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带你认识电动汽车高压电气系统

有6人浏览 日期:2020-03-20放大字体  缩小字体

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 电动汽车,以动力电池为能源,依靠电机驱动车轮转动,实现运动。本文主要表述高压系统的组成,工作原理,设计原则三个方面,最后并展示一个设计实例。

1 高压系统组成

高压系统可以从整体上看成三个部分,电源系统、驱动系统和电动设备。

电源系统,我们一般说起来就叫电池,实际上,“电池”不是一个简单的电池,而是由成千上万的电池单体组合而成的大家伙,重量能达到几百公斤。

电池系统内,电芯单体串并联在一起,强电回路配置有负责通断的主正主副继电器,电流测量传感器以及防止短路事故造成重大危害的熔断器。

电池包的电压平台等级,是按照整车的需要配置的。整车要求电池包供给怎样的电压,电池包设计工程师,通过调整电池的串联数量调节电压值。而电池包的放电功率,依然是遵从整车的需求确定,工程师通过调整电池的并联数量调整电流的最大输出能力。

当然,前面做法的前提是,电池体系规格已经选定。电池单体差异性很大。不同厂家相同型号的电池,其参数会存在差异;同一厂家不同批次的电池,也不能支持互换。因此说电池包的电池配置,必须是在指定电池具体型号具体参数的前提下。

驱动系统,驱动系统主要由电机控制器和电机本体共同组成。电机控制器接收整车控制器的指令,把电池包提供的电力逆变成电机能够利用的形式。电动汽车选用的电机,当前主流是永磁同步电机和异步电机,他们都是靠交流变频控制驱动的。电机控制器的主体就是一个调整频率的电力逆变器。电机按照整车的要求,输出转矩和转速给车辆的传动系统,使得车轮转速严格按照整车控制器的预期转动。之后,整车控制器采集车轮转速,校核控制结果是否满足驾驶员的输入要求。如果不符合,则进行动态调整。电动汽车的驱动明显的与传统车不同,它是一个闭环控制系统。

 

电动设备,电动汽车上的电动设备包括转向助力系统、制动系统、电动空调和电加热设备。

转向助力系统由变频驱动器和转向助力油泵组成,协助车辆转动方向盘,减轻人驾驶车辆的负担。

制动系统,由变频驱动器和电动空压机组成,给制动系统、悬挂系统提供压缩空气,实现制动功能。

电空调和PTC,为了调节车辆内部空间温度,电动汽车上设置冷暖空调或者空调配PTC加热。空调和加热器是电动汽车上的用电大户。

2 电气架构的设计原则

整车电气,按照用电器布置的集中程度不同,可以划分成分布式和集中式两种。

分布式,每个用电器直接从动力电池包取电,各自设置控制开关和熔断器,回路开关受整车控制器控制。

集中式,设置分线盒或者叫高压盒,名字并不统一,但意图是将电源从电池包引出以后,直接引入集成的高压盒,在高压盒内设置直流母排,不同用电器从母排取电或者连接到引出接口,在高压盒外部用电。

有人总结了电气架构的基本设计原则。1)各高压部件应确保不工作不带电;2) 各高压部件的保险丝盒应当与动力电池系统隔离, 避免保险丝更换对电池包防护等级的影响;3) 工作步调相近,功率相近的部件尽量共用一套接触器和熔断器,减少接触器熔断器数量; 4)尽量减少动力电池系统电气接口的数量,一面对防护等级造成不良影响。

电动汽车高压电气的布置,正在一步步向着集成化方向发展,已经有专门的供应商专业设计集成高压系统,在一个封闭空间内安置全部用电器。不过,电机控制器和直流充电回路,工作电流比较大,发热量比较高,想要集成,有一些难度。真正做到大规模的集成,高压盒需要进一步增加热管理功能。

集中放置用电器,除了设计原则所表述的减少电气数量和电缆长度,降低防护风险以外,另一个好处是,可以用印刷电路板部分的代替一些电器件以及部分导线,既节省空间,又降低成本。集成化,是汽车高压电气的未来方向所指。

3 高压上下电逻辑

每个厂家每个车型,都有自己的上下电逻辑,不同的汽车电气供应商都要与整车控制器核对通讯协议,在整车控制器的指令下协调工作。下面所表述的,只是一个比较典型的上下电逻辑过程。

高压上电,车辆打到“on”档,整车控制器和BMS上电,高压进入上电程序。

整车控制器向BMS发送上电指令;

BMS自检无故障,闭合主负继电器,再闭合预充电继电器,给电机控制器并联电容充电;

预充电结束后,闭合主正控制器,并上报VCU“上电完成”;

VCU接到报文,延时一段时间后,闭合DCDC回路开关,并发送使能信号,DCDC开始给车上的用电器供电;此时,整个车辆已经做好准备,可以开动了。

VCU受到“start”信号后,闭合DCAC供电回路,并发送使能信号给转向助力变频器;

VCU受到驾驶员“起步”信息,于是发送转矩信息给电机控制器,车辆进入低速运行状态。

 

高压下电,车辆处于运行状态时,钥匙被打到“on”状态,车辆进入下电程序。

VCU向电机发送输出转矩为0指令,延时一段时间断开电机供电回路;

VCU控制DCDC和DCAC停止工作,延时后断开回路继电器;

VCU收到电机回路、DCDC、DCAC回路继电器全部断开反馈信号后,给BMS发送下电指令;

BMS收到下电指令,给系统内部一定延时后,一般按照主正、主负的顺序断开断路器。

 

4举个例子

如上图所示,这是一个公交车的高压电气原理图。从电池包正负极输出的电力,可以直观的想象成一对直流母排,车载用电器依次连接在母排上。仔细观察原理图,可以看到,在这个设计方案中,除了电机和电除霜以外,其余用电气都没有在自己的支路上单独设置开关;而在直流母排的中间偏左位置,设置了一个继电器,这个继电器可以统一的把充电机和电机及其控制器以外的用电器切断。如果想要使用其中的一个电器,则其余电气也跟着接通电源。

这个设计节省了多个继电器,但牺牲了任意切除某个用电气的便利。在实际工程中,成本和功能之间,往往需要作出取舍。

 

 

参考

1 李东艳,电动汽车高压上下电控制电路及系统研究;

2 李田田,纯电动汽车高压电气架构的设计;

3 李峰,少林纯电动客车电气系统与工作原理;

4 石添华,某款纯电动客车系统匹配和方案设计;

5 张新丰,汽车智能电器系统;

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