插電式混合動(dòng)力汽車高電壓部件設(shè)計(jì)及布置

于棟林

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

插電式混合動(dòng)力汽車高電壓部件設(shè)計(jì)及布置

于棟林

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

根據(jù)整車設(shè)計(jì)要求，建立插電式雙電機(jī)MG1/MG2+行星輪系混合動(dòng)力汽車高電壓系統(tǒng)方案模型。通過(guò)理論計(jì)算及工程分析確定高壓電池組、高電壓線纜、雙電機(jī)MG1/MG2、變頻器（轉(zhuǎn)換器/逆變器）、空調(diào)壓縮機(jī)等高電壓部件的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)。針對(duì)高電壓部件布置的安全及可靠性提出建議。

插電式；混合動(dòng)力汽車；高電壓部件；MG1/MG2+行星輪系；設(shè)計(jì)及布置

CLC NO.:U469.7Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-58-05

引言

插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）可以通過(guò)車載充電機(jī)從供電網(wǎng)獲取能量，通常以純電動(dòng)模式行駛為主，因功率不足或電池荷電狀態(tài)SOC(state of charge)降到下限值才起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式，相當(dāng)于傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車的混合體。插電式混合動(dòng)力汽車上既有直流高電壓，也有交流高電壓，同時(shí)較傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車（HEV）增加了外接插電式高壓充電系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的高電壓系統(tǒng)匹配、高電壓安全防護(hù)、電磁干擾、制動(dòng)能量回收、電機(jī)/電池/電控技術(shù)成本及充電都提出了更嚴(yán)格的要求及挑戰(zhàn)。

1、高電壓系統(tǒng)方案策略及整車參數(shù)

1.1 高電壓系統(tǒng)方案

本文車型高電壓系統(tǒng)（圖1）采用雙電機(jī)MG1/MG2+行星輪系混聯(lián)結(jié)構(gòu)及串并聯(lián)結(jié)合的混聯(lián)能量傳遞方式，通過(guò)逆變器將高壓電池組的直流電升壓變換成交流電供給電機(jī)MG1/MG2驅(qū)動(dòng)車輛，或?qū)G1輸出的交流電供給MG2及變換為直流電降壓儲(chǔ)存到高壓電池組。高電壓部件主要包含高壓電池組、電機(jī)MG1/MG2、變頻器（轉(zhuǎn)換器/逆變器）、車載充電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、高電壓線纜等部件。

1.2 整車基本參數(shù)和性能指標(biāo)要求

本文高電壓系統(tǒng)部件參數(shù)匹配設(shè)計(jì)需要以整車參數(shù)、性能指標(biāo)為基礎(chǔ)，見(jiàn)表1。

表1 整車參數(shù)和性能指標(biāo)

2、高電壓部件的設(shè)計(jì)

2.1 雙電機(jī)MG1/MG2匹配設(shè)計(jì)

MGI和MG2是集發(fā)電機(jī)及電動(dòng)機(jī)功能于一體的雙向機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。它們通過(guò)行星齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)的聯(lián)系起來(lái),MG1與太陽(yáng)輪相連，MG2連接在齒圈上，齒圈通過(guò)齒形帶和主減速器相連，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連。MG1在行星排之前，轉(zhuǎn)速、扭矩和轉(zhuǎn)向可變，主要功用是調(diào)速、發(fā)電和起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。MG2在行星架之后，轉(zhuǎn)速、扭矩和轉(zhuǎn)向可變，主要功用是驅(qū)動(dòng)車輛、倒車、滑行和制動(dòng)時(shí)對(duì)高壓電池組充電。MG1、MG2和發(fā)動(dòng)機(jī)三者滿足轉(zhuǎn)速關(guān)系，通過(guò)行星齒輪實(shí)現(xiàn)功率分流和變速，見(jiàn)圖2。

2.1.1 MG2參數(shù)確定

1）MG2峰值功率及額定功率選取

設(shè)計(jì)時(shí)通常依照汽車的最高車速vmax(km/h)、車輛的加速時(shí)間tm（S）及車輛的末速度vm (km/h)和最大爬坡度αmax (%)確定滿足最高車速要求時(shí)MG2峰值功率Pmax1、滿足純電驅(qū)動(dòng)最大爬坡度要求時(shí)MG2峰值功率Pmax2、滿足加速性要求時(shí)MG2峰值功率Pmax3，分別計(jì)算為:

電機(jī)MG2峰值功率需要同時(shí)滿足條件:

經(jīng)Pmax1、Pmax2、Pmax3進(jìn)行計(jì)算，最終選取MG2的峰值功率Pmm，MG2的額定功率可根據(jù)峰值功率求出:

式中Pmm-電機(jī)峰值功率；Pm額-電機(jī)額定功率；λ-電機(jī)過(guò)載系數(shù)（電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)λ一般取為2～3 ）。

2）電機(jī)MG2的最高轉(zhuǎn)速Nmmax、額定轉(zhuǎn)速Nm額、最大轉(zhuǎn)矩Tmax、額定轉(zhuǎn)矩Tm額選取。

根據(jù)電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β（nmmax/nm額）較小時(shí)額定轉(zhuǎn)矩高、轉(zhuǎn)子電流大、電機(jī)質(zhì)量大、內(nèi)在損耗高；β較大時(shí)電機(jī)會(huì)增大傳動(dòng)比，也會(huì)使驅(qū)動(dòng)軸扭矩和齒輪應(yīng)力增大特點(diǎn)，但大β值是車輛起步加速和穩(wěn)定運(yùn)行必需的。考慮最高轉(zhuǎn)速、齒輪應(yīng)力和傳動(dòng)系尺寸，一般選用中高速電機(jī)（最高轉(zhuǎn)速在6000-15000r/min），擴(kuò)大恒功率系數(shù)β取4～6。根據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí)，MG2通常以常規(guī)車速確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速

式中:Ig為傳動(dòng)比1；Io為主減速3.905；vn為常規(guī)車速，取50Km/h；r為車輪半徑0.308m

MG2額定轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩為:

式中:λ取1.5

2.1.2 電機(jī)MG1參數(shù)選擇

1）發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)需要MG1在短時(shí)間內(nèi)提供足夠大的起動(dòng)扭矩以克服發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)阻力矩和慣性力矩:

2.2 電池參數(shù)選擇

2.2.1 動(dòng)力電池組功率

1）PHEV高壓電池組的最大輸出功率取決于電機(jī)的功率、電機(jī)的效率、控制器的效率、電子附件的功率及空調(diào)功率空調(diào)，高壓電池組需求的最大功率為:

式中:Pbmax為高壓電池組最大功率kw；Pmm為MG2峰值功率，kw； PAC為空調(diào)壓縮機(jī)功率，kw；ηb為動(dòng)力電池組工作效率，可取90%；ηMG2為MG2最大功率點(diǎn)的工作效率，可取90%。隨著電池的使用電源系統(tǒng)逐漸老化，設(shè)計(jì)通常保留15%～30%的余量。

1.2.3 動(dòng)力電池組電壓

電池額定電壓可計(jì)算如下:

2.2.2 高壓電池組容量

高壓電池組容量的選取容量過(guò)大，車輛總質(zhì)量增加，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降；容量過(guò)小，動(dòng)力電池組過(guò)充、過(guò)放電，使用壽命降低。高壓電池組的容量C主要由車輛連續(xù)加速能量需求或以純電動(dòng)行駛的能量需求決定，可根據(jù)下列方程組求得。

式中:C為動(dòng)力電池組容量，Ah; Qa為車輛連續(xù)加速過(guò)程的電能需求，Wh；Qi為車輛純電動(dòng)行駛過(guò)程的電能需求，Wh；SOCH為動(dòng)力電池組SOC 允許工作上限，可取為70%；SOCL為動(dòng)力電池組SOC 允許工作下限，可取為30%；ηm為電機(jī)工作效率；Pacc( t) 為車輛連續(xù)加速過(guò)程中t 時(shí)刻的功率需求，kW；Pe( t) 為車輛連續(xù)加速過(guò)程中t 時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的功率，kW；te為車輛連續(xù)加速過(guò)程中電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)的時(shí)間歷程，Se為車輛純電動(dòng)行駛里程，km；ua_i為車輛純電動(dòng)行駛在坡度為i 的坡道上的車速，km/h；Pi為車輛以車速ua_i純電動(dòng)行駛在坡度為i 的坡道上的功率需求，kW。

2.2.3 電池單體成組參數(shù)

電池組是由電池單體通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)形式組合而成的，動(dòng)力電池組的串聯(lián)數(shù)量、并聯(lián)數(shù)量和電池單體數(shù)量可分別通過(guò)下式確定。

式中:Nb_series為動(dòng)力電池組串聯(lián)數(shù)量；Ub_single為電池單體電壓，V；Nb_parallel為動(dòng)力電池組并聯(lián)數(shù)量；Cb_single為電池單體容量，Ah。

2.3 高電壓線設(shè)計(jì)

2.3.1 高電壓線束參數(shù)設(shè)計(jì)及選型

高電壓線束的設(shè)計(jì)在是非常關(guān)鍵，線束要求有高通載能力、高耐電壓能力、優(yōu)越的耐沖擊與振動(dòng)能力、優(yōu)越的電磁屏蔽能力。高電壓線線徑的設(shè)計(jì)可根據(jù)公式:

式中:I為電流，A；J為用電設(shè)備的功率，W；U，為系統(tǒng)提供的電壓，V ；Ud，為允許最大電壓降損失，V；p為銅電阻率(約為0.0185Ωmm2/m)；L- 導(dǎo)線長(zhǎng)度，m；A為導(dǎo)線截面積，mm2。

但線徑的設(shè)計(jì)也需要綜合考慮以下幾個(gè)方面:1、負(fù)載賄賂的額定電流值；2、電線導(dǎo)體的容許溫度；3、電氣工作周圍環(huán)境的溫度；4、導(dǎo)線自身通電時(shí)溫度上升引起的通電率降低。

2.3.2 高電壓線束保護(hù)設(shè)計(jì)

高電壓線束在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮防水、防泥沙飛濺、防刮傷等因素，可考慮使用線槽或金屬?gòu)澒芙Y(jié)構(gòu)來(lái)保護(hù)高電壓線束。對(duì)高電壓線束的固定而言，若線束相對(duì)于車身靜止，則本著固定點(diǎn)間隙不大于200mm原則；若線束終端保持活動(dòng)，則自由長(zhǎng)度不超過(guò)300mm為宜。

2.4 車載充電機(jī)設(shè)計(jì)

車載充電機(jī)采用典型“交流-直流-高頻交流-直流”的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源，逆變電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，包含充電系統(tǒng)主電路和控制回路兩大部分，主電路由整流濾波電路、DC/DC功率變換電路及蓄電池負(fù)載組成。

2.4.1 車載充電機(jī)充電電壓和充電電流確定

1）電池包含額定電壓、充電終止電壓和放電終止電壓，考慮充電電壓余量，可選取車載充電機(jī)的充電電壓稍大于電池的充電終止電壓。

2）充電電流的大小可由電池的容量和充電速率的比值確定。

2.4.2 車載充電系統(tǒng)及主電路的設(shè)計(jì)

主電路通過(guò)六個(gè)二極管組成的三項(xiàng)全橋整流環(huán)節(jié)，將380V交流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電壓，再通過(guò)輸入濾波將其變成較平滑的直流電。橋式逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由加于其控制極的電壓信號(hào)決定，當(dāng)T1、T4打開(kāi)時(shí)T2、T3關(guān)合，當(dāng)T1、T4關(guān)合時(shí)T2、T3打開(kāi)。當(dāng)橋中各臂以頻率 f輪番通斷時(shí)，輸出電壓將以交變方波進(jìn)入變壓器。從變壓器輸出的交流電再次通過(guò)四個(gè)二極管組成的全橋整流電路及LO/CO給電池充電。

2.4.3 元件參數(shù)的計(jì)算及選擇

1）可根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)算法來(lái)計(jì)算Cin的容量:

式中:Vline（min）輸入交流電壓的變化最小值，380-380x 10%V；Vline（max）輸入交流電壓的變化最大值，380-380x 10%V；VPP為整流濾波后直流電壓的最大脈動(dòng)值；Pin為輸入功率，取0.8；

2）IGBT的選擇

IGBT一般選擇2倍余量的變換器原邊電壓最大值VINMAX，根據(jù)需要選用600V或1200V的較常見(jiàn)。

3）變壓器選擇

變壓器原邊及副邊繞組匝數(shù)由下式確定:

式中:Kf為波形頻率，正弦波Kf=0.44，矩形波Kf=0.4；fs為開(kāi)關(guān)工作頻率；Bw為工作磁通密度；Ae磁芯有效截面積。

原邊/副邊導(dǎo)線面積可由以下公式計(jì)算:

4）輸出濾波電容的計(jì)算

其中，fsl為輸出電感的工作頻率，即為原邊開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率fs的二倍。Iomax一為最大脈動(dòng)電流。

2.5 汽車變頻器設(shè)計(jì)

汽車變頻器的作用是電流換相，可以分為電機(jī)變頻器（升壓轉(zhuǎn)換器/逆變器）、空調(diào)壓縮機(jī)變頻器、DC/DC轉(zhuǎn)換器。

2.5.1 電機(jī)變頻器結(jié)構(gòu)原理

電機(jī)變頻器主要電路是由電力半導(dǎo)體功率器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊組成，通過(guò)升（降）壓型雙向DC/DC變換器和Z源變換逆變器實(shí)現(xiàn)電池對(duì)電機(jī)MG1、MG2的驅(qū)動(dòng)和電機(jī)MG1、MG2對(duì)電池的反向充電。

2.5.2 逆變器參數(shù)設(shè)計(jì)

1）主電路主要器件參數(shù)計(jì)算

逆變器采用電壓源型主電路，直流側(cè)加支撐電容，附加直流繼電器和預(yù)充電電路。在主電路設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的是確定功率器件的電壓和電流等級(jí)。本系統(tǒng)選擇的IGBT 電壓等級(jí)為600V，IGBT 的電流等級(jí)為600A，直流側(cè)電容電壓等級(jí)選定為450V。其容量則一般使用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:

式中，P 為逆變器輸出功率，VDC 為直流側(cè)電壓，CDC為直流側(cè)電容容量。

2）功率器件損耗計(jì)算

功率器件的損耗由IGBT的靜態(tài)損耗、IGBT的開(kāi)關(guān)損耗、二極管靜態(tài)損耗和二極管動(dòng)態(tài)損耗四個(gè)部分組成。

IGBT靜態(tài)損耗計(jì)算公式為:

式中:Icp為額定輸出電流；Vce（sat）為在額定輸出電流時(shí)的飽和電壓；D為平均占空比；為功率因數(shù)。

IGBT開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算公式為:

式中:fc為開(kāi)關(guān)頻率；psw-on為IGBT開(kāi)通能耗；psw-off為IGBT關(guān)斷能耗

二極管靜態(tài)損耗計(jì)算公式為:

式中:為二極管導(dǎo)通壓降

二極管動(dòng)態(tài)損耗計(jì)算公式為:

式中:為二極管反向恢復(fù)電流；trr為二極管反向恢復(fù)時(shí)間。

2.5.3 空調(diào)變頻器及DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1．DC/DC 轉(zhuǎn)換器是把高壓電池中的高壓直流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電(12V)，給蓄電池充電，以滿足車上各電器的使用要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，DC/DC才可能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電直到其最高電壓值(12V)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)，盡管高壓電池SOC足夠高，DC/DC也不對(duì)鉛酸蓄電池充電。如果汽車上的其它用電器（如大、小燈，收音機(jī)等）還在繼續(xù)使用，則電池的電壓可能降低到8V或耗光，需要再次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，只有通過(guò)外界充電器對(duì)其充電，發(fā)動(dòng)機(jī)才可能再一次啟動(dòng)，一旦啟動(dòng)，立即可以對(duì)電池充電。

2.高電壓部件布置安全及可靠性

PHEV高電壓系統(tǒng)的電壓幾百伏，不合理的布置可能漏電引起火災(zāi)或危及乘客的人生安全，高電壓部件的布置除滿足安全碰撞法規(guī)、人機(jī)工程及維修方便等傳統(tǒng)汽車的要求外，設(shè)計(jì)上針對(duì)高電壓安全還需制定有效防護(hù)措施，用以保護(hù)車內(nèi)乘員的安全。

高電壓部件的布置主要從以下幾個(gè)方面考慮:

1）布置的合理性，高電壓零件的布置要為能量源及其傳輸路徑上的相關(guān)部件留有足夠的緩沖空間，盡可能加大高電壓部件彼此或與車體之間的距離，確保任何一個(gè)非外接高電壓部件與整車外廓的最小尺寸均保持在110mm以上。確保足夠的安全緩沖及吸能空間， 以適應(yīng)可能的變形。相鄰部件之間的靜態(tài)間隙不能小于15 mm, 動(dòng)態(tài)間隙則需控制在至少25 mm以上。高壓線的長(zhǎng)度盡可能的短，本著相鄰固定點(diǎn)不大于200mm原則，高壓線間盡量避免交叉。

2）碰撞安全，電機(jī)、變頻器等高電壓部件一般布置在發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)內(nèi)，縱梁前部及保險(xiǎn)杠前部式主要的碰撞損壞區(qū)域，布置盡量相對(duì)靠后的位置，這里車身變形相對(duì)較小，同時(shí)考慮碰撞一般在車身的Y向變形較大，插頭盡量在車身的X方向。電池的設(shè)計(jì)上做到部件與箱體絕緣，箱體與車體絕緣的二次絕緣，周圍需要預(yù)留一定的安全緩沖吸能空間。

3）核心部件保護(hù)，高電壓系統(tǒng)部件布置時(shí)應(yīng)充分考慮車輛涉水、刮碰及泥沙飛濺等因素，可采用塑料線槽、金屬?gòu)澒茉O(shè)計(jì)來(lái)保護(hù)高壓線束。

電磁兼容，考慮到電磁干擾的因素，PHEV整個(gè)高電壓系統(tǒng)均由屏蔽層全部包裹，同時(shí)高電壓已經(jīng)超出人體的安全電壓，車身不可能像第壓系統(tǒng)一樣作為整車搭鐵點(diǎn)，在高電壓線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上必須嚴(yán)格實(shí)行雙軌制

4）安全方面混合動(dòng)力汽車需要有高壓互鎖及在線監(jiān)測(cè)等功能，根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)捕捉，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制。

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High Voltage Parts Design and Layout for Plug-in Hybrid Electric Vehicle

Yu Donglin
( SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )

PHEV high-voltage system model is established according to design requirements of vehicle. Then the structure and key parameters of high voltage components are given by engineer analysis and calculation, whichinclude the high voltage battery, high voltage wiring harness, MG1 and MG2, frequency converter (converter/inverter) and air conditioning compressor .At last, the suggestions on layout of High Voltage Parts are raised.

Plug-in; Hybrid Electric Vehicle; High Voltage Parts; MG1/MG2 and Planetary Gear Unit; Design And Layout

U469.7

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1671-7988(2015)07-58-05

于棟林，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向?yàn)槠囯娖鳌?/p>