关于纯电动汽车高压电气架构分析

王大为

摘要：纯电动类型汽车，其内部的高压电气总体架构设计期间，不但需要着重考虑到整车的成本及各项功能需求，还需要保证系统的运行安全。对此，本文主要采用文献资料检索方法及实地调查法，先检索国内外与纯电动类型汽车内部高压电氣整体架构相关的研究报告、学术论文、图书杂志、文集文章等等，对相关研究成果进行系统化地梳理及总结分析，并围绕着纯电动类型汽车内部高压电气整体架构开展深入研究及探讨，再通过实地调查，深入了解纯电动类型汽车内部高压电气整体架构具体设计情况。本次课题研究可谓是横跨了电动汽车、电气等各个领域，需运用到各种学科方法、基础理论及成果，并从整体入手综合研究本课题，以保证本次课题研究的客观性及精准性，望能够为今后此方面实践工作的深入研究及有效落实提供指导。

关键词：纯电动;汽车;高压电气;架构

0  引言

纯电动类型汽车内部高压电气，是纯电动类型汽车的重要构成部分，直接关系着电动类型汽车的运行安全及驾驶者的人身安全。对此，深入研究纯电动类型汽车内部高压电气整体架构，有着一定现实价值及意义。

1  系统配置

依据纯电动类型汽车内部电路特性和结构，进行合理、安全的各项保护措施有效设定，对于保证驾乘人员及汽车设备运行安全来说至关重要。为确保高压电的安全性，务必要系统化的规范和设计高压电的防护。纯电动类型汽车，其内部所含零部件较多，且均由高压的直流电实现能量供给，能够结合高压部件功率、工况实现有效的集成化处理。纯电动类型汽车，其内部高压部件具体构成包括：电动控制装置、电动加热装置、电动控制的压缩装置、车载式充电器、直流式转换器、直流式充电口等。高压电气总体架构设计，往往与高压部件集成化、整车中布置位置与控制策略密切限量。高压电气科学合理的一个架构，能够实现多部件集成，促使高压导线、高压的连接器、高压的接触器等实际用量，还可防止各种安全隐患出现，更可以达到整车成本有效节约的目的[1]。

2  架构总体设计

2.1 基本原则

纯电动类型汽车，其高压电的系统功能主要包含着传输整车系统的动力电能，还有实时化检测整车的高压系统绝缘故障、高压故障、接地故障及短路故障等等。动力电池各种相关高压的元器件，包括所有回路保险丝、接触器，均集成于动力型电池包中。该动力电池，属于纯电动类型汽车储存能量的一种装置，会受到整车布置实际位置与尺寸所影响，在空间上备受限制。为促使动力电池实际能量能够得到增加，需尽可能将动力型电池包减少，除了电池单体、模组以外其余零件数量的合理化匹配，还应当保证电池单体、模组实际布置空间充足，确保动力电池整个系统维护便捷，尽量将动力型电池包拆卸次数减少。如下是高压系统的电气架构总体设计原则：一是，所以高压部件均应当设有供电独立控制模块，保证不运行部件处于不带电状态;二是，各个高压部件保险丝盒和动力电池整个系统内部的结构应当予以隔离设置，防止更换或者检修保险丝情况下，会对电池系统的防护等级产生影响;三是，工作特性比较接近的一些部件，应当共用接触器，以确保接触器实际用量能够减少;四是，功率等级比较接近的相应部件，保险丝应当共用，尽可能将保险丝实际用量减少。并且，还应当尽可能地将动力电池的系统内部电气接口实际使用数量减少。如下为纯纯电动类型汽车内部高压部件的运行工况：DC Charger，在纯电动类型汽车行驶期间处于不工作状态、停车下电条件下处于不工作状态、直流充电期间不工作、交流充电期间工作、一般的功率等级即为≥20.0k/W;On-board Charger在纯电动类型汽车行驶期间处于不工作状态、停车下电条件下处于不工作状态、直流充电期间工作、交流充电期间不工作、一般的功率等级即为≤3.3k/W;DC/DC在纯电动类型汽车行驶期间处于工作状态、停车下电条件下可处于工作/不工作状态、直流充电期间工作、交流充电期间工作、一般的功率等级即为≤3.0k/W;Compressor和PTC，在纯电动类型汽车行驶期间可处于工作/不工作状态、停车下电条件下可处于工作/不工作状态、直流充电期间可处于工作/不工作状态、交流充电期间可处于工作/不工作状态、一般的功率等级即为≤5.0k/W;MCU零部件在纯电动类型汽车行驶期间处于工作状态、停车下电条件下不工作、直流充电期间不工作、交流充电期间不工作、一般的功率等级即为≥30.0k/W[2];

通过分析以上数据，结合高压系统总体设计原则，能够获取6个优化实施方案，即为：①DC/DC、On-board Charger、PTC、Compressor，它们在功率与工作特性方面较为相似，可实现灵活的集成化处理，保险丝和接触器可共用，也可共用动力型电池包的连接口;②DC Charger、MCU二者功率等级差异性较小，保险丝可共用;③DC/DC、On-board Charger，二者都属于开关电源型产品，能够由相同供应商实现开发与集成，可实现电气分配的单元功能集成，对Compressor / PTC实现电能供给，无线进行集成分线盒的开发;④整车上面布置高压的零部件期间，可选定相邻位置放置，尽可能将高压线束的长度缩短，针对纯电动类型汽车，约30%线束方面的成本可实现有效降低;⑤MCU，它与行车安全之间关系密切，功率较大，不适合与其余部件实现集成化;⑥直流充电式接口导线的线径和其余部件具有着不兼容性，因此，不适合集成化处理[3]。

2.2 功能要求

纯电动类型汽车内部高压部件，以充电部件、电力电子、电驱、电池等为主。电池，属于高压系统总能源，主要是为电力电阻与电驱供给能量。而充电系统，内含快充、慢充，对电池实现能量供给。高压部件科学方案与集成化设计，对于高压系统内部接插件、熔断丝、继电器及导线数量可起到良好优化作用。高压架构总体需要满足于高压运行安全方面的需求，应当具备线路保护、继电器的监测、预充电、绝缘监测、主被动式放电、高压互锁等各种功能，科学合理化的设计，能够充分满足于安全运行需求，促进成本实现最优化[4]。

2.3 设计输入

高压架构总体总体设计标准以整车的性能与系统运行安全方面的要求为主，整车的性能主要包含着热系统的用电功耗、低压的用电功耗、充電时间、续航路程、加速等等。整车性能各项要求，经计算仿真分析后，便可将高压式动力电池的电压范围、快慢充的功率、电机功率、电池总体能量、额定的输出电压等确定下来，还可以将Heater、ACCM、PTC、DC/DC等这些高压部件实际功率确定下来。

2.4 方案设计

①驱动系统方面。驱动系统，设计策略是选用电机控制装置与电机集成，三相独立线束可省去。在前期，针对驱动单元，通过电池的出线方面的深入研究，可了解到因功能安全方面要求，充分考虑到电池包的开盖维修、熔断丝的失效风险、总体成本等各方面因素，确定该驱动单元应当直接从内部电池处出线，并在IPE内增设熔断丝一路保护。

②充电系统方面。设计充电系统期间，针对快/慢充系统功能，因IPE集成了OBC，该慢充接口处应当与IPE实现直接连接;快充连接着电池部分，应当经BDU当中继电器实现对电池模组的电能供给。

③电池方面。电池内部应当实现BDU集成，快充继电装置和主正负继电装置并联，以实现快充与驱动的有效切换。充分考虑到安全及成本方面因素，以低压的MSD来替代传统高压的MSD设计方案。

④零部件方面。为实现系统总成本与空间方面最优化，选用电池集成化BDU、PDU与OBC集成、DC/DC、电机与电机控制装置集成，以实现高度集成所有零部件，达到成本与空间不足最优化效果。

2.5 安全设计

①在放电和绝缘监测方面。经电机控制装置和电机的主动放电，5S的系统电压可实现自300V逐渐降至60V、甚至更低，确保人员触电方面的安全性。高压系统总体设计当中，设有主被动式绝缘监测系统功能，能够进行上电、下电期间系统绝缘的实时化监测，确保绝缘失效情况下，及时作出故障报警与断电保护动作[5]。

②在高压线路的保护方面。高压线路内设线路保护系统功能，经熔断丝的保护动作，及时断开线路过流。

③在高压母线的纹波和UCG设计方面。借助软件仿真系统，通过对于直流母线处于不同频域条件下电压波纹的综合分析后可了解到，通过高压母线的纹波和UCG合理化设计，保证高压各个部件能够维持正常运行状态，非受控的再生制动条件下，最高反向的电动电压可以得到保证，保证电机控制装置交流侧与直流母线的零部件不会受其影响，可维持正常、安全的工作状态。

④在预充设计方面。BDU内设预充回路，处于200-300ms的时间范围内，可实现高压回路至正常的高压值整体预充，为系统的上电安全提供保障。

3  结语

综上所述，本文先分析了纯电动类型汽车内部高压电气的系统整体配置情况，明确设计原则、分析具体的功能需求，通过高压架构的方案设计及系统的安全设计，提出全新的高压架构总体设计方案，经集成化设计方案及最优结构设计，成本可实现最优化，此方法可充分满足于系统各项功能及安全性需求，成本较低，具有推广应用的价值。

参考文献：

[1]冯健.北汽纯电动汽车高压系统控制原理分析[J].汽车维修，2018，11（06）：398-399.

[2]Hongyu W ， Lizhiming，  Yong F ， et al. Study on High Voltage power up down control strategy of pure electric vehicles[C].IEEE International Conference on Software Engineering & Service Science. IEEE， 2015，10（02）：1104-1108.

[3]古毅.纯电动汽车基本结构及关键技术分析[J].汽车实用技术，2017，29（07）：303-304.

[4]杨国亮，齐同启，柳熹，等.纯电动汽车高压电气系统安全设计[J].汽车工程师，2015，19（11）：410-412.

[5]李云.基于逆向思维的电动汽车技术架构研究[J].时代汽车，2017，34（01）：272-273.