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新能源客車高壓附件集成控制器開發(fā)

2020-09-04 23:13:55·  來源：上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心  
　
0 引言新能源客車高壓系統(tǒng)除了驅(qū)動系統(tǒng)?儲能系統(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)
0  引言

新能源客車高壓系統(tǒng)除了驅(qū)動系統(tǒng)?儲能系統(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

新能源客車平臺化高壓電氣架構(gòu),應(yīng)能夠滿足:

a.涵蓋6~18m不同長度車型的功率和配置需求?

b.純電動?混合動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)特點在于:
 
a.獨立的充電控制策略?整車充電時,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,充電時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?

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,對外作為1個通信及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,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)控所有部件的主動放電過程?

1.2  高壓附件集成控制器硬件設(shè)計

ACU是整車高壓電氣架構(gòu)及附件控制的載體,既需要把來自儲能系統(tǒng)的電能進(jìn)行分配,同時需要根據(jù)各個傳感器及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附件執(zhí)行機(jī)構(gòu)?另外,需要滿足《電動客車安全技術(shù)要求》的規(guī)定,在高壓系統(tǒng)失效時,需要確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全?ACU具有如下功能:

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

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

c.把動力電池電壓轉(zhuǎn)換為380V的交流電,驅(qū)動氣泵電機(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,具有如下幾個特點:

 
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,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24V電源輸出?從控制板主要作為執(zhí)行部分,驅(qū)動外部油泵?氣泵?除霜及實現(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個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,內(nèi)部自組成1個網(wǎng)絡(luò),避免了內(nèi)部節(jié)點通信出現(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)動電路及時進(jìn)行切換?

c.除霜功率驅(qū)動采用IGBT代替接觸器實現(xiàn)?避免了除霜功能關(guān)閉時帶載切斷而導(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;從控芯片采用TI的TMS320F28035,采用32位CPU,7個增強(qiáng)型ePWM模塊;DCAC功率器件選用英飛凌IGBT模塊FS75R12KT4_B15,驅(qū)動芯片選用PISID1152K,DCAC薄膜選用2片法拉板級DClink電容器8μF/1000VDC并聯(lián),相電流采樣選用Allegro霍爾ICACS770LCB100BPFFT,直流側(cè)電流采樣使用Allegro霍爾ICACS724LMATR30AUT;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,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間,只能有1個信號有效,以確保轉(zhuǎn)向控制的安全?

 
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)答的報文信息只在診斷?標(biāo)定和程序升級時才會發(fā)出,不影響ACU與整車通信網(wǎng)絡(luò)上其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信?當(dāng)需要進(jìn)行程序升級時功能程序跳入引導(dǎo)程序,此時ACU不響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點的通信,僅進(jìn)行程序升級?ACU作為網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)其內(nèi)部各個從控板的UDS報文,ACU接收其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信報文進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換,從而控制其內(nèi)部各個從控板進(jìn)行工作?

1.3.2整車高壓上下電控制策略

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

 
 
這樣既能滿足整車充電時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;同時,由于整車充電時復(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)重故障需要主動切斷高壓時,只有當(dāng)車速低于一定值(5km/h)時才允許切斷高壓;同時,ACU基于轉(zhuǎn)向“雙源冗余”的硬件配置,在正常工作時,高低壓轉(zhuǎn)向使能切換邏輯隨時待命,在車速大于5km/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會在200ms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“隨動轉(zhuǎn)向”策略來實時調(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,ACU會控制拉升轉(zhuǎn)速,提高轉(zhuǎn)向功率;一旦車輛行駛在較高的車速(如20km/h)時,整車的轉(zhuǎn)向功率需求降低,ACU會調(diào)整降低油泵轉(zhuǎn)速;整車在直線行駛不需要轉(zhuǎn)向時,ACU會控制油泵工作在一個較低的轉(zhuǎn)速;如在駐車過程中,不需要油泵工作時,ACU會暫停油泵工作,通過上述措施來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功耗降低?

1.4  高壓附件集成控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

ACU外形結(jié)構(gòu)設(shè)計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?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),不僅可以同時冷卻,而且還能縮小ACU體積?

 
ACU內(nèi)部使用IGBT和變壓器,均會產(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15L/min情況下,對ACU內(nèi)部各高溫點進(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,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℃;整體流動性很好,出入口壓力損失約為2.091kPa,流阻大小為8.36×106N·s·m-5,滿足設(shè)計需求?

 
 
1.5  高壓附件集成控制器安全設(shè)計

ACU采用如下安全設(shè)計來保障整車的高壓安全:

a.集成架構(gòu)減少硬件故障點?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,降低成本的同時減少線束故障點達(dá)15個，約降低50%的硬線故障點?

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20~50A,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?針對高壓除霜器PTC為帶載切斷的特點,ACU采用IGBT實現(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.通過計算?仿真等手段實現(xiàn)電氣間隙?爬電距離和X/Y電容的匹配等關(guān)鍵點,使ACU的絕緣電阻在1000V直流電壓下不低于30MΩ?

2  試驗驗證與分析

對設(shè)計開發(fā)的高壓附件控制器進(jìn)行了臺架及整車搭載試驗?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臺架的熱平衡試驗結(jié)果如圖12所示?

 
試驗結(jié)果表明,ACU內(nèi)部各高溫測試點溫度均在報警限值以下,完全能夠滿足設(shè)計指標(biāo)要求?

表1為ACU在公交工況下運行1天的轉(zhuǎn)向能耗數(shù)據(jù)(公交工況1圈約19km)?
 
從表1可以看出,基于“隨動轉(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3kW·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?

 
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%,高壓接點減少15個,減重40%(集成前獨立部件總質(zhì)量為45kg左右,而ACU的質(zhì)量為28kg),降低成本4300多元;同時,從原來裝配多個零件變?yōu)橹恍枰b配1個零部件,提升生產(chǎn)裝配效率300%?
 
 
 
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