電動(dòng)汽車充配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅士鋒

摘 要 本文研制出一種電動(dòng)汽車充配電系統(tǒng)，將車載充電機(jī)模塊、DC/DC變換器模塊與高壓配電箱模塊集成設(shè)計(jì)，其中車載充電機(jī)與DC/DC變換器共用PCB板，三個(gè)模塊共用一個(gè)殼體，相互之間采用銅排連接，減少了殼體重量、節(jié)省接插件及相應(yīng)的高壓線束，有效降低了整車成本、減少了整車重量。

關(guān)鍵詞 充配電系統(tǒng);車載充電機(jī)模塊;DC/DC變換器模塊;高壓配電箱模塊

Abstract In this paper， an electric vehicle charging and distribution system is developed， which integrates vehicle charger module， DC/DC converter module and high voltage distribution box module. The vehicle charger and DC/DC converter share PCB board， three modules share a shell， and copper bars are used to connect each other， which reduces the weight of the shell， saves the connectors and the corresponding high voltage wire harness， and effectively reduces the cost of the whole vehicle. Reduce the weight of the whole vehicle.

Key words Charging and Distribution system; Vehicle Charger Module; DC/DC Converter Module; High Voltage Distribution Box Module

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)，并對集成系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，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。

1-總成蓋板，2-快充接插件，3-MCU接插件，4-銅排，5-高壓配電箱，7-冷卻水道，8-電池接插件

9-通訊接插件，10-OBC、DC/DC電路板，11-OBC接插件，12-水道接口，16-熔斷器

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部分采用二級變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級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電網(wǎng)的影響，并為后級DC/DC電路供應(yīng)恒定的高精度低紋波高壓直流電;后級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。

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。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。

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。

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。

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)。

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。

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。

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。

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，對集成系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)、沖擊仿真分析。

測試結(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。

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。

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