“高壓集成四合一”電氣總成控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

車建華，盧 浩，陳忠海，杜 鋒，柳俊宇，羅學(xué)鵬

（1.康迪電動汽車 （海南）有限公司，海南 ?？?570100；2.海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，海南 海口 570228）

1 引言

電動汽車由于其效率高、節(jié)能性好、噪聲低、無尾氣排放，同時電動汽車也無需復(fù)雜的傳動系統(tǒng)和逆轉(zhuǎn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)“零污染”而成為世界汽車行業(yè)的重點研究發(fā)展方向［1］。目前，國內(nèi)外電動汽車的整車品質(zhì)與性能研究處于快速發(fā)展時期，整車的安全性、可靠性及電力系統(tǒng)設(shè)計等技術(shù)水平有待進一步提升與優(yōu)化，電力電子設(shè)計趨向模塊化、智能化、集成化、輕量化［2］。

目前國內(nèi)外電動汽車對電機控制器、DC轉(zhuǎn)換器、車載充電機和高壓盒等4個部件多數(shù)為分立設(shè)計，存在以下問題：①難以布局；②部件間連接點較多，電流均較大，存在一定的安全隱患，降低了整車系統(tǒng)的可靠性；③EMI（Electro Magnetic Interference，電磁干擾）源分散，不僅4個部件產(chǎn)生EMI，而且部件間的連接線也會造成一定的EMI問題，使得難以集中處理和解決成本大大增加；④4種部件多數(shù)使用分立控制單元進行控制，通過CAN總線通信，設(shè)計和使用復(fù)雜程度較高。因此，本文通過對以上4種部件進行研究并提出一種將上述4種部件集成到一個總成部件 （“高壓集成四合一”）的設(shè)計方案，以實現(xiàn)上述4種部件功能覆蓋，及其控制與結(jié)構(gòu)的一體化。同時有效提高零部件的利用率、降低材料成本和減輕整車質(zhì)量。2“高壓集成四合一”電氣總成控制系統(tǒng)原理

本文設(shè)計的“高壓集成四合一”電氣總成擬用一個控制單元來實現(xiàn)總成內(nèi)部控制的需求，簡化對外通信。其控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 “高壓集成四合一”控制系統(tǒng)原理框圖

電氣總成中PDU模組由繼電器、熔斷絲組成，由控制單元進行控制?？刂茊卧蒁SP及外部控制電路構(gòu)成。電平轉(zhuǎn)換器由基于移相全橋拓撲的電路組成。三相逆變橋由功率管組成?？偝膳c外部通信通過CAN通信實現(xiàn)。

電氣總成控制原理如下：當控制單元檢測到電網(wǎng)輸入時，電平轉(zhuǎn)換器在控制單元的控制信號下，根據(jù)BMS信息，將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為電池充電電壓，并通過PDU模組向動力電池組進行供電，從而實現(xiàn)車載充電機功能；當控制單元收到車輛起動或充電槍插入信號時，電平轉(zhuǎn)換器在控制單元的控制下，通過PDU模塊輸出12V供電電壓，實現(xiàn)DC轉(zhuǎn)換器功能；當控制單元收到行車指令時，通過控制三相逆變橋，實現(xiàn)對三相交流異步電機的控制，從而實現(xiàn)電機控制器功能，能量回饋的電流通過PDU模組返回動力電池組。

3 “高壓集成四合一”電氣總成控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 電氣總成控制邏輯

“高壓集成四合一”電氣總成設(shè)計過程中，除應(yīng)充分考慮在匹配公司現(xiàn)有產(chǎn)品以外，盡可能考慮在后續(xù)車型或存在通用可能的其他車型上的拓展可行性，利于達到通用化和配置升級，以實現(xiàn)整車安裝簡化、布局優(yōu)化、維護便利、成本降低的目標?！案邏杭伤暮弦弧彪姎饪偝烧w防護等級達IP67，同時滿足國家規(guī)定的電磁兼容性及有害物質(zhì)檢測等法規(guī)要求。圖2為“高壓集成四合一”電氣總成控制邏輯，擋位邏輯控制如表1所示。

圖2 “高壓集成四合一”電氣總成控制邏輯

根據(jù)圖2中和表1可知，當有預(yù)充電信號時，充電機內(nèi)部常閉觸點K2繼電器接通信號，常閉觸點K2閉合，使得常開觸點K1的繼電器失電，K1觸點接觸。當有ACC和充電槍信號時，使得常開觸點K4閉合，同時檢測到AC輸入后常開觸點K3閉合，CHARGER_B+和CHARGER_B-接口連接外部電源對電池充電，此時由于K1的斷開，使得電機控制器、高壓盒和BMS都與電池斷開連接，停止工作。當電池充滿后，K4斷開，K1閉合，車載充電機停止工作。此時BMS和單片機等主控制器信號會持續(xù)輸出工作。當有PTC_ECU和A／C_ECU控制信號時，各自的PTC和A／C觸點閉合給電機控制器具體控制部分信號。DC轉(zhuǎn)換器處于一直工作狀態(tài)，屬于各功能的共用部件，以此保證汽車的其他電子設(shè)備的供電需求。

表1 邏輯控制表

3.2 總成控制各模塊的設(shè)計

“高壓集成四合一”電氣總成是按照模塊化原則來設(shè)計的。電機控制器模塊主要作用是連接電源與電機之間能量傳輸，可實現(xiàn)汽車加速、定速巡航、能量回收等功能。其電路主要由外界控制信號接口電路、電機控制電路和驅(qū)動電路組成［3］。電機控制器是整個驅(qū)動系統(tǒng)的控制中心，其中包括逆變器與控制器等2部分。逆變器的作用是把電源傳輸過來的直流電能逆變?yōu)槿嘟涣麟娔芄┙o汽車的驅(qū)動電機；控制器包括“高壓系統(tǒng)”和“低壓系統(tǒng)”，“高壓系統(tǒng)”是控制電流輸出到三相異步電機部分，也就是驅(qū)動管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管），“低壓系統(tǒng)”在控制單元部分，是用來接收駕駛員的指令，把駕駛員的操作意圖變成對電機的控制［4］。此外還可以接收電機轉(zhuǎn)速等信號，并把信號轉(zhuǎn)換后反饋到儀表盤，便于駕駛員得到相應(yīng)的車速等信息。若出現(xiàn)加速或制動等工況，控制器則可以控制變頻器頻率的升降，從而達到加速和減速的目的，從而保證良好的動力和乘員的安全。

DC轉(zhuǎn)換器模塊的主要作用是根據(jù)控制單元信號轉(zhuǎn)換交流電為電池充電電壓，通過PDU模組給電池充電和將電池的輸出電壓進行變換后供給電機驅(qū)動器。當檢測到電網(wǎng)輸入時，DC轉(zhuǎn)換器在控制單元的信號下，并根據(jù)BMS信息把交流電轉(zhuǎn)換為電池充電電壓?？刂茊卧K可對DC轉(zhuǎn)換器進行控制、計算、監(jiān)測、修正、保護等［5］。充電方式為階段性充電方式，第1階段為恒流充電，第2階段為恒壓充電［6］。當接入交流電時，并非直接轉(zhuǎn)換交流電給電池充電，而是通過BMS系統(tǒng)先對電池的狀態(tài)進行采集和分析，進而調(diào)整充電參數(shù)，以便合理高效充電和保護電池。當車輛啟動時，DC轉(zhuǎn)換器開始將電池的能量變換后輸出，若電池輸出電壓不穩(wěn)，其可以通過閉環(huán)控制系統(tǒng)進行穩(wěn)壓。DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)由移相全橋拓撲主電路、驅(qū)動模塊和控制模塊3部分組成［7］。驅(qū)動模塊主要是輸出PWM驅(qū)動信號的；控制模塊為移相全橋拓撲主電路的反饋，采用平均電流控制模式。移相全橋拓撲主電路是DC轉(zhuǎn)換器的主體［8］，又稱為功率模塊，其移相全橋拓撲主電路如圖3所示。

圖3 移相全橋拓撲主電路

圖3 中，Vin為輸入電壓，通過電路回路在輸出端得到輸出電壓。原邊開關(guān)電路可將輸入電流調(diào)制成矩形波。T1為變壓器，其作用是保證電氣隔離和調(diào)節(jié)電壓。變壓器的輸入是經(jīng)過左側(cè)全橋電路逆變得到的脈沖矩形波，然后傳遞到變壓器的副邊，在原邊可得到電壓幅值的交流正弦波。經(jīng)過DR1和DR2整流之后再經(jīng)由Cf和RL濾波處理，可得到直流電來提供給輸出端。

高壓盒主要是熔斷絲與繼電器組成，由控制單元進行控制?？偝蓛?nèi)部高壓用電器較多，如電機控制器模塊、DC轉(zhuǎn)換器模塊、空調(diào)系統(tǒng)等［9］。這些不可直接與車用動力電池相連，否則會造成線束多且雜亂無章，成本也會增加。因而需要增加動力電池的高壓分配盒，即PDU模組。高壓分配盒可使配電方案更加合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計更加緊湊，接線布局更加方便。其中包括4個繼電器和5個熔斷絲。4個繼電器分別是圖2中K1、充電機常閉觸點、K3、K4。5個熔斷絲見圖4中各模塊控制邏輯布置。

圖4 控制器、DC、充電機、PTC、A／C控制邏輯框圖

3.3“高壓集成四合一”電氣總成控制實施方式

電氣總成使用單個輔助電源實現(xiàn)對控制電路、驅(qū)動電路等進行供電，避免了原分立部件多輔助電源造成的EMI源分散、難處理的問題。此外還使用疊層母排進行了內(nèi)部大電流連接，對外輸入輸出端口全部使用高壓帶屏蔽端子，能有效減少原分立部件多個連接端子造成的EMI泄露。同時因總成整體使用鑄鋁外殼，形成了一個完整的屏蔽罩，能有效提高系統(tǒng)的EMC能力。

電氣總成通過CAN總線與ECU及BMS等外部設(shè)備進行通信，當收到BMS充電指令時，斷開PDU中控制三相逆變橋供電的繼電器，保證充電時車輛不會運轉(zhuǎn)。同時吸合PDU中負極繼電器，閉合總成的充電功能輸出回路。控制單元按照BMS指令，通過對輸出側(cè)進行隔離采樣，調(diào)整電平轉(zhuǎn)換單元輸出的電壓電流大小，實現(xiàn)充電功能。當總成收到ECU發(fā)出的工作指令，閉合PDU中負極繼電器，閉合總成的DC／DC供電回路。控制單元對低壓輸出進行隔離采樣，根據(jù)反饋，調(diào)整電平轉(zhuǎn)換單元的功率輸出，從而實現(xiàn)DC／DC功能。當總成收到ECU發(fā)出的行駛指令，控制PDU中控制三相逆變器供電的繼電器及負極繼電器吸合，閉合總成電機控制器供電回路。控制單元根據(jù)ECU指令，采用矢量控制算法，通過調(diào)整三相逆變橋占空比，實現(xiàn)對電機輸出轉(zhuǎn)速及扭矩的控制。能量回收時，通過三相逆變橋的控制，調(diào)整反饋電流，并通過PDU輸送回動力電池組。

3.4 各模塊的功能要求及技術(shù)參數(shù)

3.4.1 電機控制器模塊

電機控制器模塊在控制電機方面采用帶速度傳感器的矢量控制［10］，車輛初次啟動需從空擋開始，換擋需踩制動才有效。另外具有經(jīng)濟、運動兩種運行模式：運動模式最高轉(zhuǎn)速不低于6500r／min，最高車速不低于105km／h；0—50km／h加速時間＜10s，最大爬坡度＞20%。經(jīng)濟模式時最高轉(zhuǎn)速3600r／min，最高車速為60km／h，最大爬坡度＞20%。在自我保護方面的設(shè)計，具有過壓、過流、欠壓、欠流、電機過熱、控制器過熱、充電禁行等保護功能，此外還具有限制輸出電流可調(diào)和防溜坡、防碰撞、怠速功能，以及必要的檢測、診斷、能量回收等［11］。防護等級達到IP67，以上設(shè)計均達到最新法規(guī)要求。電機控制器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 電機控制器模塊技術(shù)參數(shù)

3.4.2 DC轉(zhuǎn)換器模塊

DC轉(zhuǎn)換器模塊的設(shè)計功能具有過流限制、輸出短路保護、輸入接反保護、過熱保護、自然散熱等。工作環(huán)境溫度：-30℃～+60℃。低壓保護：輸入等于72±2V后立即關(guān)閉輸出，等輸入電壓回升到76±2V恢復(fù)正常輸出。輸出短路保護：輸出端短路后限流輸出，短路消失后恢復(fù)正常輸出電壓。負載率：0～100%，連續(xù)120%負載時間長為6min。輸入對輸出耐壓1500Vac（2100Vdc）／3s，漏電流≤5mA；輸入對外殼耐壓1500Vac（2100Vdc）／3s，漏電流≤5mA；輸出對外殼耐壓 500Vac（700Vdc） ／3s，漏電流≤5mA；輸入對輸出在500Vdc測試時，絕緣電阻≥100MΩ。DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 DC轉(zhuǎn)換器模塊技術(shù)參數(shù)

3.4.3 車載充電機模塊

車載充電機模塊具有輸出過壓、蓄電池欠壓、輸出過流、過溫、短路、反接等自我保護功能［12］。①過壓保護：超過最高輸出電壓+2．5%時，關(guān)閉輸出。②蓄電池欠壓保護：當檢測到蓄電池電壓低于充電機開機電壓時，充電機關(guān)閉輸出，直到蓄電池電壓達到開機電壓時充電機才開啟輸出。③輸出過流保護：充電機將按電流限制值自動限制輸出電流。④過溫保護：75～90℃范圍內(nèi)降功率運行 （溫度每升高5℃，充電機輸出功率降低10%）90℃停機；溫度恢復(fù)到65℃后，自動恢復(fù)工作。⑤短路保護：輸出短路，將關(guān)閉輸出；故障排除后10s內(nèi)自動恢復(fù)工作。⑥反接保護：蓄電池反接時充電機機內(nèi)輸出繼電器不吸合，并關(guān)閉輸出。蓄電池反接不會損壞蓄電池及充電機。此外設(shè)計內(nèi)容還具有輸出電壓反饋故障保護功能：當輸出電壓反饋電路出現(xiàn)故障，使得反饋誤差超出整定值的±4%時，充電機將關(guān)機保護并告警。它的好處是在充電過程中能夠提前預(yù)知充電機將可能發(fā)生的輸出過壓或欠壓故障，使得蓄電池得到及時保護，有效防止蓄電池過充或欠充。車載充電機模塊技術(shù)參數(shù)如表4所示。

3.4.4 高壓盒模塊

高壓盒的設(shè)計功能是為了保證整個高壓系統(tǒng)和各個高電壓電器設(shè)備的安全性、系統(tǒng)絕緣、電磁干擾及屏蔽等，實現(xiàn)對各路輸出的分別控制和對高壓連接狀態(tài)與絕緣狀態(tài)進行實時監(jiān)控［13］。4個繼電器的吸合條件如表5所示。5個熔斷絲位置及規(guī)格如表6所示。

4 結(jié)束語

隨著電動汽車保有量增加，電動汽車整車的安全性及可靠性要求也不斷提高。為了解決電機控制器、DC轉(zhuǎn)換器、車載充電機和高壓盒等4個部件分立設(shè)計難以布局、部件間連接點較多，電流較大、EMI源分散、設(shè)計和使用復(fù)雜程度較高等問題，本文設(shè)計研究了“高壓集成四合一”電氣總成控制系統(tǒng)。該總成控制系統(tǒng)不僅可提高零部件的利用率和安全性，還可降低整車的質(zhì)量和電磁干擾。此外對提升整車的性能與安全、促進產(chǎn)業(yè)升級、降低車輛能耗，推動電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展也具有明顯作用。

表4 車載充電機模塊技術(shù)參數(shù)

表5 高壓盒內(nèi)繼電器分類及吸合條件

表6 高壓盒內(nèi)熔斷絲位置及規(guī)格