純電動汽車高壓電氣架構研究

李軍亮，鄭立濤，熊 瑤

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

純電動汽車由于動力電池和電驅系統取代傳統燃油和發動機，整個系統電壓從傳統12V升高到300V以上系統電壓等級，高壓母線充電及放電電流達到200A以上。因此在設計整個高壓電氣架構時，不僅要考慮整車成本、驅動性能和充電時間要求，還需要考慮整個高壓系統安全，確保駕乘人員的安全。

文章基于目前典型純電動汽車高壓電氣架構，提出了一種全新高壓架構設計方案。

1 純電動汽車高壓電氣架構功能要求

圖1 高壓電氣原理圖

純電動汽車高壓部件包括電池、電驅、電力電子及充電部件。如圖1所示，電池是整個高壓系統的能源，為電驅及電力電子部件提供能量。充電系統包括慢充和快充，為電池提供能量。合理的高壓部件方案及集成設計，可以優化整個高壓系統的導線、繼電器、熔斷絲及接插件數量。另外，整個高壓架構需滿足高壓安全要求，高壓互鎖、主被動放電、絕緣監測、預充電、繼電器監測和線路保護等功能，合理的設計可滿足安全的需求并實現成本的最優。

2 高壓電氣架構設計

2.1 高壓架構設計輸入

高壓架構設計要求包括整車性能及系統安全要求，整車性能包括加速、續航里程、充電時間、低壓用電功耗及熱系統用電功耗等。根據整車性能相關需求，通過計算仿真確定高壓動力電池電壓范圍，額定輸出電壓，電池總能量，電機功率，慢充及快充功率，DC／DC、PTC、ACCM、Heater等高壓部件功率。表1是根據整車性能要求仿真的直流母線瞬態電流信息，供導線及熔斷絲選型設計。

表1 直流母線瞬態電流

2.2 典型純電動汽車高壓電氣架構分析

圖2是產品車A高壓拓撲圖，整個高壓系統通過HPDM模塊實現高壓能量的分配，各模塊相對獨立，無集成設計。優點：滿足系統安全要求，由于各模塊獨立設計，可實現獨立控制和診斷。缺點：系統成本高，各模塊需要獨立高壓線束連接及熔斷絲保護；增加整車布置空間及整車質量。

圖2 產品車A高壓拓撲圖

2.3 高壓架構方案設計

1）高壓零部件整體設計策略。為保證整個系統成本及空間的最優，采用電池集成BDU、電機控制器和電機集成、DC／DC、OBC及PDU集成的整體設計方案。如圖3所示，這種方案實現了零部件高度集成、空間布置及成本最優化。

2）驅動系統設計策略。驅動系統采用電機和電機控制器集成的設計策略，省去獨立的三相線束。前期進行了驅動單元直接從電池出線的方案研究。由于功能安全要求，驅動單元直接從電池出線，IPE需增加一路熔斷絲保護，最終從成本、熔斷絲失效風險和電池包開蓋維修風險等因素綜合考慮采用Option1。DU接口分析如表2所示。

圖3 高壓拓撲圖

表2 DU接口分析

3）充電系統設計策略。充電系統設計快慢充功能，由于IPE集成OBC，慢充接口直接連接IPE；快充連接電池，通過BDU內部繼電器給電池模組充電。

4）電池設計策略。電池內部集成BDU，主正負繼電器和快充繼電器并聯實現驅動和快充切換。基于成本和安全綜合考慮，采用低壓MSD代替傳統高壓MSD的方案。

對比圖2產品車A高壓拓撲圖，該方案優點是采用了電驅及IPE的集成設計方案，高壓零部件成本降低，另外節省了高壓導線及接插件數量，降低了整車布置空間及整車質量。

2.4 高壓架構系統安全設計

1）放電及絕緣監測設計策略。通過電機控制器加電機主動放電實現5S系統電壓從300V降低到60V以下，保證人員觸電安全；整個高壓系統設計有主被動絕緣監測功能，實現上電和下電時的系統絕緣監測，確保絕緣失效時的故障報警及系統斷電保護。

2）預充設計策略。BDU內部設計有預充回路，在200～300ms時間內預充整個高壓回路到正常高壓值，確保系統上電安全。

3）高壓線路保護策略。每個高壓線路設計有線路保護功能，通過熔斷絲保護，確保線路過流斷開。

4）高壓母線紋波及UCG設計要求。通過軟件仿真分析整個直流母線上不同頻域的電壓紋波，確保所有高壓部件工作正常。另外通過軟件分析非受控再生制動下的最高反向電動勢電壓，確保直流母線零部件及電機控制器交流側不受影響。

3 結論

本文首先通過分析純電動汽車高壓架構功能要求，對比目前典型純電動汽車高壓電氣架構。通過高壓架構方案設計和高壓架構系統安全設計兩方面，提出了一種全新高壓架構設計方案，通過集成化的設計方案和最優的拓撲設計結構，實現成本最優并滿足系統安全要求。研究表明，此方案滿足系統功能和安全要求，空間布置簡單且質量降低，系統成本低，可實現平臺化推廣。