新能源客車高壓附件集成控制器開發(fā)

朱正禮，周紅麗

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 引言

隨著環(huán)保及節(jié)能要求的提高，新能源客車應(yīng)用越來越廣泛。依據(jù)類型、長度和配置等劃分，新能源客車有不同的分類，如按類型可分為純電動(dòng)客車、混合動(dòng)力客車和燃料電池客車等；依據(jù)長度劃分，有特大型、大型、中型和小型；依據(jù)配置可分為高三級、高二級、高一級、中級和普通級[1]。新能源客車高壓系統(tǒng)除了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)外，還包含種類繁多的附件系統(tǒng)，如慢充接口、快充接口、BDU(電池高壓盒)、PDU(高壓配電盒)、MCU(電機(jī)控制器)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DCDC、油泵DC/AC、轉(zhuǎn)向泵、氣泵DC/AC、空壓機(jī)、空調(diào)和除霜器等。新能源客車亟需在統(tǒng)一高壓電氣架構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)平臺化高壓電氣部件，以提高整車安全性能，降低整車設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少整車重量，并優(yōu)化整車成本。

1 高壓附件集成控制器開發(fā)

1.1 平臺化高壓電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)

新能源客車作為公共交通工具，充電是在專門的停車場由專人負(fù)責(zé)，安全檢查更頻繁，對安全性、可靠性的要求更高。因此，本文基于需要共同遵循的一些設(shè)計(jì)原則[2-5]及安全標(biāo)準(zhǔn)[6-7]設(shè)計(jì)了平臺化高壓電氣架構(gòu)，能夠滿足：

a.涵蓋6～18 m不同長度車型的功率和配置需求。

b.純電動(dòng)、混合動(dòng)力及燃料電池不同車型的配置需求。

c.能源部件不同安裝位置的要求，如動(dòng)力電池頂置、底置和后艙布置等。

d.盡可能減少高壓電氣接口的數(shù)量。

e.在滿足充電安全的前提下，盡可能減少專業(yè)充電人員的操作。

f.高壓部件的檢修及更換需要更便于維修人員操作。

如圖1所示，平臺化高壓電氣架構(gòu)特點(diǎn)在于：

圖1 新能源客車平臺化高壓電氣架構(gòu)

a.獨(dú)立的充電控制策略。整車充電時(shí)，DCDC接觸器和預(yù)充電路工作，整車上其他的電氣部件不工作，提高了主接觸器和預(yù)充電路壽命及整車充電安全性，降低了能耗；同時(shí)，充電時(shí)不需要閉合整車低壓電源總開關(guān)，減少了充電操作步驟，并避免了充電后未斷開電源總開關(guān)而導(dǎo)致蓄電瓶虧電的風(fēng)險(xiǎn)。

b.高壓附件集成控制策略。PDU、DCDC、油泵DCAC、氣泵DCAC和除霜控制集成為1個(gè)高壓附件集成控制器ACU。

c.統(tǒng)一的安全監(jiān)控策略。ACU采用1塊控制板加多塊功率板的方式集成設(shè)計(jì)，對外作為1個(gè)通信及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，降低了整車主干網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度；ACU控制主接觸器及預(yù)充電路、DCDC接觸器及預(yù)充電路，統(tǒng)一管理整車高壓電氣的上、下電流程，監(jiān)控所有部件的主動(dòng)放電過程。

1.2 高壓附件集成控制器硬件設(shè)計(jì)

ACU是整車高壓電氣架構(gòu)及附件控制的載體，既需要把來自儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能進(jìn)行分配，同時(shí)需要根據(jù)各個(gè)傳感器及CAN總線上的信號輸入進(jìn)行決策，控制整車高壓上下電和各個(gè)附件執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外，需要滿足《電動(dòng)客車安全技術(shù)要求》的規(guī)定[8]，在高壓系統(tǒng)失效時(shí)，需要確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全。ACU具有如下功能：

a.為各個(gè)高壓負(fù)載提供高壓配電，包括電機(jī)控制器、電空調(diào)等。

b.把動(dòng)力電池電壓轉(zhuǎn)換為27 V的整車低壓用電(DC/DC功能)。

c.把動(dòng)力電池電壓轉(zhuǎn)換為380 V的交流電，驅(qū)動(dòng)氣泵電機(jī)工作(氣泵DC/AC功能)和油泵電機(jī)工作(油泵DC/AC功能)。

d.用蓄電池驅(qū)動(dòng)低壓轉(zhuǎn)向油泵工作(低壓轉(zhuǎn)向冗余功能)。

e.控制高壓除霜器工作(除霜控制)。

f.主接觸器及預(yù)充功能。

g.通過急停開關(guān)緊急關(guān)斷高壓功能。

控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

圖2 高壓附件控制器ACU的硬件結(jié)構(gòu)

a.采用主從式硬件結(jié)構(gòu)。主控制板主要功能是：對外作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接收傳感器和開關(guān)信號，并交互總線通信信息；對內(nèi)基于工況及整車控制器的指令信息，控制主接觸器、預(yù)充電路完成高壓上下電，并發(fā)送指令信息給各從控板來控制外部的油泵、氣泵、除霜及24 V電源輸出。從控制板主要作為執(zhí)行部分，驅(qū)動(dòng)外部油泵、氣泵、除霜及實(shí)現(xiàn)DCDC變換輸出。主從式硬件結(jié)構(gòu)一方面可以適應(yīng)車輛功能的靈活配置，另一方面保障了整車主干通信網(wǎng)絡(luò)安全，對外作為1個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，內(nèi)部自組成1個(gè)網(wǎng)絡(luò)，避免了內(nèi)部節(jié)點(diǎn)通信出現(xiàn)問題，而對整車主干網(wǎng)絡(luò)造成不良影響。

b.采用了高、低壓轉(zhuǎn)向“雙源冗余”功能。一旦高壓系統(tǒng)失效，低壓轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電路及時(shí)進(jìn)行切換。

c.除霜功率驅(qū)動(dòng)采用IGBT代替接觸器實(shí)現(xiàn)。避免了除霜功能關(guān)閉時(shí)帶載切斷而導(dǎo)致的接觸器損傷。

控制器主控芯片采用ST的SPC560B60L7C6E0X，分別有4路高電壓、電流采集通道，6路CAN通道，10路繼電器驅(qū)動(dòng)；從控芯片采用TI的TMS320F28035，采用32位CPU，7個(gè)增強(qiáng)型ePWM模塊；DCAC功率器件選用英飛凌IGBT模塊FS75R12KT4_B15，驅(qū)動(dòng)芯片選用PI SID1152K，DCAC薄膜選用2片法拉板級DC-LINK電容器8 μF/1 000VDC并聯(lián)，相電流采樣選用Allegro霍爾IC ACS770LCB-100B-PFF-T，直流側(cè)電流采樣使用Allegro霍爾IC ACS724LMATR-30AU-T；電除霜控制IGBT選用IR單管 AUIRG4PH50S，低壓轉(zhuǎn)向功率MOSFET型號為STP75NF75。

高低壓“雙源冗余”轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，高低壓采用相同的使能邏輯電路、不同的驅(qū)動(dòng)電路和功率輸出電路。當(dāng)高壓轉(zhuǎn)向需要轉(zhuǎn)換到低壓轉(zhuǎn)向時(shí)，從控板關(guān)閉高壓轉(zhuǎn)向的硬件發(fā)波電路，切換到低壓轉(zhuǎn)向的發(fā)波硬件電路。轉(zhuǎn)向使能邏輯電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，高壓使能和低壓使能在同一時(shí)間，只能有1個(gè)信號有效，以確保轉(zhuǎn)向控制的安全。

圖3 高低壓“雙源冗余”轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

圖4 高低壓“雙源冗余”轉(zhuǎn)向使能邏輯電路結(jié)構(gòu)

1.3 高壓附件集成控制策略

1.3.1 主控板與從控板之間的通信及診斷策略

通信與故障診斷共用1路CAN總線，如圖5所示。利用UDS完成ACU的診斷、標(biāo)定和程序升級工作；UDS請求和應(yīng)答的報(bào)文信息只在診斷、標(biāo)定和程序升級時(shí)才會(huì)發(fā)出，不影響ACU與整車通信網(wǎng)絡(luò)上其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信。當(dāng)需要進(jìn)行程序升級時(shí)功能程序跳入引導(dǎo)程序,此時(shí)ACU不響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)的通信，僅進(jìn)行程序升級。ACU作為網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)其內(nèi)部各個(gè)從控板的UDS報(bào)文，ACU接收其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信報(bào)文進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，從而控制其內(nèi)部各個(gè)從控板進(jìn)行工作。

圖5 主控板與從控板之間的通信及診斷邏輯

1.3.2 整車高壓上下電控制策略

將整車充電時(shí)的高壓上下電和非充電時(shí)的上下電過程進(jìn)行分離，流程分別如圖6和圖7所示。

圖6 整車非充電時(shí)的上下電流程

圖7 整車充電時(shí)的上下電流程

這樣既能滿足整車充電時(shí)低壓電子模塊的供電，又能夠防止由于忘記斷開大閘而出現(xiàn)的蓄電池虧電風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，由于整車充電時(shí)復(fù)用了DCDC模塊，降低了成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。

1.3.3 轉(zhuǎn)向高壓下電及“隨動(dòng)轉(zhuǎn)向”策略

車輛在行駛過程中一旦出現(xiàn)掉高壓，轉(zhuǎn)向助力會(huì)突然丟失，安全隱患非常大。ACU在軟件上的安全策略是：在整車有嚴(yán)重故障需要主動(dòng)切斷高壓時(shí)，只有當(dāng)車速低于一定值(5 km/h)時(shí)才允許切斷高壓；同時(shí)，ACU基于轉(zhuǎn)向“雙源冗余”的硬件配置，在正常工作時(shí)，高低壓轉(zhuǎn)向使能切換邏輯隨時(shí)待命，在車速大于5 km/h情況下，如果檢測到高壓轉(zhuǎn)向出現(xiàn)故障或接收到整車控制器發(fā)送的緊急下高壓指令，ACU會(huì)在200 ms內(nèi)完成高壓轉(zhuǎn)向使能切換到低壓轉(zhuǎn)向使能邏輯，保證整車轉(zhuǎn)向安全。

為了降低轉(zhuǎn)向能耗，ACU基于車輛運(yùn)行狀態(tài)、車速、是否打方向及轉(zhuǎn)向電機(jī)的相電流反饋等輸入，而采取“隨動(dòng)轉(zhuǎn)向”策略來實(shí)時(shí)調(diào)整油泵電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，如圖8所示。如在車輛靜止過程中需要轉(zhuǎn)向時(shí)，ACU會(huì)控制拉升轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)向功率；一旦車輛行駛在較高的車速(如20 km/h)時(shí)，整車的轉(zhuǎn)向功率需求降低，ACU會(huì)調(diào)整降低油泵轉(zhuǎn)速；整車在直線行駛不需要轉(zhuǎn)向時(shí)，ACU會(huì)控制油泵工作在一個(gè)較低的轉(zhuǎn)速；如在駐車過程中，不需要油泵工作時(shí)，ACU會(huì)暫停油泵工作，通過上述措施來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功耗降低。

圖8 “隨動(dòng)轉(zhuǎn)向”控制邏輯

1.4 高壓附件集成控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ACU外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮在整車上裝配、拆卸、高低壓線束敷設(shè)、水管敷設(shè)布置的合理和便捷性，以及更換線束、保險(xiǎn)、拆裝緊固件等的維修接近性。ACU內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用4層腔體，從上到下分別為：腔體a，包括繼電器、熔斷器等主控板等；腔體b，包括氣泵DC/AC、油泵DC/AC的驅(qū)動(dòng)和功率板；腔體c，即冷卻水道；腔體d，即DCDC功率模塊。將腔體b和腔體c放置在水道上下兩側(cè)，不僅可以同時(shí)冷卻，而且還能縮小ACU體積。

ACU內(nèi)部使用IGBT和變壓器，均會(huì)產(chǎn)生較大的熱損失并導(dǎo)致較高的溫度，進(jìn)而影響ACU的工作性能，甚至失效。通過對內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立模型、網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件及載荷后，在整車要求ACU最小水流量15 L/min情況下，對ACU內(nèi)部各高溫點(diǎn)進(jìn)行溫度場和流場分析。圖9為不同部件的溫度云圖，圖10為壓力云圖，圖11為速度流線圖。由仿真可知：在入水口冷卻液溫度為70 ℃時(shí)，DCDC底板最高溫度75.1 ℃，IGBT底板最高溫度84.2 ℃(對應(yīng)箱體熱阻約為0.058 ℃/W)；出水口冷卻液溫度70.8 ℃，相對入口溫升約為0.8 ℃；整體流動(dòng)性很好，出入口壓力損失約為2.091 kPa，流阻大小為8.36×106N·s·m-5，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖9 溫度云圖

圖10 壓力云圖

圖11 速度流線圖

1.5 高壓附件集成控制器安全設(shè)計(jì)

ACU采用如下安全設(shè)計(jì)來保障整車的高壓安全：

a.集成架構(gòu)減少硬件故障點(diǎn)。首先是預(yù)充回路及主接觸器配置在ACU內(nèi)部，且由ACU執(zhí)行控制，避免由于線束、接插件等故障而引起接觸器故障，減少了非預(yù)期的高壓下電故障，降低成本的同時(shí)減少線束故障點(diǎn)達(dá)15個(gè)，約降低50%的硬線故障點(diǎn)。

b.提升接觸器壽命。在預(yù)充回路的前、后端電壓采用相同的采樣電路和精度來檢測，采樣誤差值可降低20～50 A，避免了采樣誤差過大而對接觸器造成電流沖擊，可以極大地提高接觸器的壽命。

c.消除帶載切斷而導(dǎo)致接觸器粘連風(fēng)險(xiǎn)。針對高壓除霜器PTC為帶載切斷的特點(diǎn)，ACU采用IGBT實(shí)現(xiàn)除霜功率輸出，由于IGBT帶載關(guān)閉的特性優(yōu)于接觸器，消除了接觸器粘連的隱患。

d.通過計(jì)算、仿真等手段實(shí)現(xiàn)電氣間隙、爬電距離和X/Y電容的匹配等關(guān)鍵點(diǎn)，使ACU的絕緣電阻在1 000 V直流電壓下不低于30 MΩ。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

對設(shè)計(jì)開發(fā)的高壓附件控制器進(jìn)行了臺架及整車搭載試驗(yàn)。在環(huán)境溫度為85 ℃、入水口溫度為75 ℃的條件下進(jìn)行滿負(fù)荷測試，ACU臺架的熱平衡試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 ACU熱平衡試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，ACU內(nèi)部各高溫測試點(diǎn)溫度均在報(bào)警限值以下，完全能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表1為ACU在公交工況下運(yùn)行1天的轉(zhuǎn)向能耗數(shù)據(jù)(公交工況1圈約19 km)。

表1 公交工況轉(zhuǎn)向能耗對比

從表1可以看出，基于“隨動(dòng)轉(zhuǎn)向”控制策略，在公交工況下，優(yōu)化后的ACU的轉(zhuǎn)向功耗降低約30%，可以為整車減少約3 kW·h的耗電量，增加了整車的續(xù)駛里程。

采用平臺化高壓電氣架構(gòu)后的整車后艙布置如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后整車后艙布置

由圖13可知，高壓部件ACU、BDU和MCU布置在后艙，非常便于維護(hù)。ACU布置空間減小50%，高壓接點(diǎn)減少15個(gè)，減重40%(集成前獨(dú)立部件總質(zhì)量為45 kg左右，而ACU的質(zhì)量為28 kg)，降低成本4 300多元；同時(shí)，從原來裝配多個(gè)零件變?yōu)橹恍枰b配1個(gè)零部件，提升生產(chǎn)裝配效率300%。

3 結(jié)束語

基于平臺化的高壓電氣架構(gòu),設(shè)計(jì)開發(fā)了高壓附件集成控制器ACU。通過集成化設(shè)計(jì)、優(yōu)化及控制策略，提高了通信的魯棒性，并基于硬件設(shè)計(jì)及控制策略解決了轉(zhuǎn)向安全性問題和能耗問題，降低了公交車充電時(shí)未斷開大閘而導(dǎo)致的虧電風(fēng)險(xiǎn)。此ACU已經(jīng)得到了批量應(yīng)用。