBC與DC/DC原理框圖

2.2 OBC與DC/DC技術(shù)參數(shù)

整車動(dòng)力電池容量為53kWh，電壓范圍為268.8-408V；整車低壓負(fù)載總用電量為2.231kW，12V低壓平臺(tái)。根據(jù)整車參數(shù)選定的OBC與DCDC規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 OBC與DCDC規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表

2.3 OBC充電方式

本文設(shè)計(jì)的OBC采用三段式充電法，在充電初期電池端電壓較低，可以采用恒流充電以提高充電速度，當(dāng)電池電壓達(dá)到額定最大值時(shí)，轉(zhuǎn)為恒壓充電，從而避免過充，最后采用浮充充電使電池達(dá)到滿充狀態(tài)，充電電流小于最小充電閥值時(shí)，充電過程結(jié)束。

圖3 充電曲線

2.4 保護(hù)功能

為保護(hù)整車安全，設(shè)計(jì)OBC與DCDC具有自我保護(hù)功能，主要保護(hù)功能見表2所列。

表2 OBC與DCDC保護(hù)功能

3 高壓配電模塊設(shè)計(jì)

3.1 高壓配電架構(gòu)

根據(jù)整車架構(gòu)，設(shè)計(jì)高壓配電架構(gòu)，如圖4所示，高壓配電模塊包括MCU繼電器、快充繼電器、快充熔斷器、附件熔斷器、開蓋互鎖開關(guān)。

圖4 高壓配電架構(gòu)圖

3.2 高壓繼電器的選型

以MCU繼電器為例介紹繼電器選型，根據(jù)動(dòng)力電池額定電壓350V，選定額定電壓為450V的繼電器，驅(qū)動(dòng)方式為12V/0V電平驅(qū)動(dòng)控制。因此選定某品牌型號(hào)為EVC175的繼電器。

3.3 高壓熔斷器選型

熔斷器電壓確定：根據(jù)電池最高電壓及OBC的輸出過壓保護(hù)點(diǎn)465VDC，選擇額定電壓為500VDC的熔斷器。

熔斷器電流確定（以快充熔斷器為例）：熔斷器的額定電流需降額75%，工作溫度大于40℃時(shí)，溫度每升高10℃再降額4.5%。按照公式3-1計(jì)算選定快充熔斷器額定電流400A。

其中：

I—快充電流180A；

Tmax—最高環(huán)境溫度；

T1—常溫；

4 集成方案設(shè)計(jì)驗(yàn)證

4.1 OBC與DC/DC輸出特性

如圖5所示，OBC最大輸出電壓為450V，最小輸出電壓為240V，最大輸出電流為23A，滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)冷卻水溫小于65℃時(shí)OBC滿功率輸出6.6kW，大于65℃時(shí)成比例降額，直至85℃時(shí)降為0并關(guān)機(jī)保護(hù)，輸出特性如圖。

圖5 OBC輸出特性

如圖6所示，DCDC最大輸出電壓為15V，最小輸出電壓為9V，最大輸出電流為186A，滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)冷卻水溫小于65℃時(shí)DCDC額定功率為2.5kW，大于65℃時(shí)成比例降額，直至85℃時(shí)降為0并關(guān)機(jī)保護(hù)，輸出特性如圖6所示。

圖6 DC/DC輸出特性

4.2 繼電器吸合特性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上文選定的繼電器能否在整車環(huán)境下正常工作，進(jìn)行如表3功能測(cè)試。

表3 繼電器功能測(cè)試

4.3 結(jié)構(gòu)仿真

集成系統(tǒng)殼體材料選用ADC12，材料參數(shù)見表4所示，為驗(yàn)證集成系統(tǒng)能否滿足整車強(qiáng)度要求，對(duì)集成系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)、沖擊仿真分析。

表4 殼體材料參數(shù)

隨機(jī)振動(dòng)：采用RMS=10g的振動(dòng)功率譜進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，振動(dòng)方向?yàn)閄、Y、Z三個(gè)方向。

沖擊分析：采用峰值50g，持續(xù)時(shí)間6ms的半正弦波加載，沖擊方向?yàn)閄、Y、Z三個(gè)向。

測(cè)試結(jié)果見表5：

振動(dòng)分析顯示各結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于材料抗拉強(qiáng)度的20%，結(jié)構(gòu)滿足振動(dòng)耐久要求。

沖擊分析顯示各結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)滿足沖擊要求。

表5 結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文研制的電動(dòng)汽車充配電系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的OBC、DC/DC、PDU集成在一個(gè)殼體內(nèi)，可降低約10%的重量。并且OBC與DC/DC共用一個(gè)PCB板，降低整車成本。試驗(yàn)結(jié)果表明，OBC、DCDC均可正常工作，并滿足功率、效率要求，繼電器正常吸合，滿足整車要求。