車(chē)建華，盧 浩，陳忠海，杜 鋒，柳俊宇，羅學(xué)鵬

（1.康迪電動(dòng)汽車(chē) （海南）有限公司，海南 ?？?570100；2.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

1 引言

電動(dòng)汽車(chē)由于其效率高、節(jié)能性好、噪聲低、無(wú)尾氣排放，同時(shí)電動(dòng)汽車(chē)也無(wú)需復(fù)雜的傳動(dòng)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(chē)行業(yè)的重點(diǎn)研究發(fā)展方向［1］。目前，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)品質(zhì)與性能研究處于快速發(fā)展時(shí)期，整車(chē)的安全性、可靠性及電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)水平有待進(jìn)一步提升與優(yōu)化，電力電子設(shè)計(jì)趨向模塊化、智能化、集成化、輕量化［2］。

目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電機(jī)控制器、DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電機(jī)和高壓盒等4個(gè)部件多數(shù)為分立設(shè)計(jì)，存在以下問(wèn)題：①難以布局；②部件間連接點(diǎn)較多，電流均較大，存在一定的安全隱患，降低了整車(chē)系統(tǒng)的可靠性；③EMI（Electro Magnetic Interference，電磁干擾）源分散，不僅4個(gè)部件產(chǎn)生EMI，而且部件間的連接線也會(huì)造成一定的EMI問(wèn)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(jìn)行控制，通過(guò)CAN總線通信，設(shè)計(jì)和使用復(fù)雜程度較高。因此，本文通過(guò)對(duì)以上4種部件進(jìn)行研究并提出一種將上述4種部件集成到一個(gè)總成部件 （“高壓集成四合一”）的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)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(shí)有效提高零部件的利用率、降低材料成本和減輕整車(chē)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(jì)的“高壓集成四合一”電氣總成擬用一個(gè)控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)總成內(nèi)部控制的需求，簡(jiǎn)化對(duì)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(jìn)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?fù)涞碾娐方M成。三相逆變橋由功率管組成?？偝膳c外部通信通過(guò)CAN通信實(shí)現(xiàn)。

電氣總成控制原理如下：當(dāng)控制單元檢測(cè)到電網(wǎng)輸入時(shí)，電平轉(zhuǎn)換器在控制單元的控制信號(hào)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(guò)PDU模組向動(dòng)力電池組進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)載充電機(jī)功能；當(dāng)控制單元收到車(chē)輛起動(dòng)或充電槍插入信號(hào)時(shí)，電平轉(zhuǎn)換器在控制單元的控制下，通過(guò)PDU模塊輸出12V供電電壓，實(shí)現(xiàn)DC轉(zhuǎn)換器功能；當(dāng)控制單元收到行車(chē)指令時(shí)，通過(guò)控制三相逆變橋，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流異步電機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器功能，能量回饋的電流通過(guò)PDU模組返回動(dòng)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(jì)

3.1 電氣總成控制邏輯

“高壓集成四合一”電氣總成設(shè)計(jì)過(guò)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(chē)型或存在通用可能的其他車(chē)型上的拓展可行性，利于達(dá)到通用化和配置升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)整車(chē)安裝簡(jiǎn)化、布局優(yōu)化、維護(hù)便利、成本降低的目標(biāo)?！案邏杭伤暮弦弧彪姎饪偝烧w防護(hù)等級(jí)達(dá)IP67，同時(shí)滿足國(guó)家規(guī)定的電磁兼容性及有害物質(zhì)檢測(cè)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(dāng)有預(yù)充電信號(hào)時(shí)，充電機(jī)內(nèi)部常閉觸點(diǎn)K2繼電器接通信號(hào)，常閉觸點(diǎn)K2閉合，使得常開(kāi)觸點(diǎn)K1的繼電器失電，K1觸點(diǎn)接觸。當(dāng)有ACC和充電槍信號(hào)時(shí)，使得常開(kāi)觸點(diǎn)K4閉合，同時(shí)檢測(cè)到AC輸入后常開(kāi)觸點(diǎn)K3閉合，CHARGER_B+和CHARGER_B-接口連接外部電源對(duì)電池充電，此時(shí)由于K1的斷開(kāi)，使得電機(jī)控制器、高壓盒和BMS都與電池?cái)嚅_(kāi)連接，停止工作。當(dāng)電池充滿后，K4斷開(kāi)，K1閉合，車(chē)載充電機(jī)停止工作。此時(shí)BMS和單片機(jī)等主控制器信號(hào)會(huì)持續(xù)輸出工作。當(dāng)有PTC_ECU和A／C_ECU控制信號(hào)時(shí)，各自的PTC和A／C觸點(diǎn)閉合給電機(jī)控制器具體控制部分信號(hào)。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(chē)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(jì)

“高壓集成四合一”電氣總成是按照模塊化原則來(lái)設(shè)計(jì)的。電機(jī)控制器模塊主要作用是連接電源與電機(jī)之間能量傳輸，可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(hào)接口電路、電機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成［3］。電機(jī)控制器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)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(guò)來(lái)的直流電能逆變?yōu)槿嘟涣麟娔芄┙o汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；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(jī)部分，也就是驅(qū)動(dòng)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(lái)接收駕駛員的指令，把駕駛員的操作意圖變成對(duì)電機(jī)的控制［4］。此外還可以接收電機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)，并把信號(hào)轉(zhuǎn)換后反饋到儀表盤(pán)，便于駕駛員得到相應(yīng)的車(chē)速等信息。若出現(xiàn)加速或制動(dòng)等工況，控制器則可以控制變頻器頻率的升降，從而達(dá)到加速和減速的目的，從而保證良好的動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換交流電為電池充電電壓，通過(guò)PDU模組給電池充電和將電池的輸出電壓進(jìn)行變換后供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)輸入時(shí)，DC轉(zhuǎn)換器在控制單元的信號(hào)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(duì)DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制、計(jì)算、監(jiān)測(cè)、修正、保護(hù)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(dāng)接入交流電時(shí)，并非直接轉(zhuǎn)換交流電給電池充電，而是通過(guò)BMS系統(tǒng)先對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行采集和分析，進(jìn)而調(diào)整充電參數(shù)，以便合理高效充電和保護(hù)電池。當(dāng)車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)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(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓。DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)由移相全橋拓?fù)渲麟娐?、?qū)動(dòng)模塊和控制模塊3部分組成［7］。驅(qū)動(dòng)模塊主要是輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的；控制模塊為移相全橋拓?fù)渲麟娐返姆答?，采用平均電流控制模式。移相全橋拓?fù)渲麟娐肥荄C轉(zhuǎn)換器的主體［8］，又稱(chēng)為功率模塊，其移相全橋拓?fù)渲麟娐啡鐖D3所示。

圖3 移相全橋拓?fù)渲麟娐?/p>

圖3 中，Vin為輸入電壓，通過(guò)電路回路在輸出端得到輸出電壓。原邊開(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)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(jìn)行控制。總成內(nèi)部高壓用電器較多，如電機(jī)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(chē)用動(dòng)力電池相連，否則會(huì)造成線束多且雜亂無(wú)章，成本也會(huì)增加。因而需要增加動(dòng)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(jì)更加緊湊，接線布局更加方便。其中包括4個(gè)繼電器和5個(gè)熔斷絲。4個(gè)繼電器分別是圖2中K1、充電機(jī)常閉觸點(diǎn)、K3、K4。5個(gè)熔斷絲見(jiàn)圖4中各模塊控制邏輯布置。

圖4 控制器、DC、充電機(jī)、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(shí)施方式

電氣總成使用單個(gè)輔助電源實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等進(jìn)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(wèn)題。此外還使用疊層母排進(jìn)行了內(nèi)部大電流連接，對(duì)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(gè)連接端子造成的EMI泄露。同時(shí)因總成整體使用鑄鋁外殼，形成了一個(gè)完整的屏蔽罩，能有效提高系統(tǒng)的EMC能力。

電氣總成通過(guò)CAN總線與ECU及BMS等外部設(shè)備進(jìn)行通信，當(dāng)收到BMS充電指令時(shí)，斷開(kāi)PDU中控制三相逆變橋供電的繼電器，保證充電時(shí)車(chē)輛不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)吸合PDU中負(fù)極繼電器，閉合總成的充電功能輸出回路?？刂茊卧凑誃MS指令，通過(guò)對(duì)輸出側(cè)進(jìn)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(shí)現(xiàn)充電功能。當(dāng)總成收到ECU發(fā)出的工作指令，閉合PDU中負(fù)極繼電器，閉合總成的DC／DC供電回路?？刂茊卧獙?duì)低壓輸出進(jìn)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(shí)現(xiàn)DC／DC功能。當(dāng)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(fù)極繼電器吸合，閉合總成電機(jī)控制器供電回路?？刂茊卧鶕?jù)ECU指令，采用矢量控制算法，通過(guò)調(diào)整三相逆變橋占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速及扭矩的控制。能量回收時(shí)，通過(guò)三相逆變橋的控制，調(diào)整反饋電流，并通過(guò)PDU輸送回動(dòng)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(jī)控制器模塊

電機(jī)控制器模塊在控制電機(jī)方面采用帶速度傳感器的矢量控制［10］，車(chē)輛初次啟動(dòng)需從空擋開(kāi)始，換擋需踩制動(dòng)才有效。另外具有經(jīng)濟(jì)、運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行模式：運(yùn)動(dòng)模式最高轉(zhuǎn)速不低于6500r／min，最高車(chē)速不低于105km／h；0—50km／h加速時(shí)間＜10s，最大爬坡度＞20%。經(jīng)濟(jì)模式時(shí)最高轉(zhuǎn)速3600r／min，最高車(chē)速為60km／h，最大爬坡度＞20%。在自我保護(hù)方面的設(shè)計(jì)，具有過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、欠流、電機(jī)過(guò)熱、控制器過(guò)熱、充電禁行等保護(hù)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(cè)、診斷、能量回收等［11］。防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，以上設(shè)計(jì)均達(dá)到最新法規(guī)要求。電機(jī)控制器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)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(jì)功能具有過(guò)流限制、輸出短路保護(hù)、輸入接反保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、自然散熱等。工作環(huán)境溫度：-30℃～+60℃。低壓保護(hù)：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(hù)：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(fù)載率：0～100%，連續(xù)120%負(fù)載時(shí)間長(zhǎng)為6min。輸入對(duì)輸出耐壓1500Vac（2100Vdc）／3s，漏電流≤5mA；輸入對(duì)外殼耐壓1500Vac（2100Vdc）／3s，漏電流≤5mA；輸出對(duì)外殼耐壓 500Vac（700Vdc） ／3s，漏電流≤5mA；輸入對(duì)輸出在500Vdc測(cè)試時(shí)，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(chē)載充電機(jī)模塊

車(chē)載充電機(jī)模塊具有輸出過(guò)壓、蓄電池欠壓、輸出過(guò)流、過(guò)溫、短路、反接等自我保護(hù)功能［12］。①過(guò)壓保護(hù)：超過(guò)最高輸出電壓+2．5%時(shí)，關(guān)閉輸出。②蓄電池欠壓保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓低于充電機(jī)開(kāi)機(jī)電壓時(shí)，充電機(jī)關(guān)閉輸出，直到蓄電池電壓達(dá)到開(kāi)機(jī)電壓時(shí)充電機(jī)才開(kāi)啟輸出。③輸出過(guò)流保護(hù)：充電機(jī)將按電流限制值自動(dòng)限制輸出電流。④過(guò)溫保護(hù)：75～90℃范圍內(nèi)降功率運(yùn)行 （溫度每升高5℃，充電機(jī)輸出功率降低10%）90℃停機(jī)；溫度恢復(fù)到65℃后，自動(dòng)恢復(fù)工作。⑤短路保護(hù)：輸出短路，將關(guān)閉輸出；故障排除后10s內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)工作。⑥反接保護(hù)：蓄電池反接時(shí)充電機(jī)機(jī)內(nèi)輸出繼電器不吸合，并關(guān)閉輸出。蓄電池反接不會(huì)損壞蓄電池及充電機(jī)。此外設(shè)計(jì)內(nèi)容還具有輸出電壓反饋故障保護(hù)功能：當(dāng)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(shí)，充電機(jī)將關(guān)機(jī)保護(hù)并告警。它的好處是在充電過(guò)程中能夠提前預(yù)知充電機(jī)將可能發(fā)生的輸出過(guò)壓或欠壓故障，使得蓄電池得到及時(shí)保護(hù)，有效防止蓄電池過(guò)充或欠充。車(chē)載充電機(jī)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(jì)功能是為了保證整個(gè)高壓系統(tǒng)和各個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)各路輸出的分別控制和對(duì)高壓連接狀態(tài)與絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控［13］。4個(gè)繼電器的吸合條件如表5所示。5個(gè)熔斷絲位置及規(guī)格如表6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車(chē)保有量增加，電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)的安全性及可靠性要求也不斷提高。為了解決電機(jī)控制器、DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電機(jī)和高壓盒等4個(gè)部件分立設(shè)計(jì)難以布局、部件間連接點(diǎn)較多，電流較大、EMI源分散、設(shè)計(jì)和使用復(fù)雜程度較高等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)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(chē)的質(zhì)量和電磁干擾。此外對(duì)提升整車(chē)的性能與安全、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、降低車(chē)輛能耗，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展也具有明顯作用。

表4 車(chē)載充電機(jī)模塊技術(shù)參數(shù)

表5 高壓盒內(nèi)繼電器分類(lèi)及吸合條件

表6 高壓盒內(nèi)熔斷絲位置及規(guī)格