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新能源汽車小三電系統(tǒng)（PDU+DC+OBC）技術研究
2020-10-20 23:44:11· 來源：《天際汽車科技集團有限公司》
0 引言近幾年，在國家政策的支持下，新能源汽車產(chǎn)銷量保持了較快增長，隨著規(guī)模效應，國家逐步降低對新能源汽車的補貼，新能源行業(yè)也啟動新一輪優(yōu)勝劣汰，對于新
0 引言
近幾年，在國家政策的支持下，新能源汽車產(chǎn)銷量保持了較快增長，隨著規(guī)模效應，國家逐步降低對新能源汽車的補貼，新能源行業(yè)也啟動新一輪優(yōu)勝劣汰，對于新能源整車企業(yè)，成本壓力越來越大。新能源汽車發(fā)展時間較短，零部件質量，軟件質量也是整車開發(fā)的難點。
針對這些問題，確定了小三電的技術方案：將主正、負接觸器從PDU中移到動力電池內部，PDU只為PTC、EAC、無線充電等較小功率的高壓電器配電；把車載充電和和DCDC變換器的功率模塊和控制模塊拆分，功率模塊由具備豐富經(jīng)驗的電源生產(chǎn)企業(yè)設計生產(chǎn)，控制模塊的軟、硬件由整車企業(yè)設計生產(chǎn)，整車企業(yè)定義控制模塊和功率模塊的接口。
這種方案把既要滿足汽車行業(yè)規(guī)范要求，又要滿足電源規(guī)范要求的復雜車載充電機、DCDC做了簡化成為功率模塊和控制模塊；功率模塊只需要滿足電源相關規(guī)范，有更多工業(yè)電源廠家可以進入，有利于實現(xiàn)規(guī)?；?，產(chǎn)品質量也得到保證；控制模塊的功能集成在VCU或是域控制器內，整車企業(yè)可利用成熟的軟件開發(fā)流程，設計解決復雜的充電系統(tǒng)邏輯，從而減少了與充電機供應商的溝通成本，大大提高的軟件可靠性。
1 技術分析及企業(yè)調研
欣銳科技、威邁斯、杭州富特三家國車載電源企業(yè)，占國內68%的市場份額，32%的份額被其它車載電源企業(yè)瓜分。特斯拉和國內的如廣汽、吉利、蔚來、奇瑞等各家的技術方案各不相同。小型化、集成化、高功率密度化就市場需求的方向，把小三電成為更利于規(guī)?；漠a(chǎn)品的企業(yè)，將會在下一輪競爭中勝出。
1.1 車載充電機和DCDC的技術方案
電動汽車的OBC主要由功率電路（PFC+移相全橋/LLC）和控制電路組成，可分為單向OBC和雙向OBC，單向OBC只能給動力電池充電，雙向OBC可以把動力電池的直流電逆變成為家用220V交流電。OBC+DCDC磁集成，如圖1所示。OBC、DC共用控制電路、DC輸出全橋電路、DC輸出濾波電路，能夠降低成本，減小體積。
OBC和DC總成在整車上動用難度和工作量很大，邏輯單片機外圍電路需要滿足ISO16750相關的要求，邏輯功能要匹配整車進行調整定義，充電機的狀態(tài)機定義，充電上、下電時序，電子鎖控制及檢測電路與整車的電子鎖的驅動方式及驗證。使單件和軟、硬件研發(fā)成本高昂。
1.2 高壓配電盒方案分析
高壓配電盒即PDU，由于PDU與整車電氣布置相關，每個車型的PDU都有差異，所以PDU難以形成標準品。市場上主流方式有兩種：一種是針對具體車型定制開發(fā)PDU產(chǎn)品；另一種方式是將PDU功能集成到其他零部件中，如針對具體車型定制開發(fā)OBC+DC+PDU多合一產(chǎn)品。
特斯拉把PDU集成到動力電池中，整車少了PDU這個零件，減少了開發(fā)成本；比亞迪E5把OBC，DCDC，電機控制器，動力電池繼電器，配電等部集成在一起；吉利與比亞迪比起來，PDU中少了電機控制器。
綜合多家整車企業(yè)的PDU方案，成本最優(yōu)靠性最好的特斯拉，國內整車企業(yè)的整合能力達不到特斯拉的水平，但有一定的改進空間。
1.3 充電系統(tǒng)控制分析
國家標準化管理委員會在2015年12月發(fā)布了GB/T18487.1-2015電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分：通用要求，定義了充電接口原理和時序，于2017年10月發(fā)布了GB/T34657.2-2017電動汽車傳導充電互操作性測試規(guī)范第2部分：車輛。
國標建議的控制引電電路原理如圖2所示，解決新能源汽車和充電樁的充電兼容性，但是整車內部實現(xiàn)的方案卻各有不同。檢測點2、3的檢測電路有放在充電機、BMS、整車控制器內部，這就要求OBC的零件生產(chǎn)企業(yè)要設計多種電路來匹配不同整車企業(yè)的需求，軟件策略也同樣需要調整，從行業(yè)高度分析，不利于降低開發(fā)及單件成本。
1.4 調研分析小結
新能源汽車的核心零件可分為三部分：動力電池，電驅（電機控制器，電機，減速器），小三電（PDU+DC+OBC）；原因每一部分的技術與其它部分相對獨立，且有整合提升空間。
不同車型小三電的組合方式不同，PDU原理不同，連接器不同，功率需求不同，控制引導電路實現(xiàn)方式不同，導致不能通過規(guī)模化降低成本。因此，如何把小三電有機分解易于規(guī)?；切袠I(yè)研究的重點和難點。
2 小三電技術方案
2.1 高壓配電盒方案
設計小三電中PDU的方案之前，首先是整車的高壓原理，如圖3所示，主正、負接觸器集成在動力電池內部，優(yōu)點在于安全，集成在BDU內部，可以模塊化。
電驅與直接連接不通過PDU，優(yōu)點是避免了電驅與其它高電壓器間的電磁干擾，行車過程中，電驅會產(chǎn)生較大的干擾，可能影響到壓縮壓機控制器，DCDC等。其它的高壓電器連接PDU，這樣PDU與動力電池的電纜只需要用到6mm2，大大降低高壓電纜的成本。
小三電的故障率較低時，便可以跟特斯拉一樣做到動力電池內部。
2.2 小三電的硬件方案
車載電源與民用電源的差別在于應用環(huán)境和參考標準不同，OBC與DCDC需要低電壓控制器的標準，如EMC需滿足CISPR25的Class3，同時OBC又屬于連接低壓供電系統(tǒng)的設備，需滿足CISPR16的ClassB，零件供應商須精通兩個領域的技術，設計難度很大，相當于設置了一個很高的門檻，只有很少幾個供應商可以做好，對提升行業(yè)技術能力不利。
如果把OBC的功率模塊和控制模塊分開是不是可行，功率模塊的電性能參考連接低電壓供電系統(tǒng)設備，結合整車對振動試驗如ISO16750-3要求；控制模塊同時整車低壓系統(tǒng)和功率模塊交互，控制模塊的功能可以集成在VCU中，控制模塊用于對功率模塊的控制，如功率模塊的開關控制、輸出功率控制、診斷功能、對控制模塊的保護功能、熱管理、與整車交互的功能軟件等，控制模塊的軟件由車載控制器軟件開發(fā)經(jīng)驗豐富的整車來做，如果功能上可以實現(xiàn)，那么把復雜的OBC和DCDC分解成，功能單一的功率模塊和控制模塊（集成于VCU）成為可能。
按上述思路，我們在現(xiàn)在的小三電的OBC部分和VCU做了改制，把OBC原有的，CC、CP電路，電子鎖驅動及檢測等硬件及功能屏蔽，只留了以下硬件接口，參見表1所示，更改后的充電機總成參見圖4所示。
VCU為自主設計，已經(jīng)預留了CC、CP檢測，電子鎖驅動及狀態(tài)檢測等功能，唯一需要增加的是由VCU與功率模塊的功率使能信號，VCU如圖5所示。
2.3 軟件方案
OBC的軟件包括三個功能，一是ACDC變換及基本的自我保護功能，二是把狀態(tài)信號報給VCU，VCU做診斷，三是通過CAN和Enable硬線實現(xiàn)開關功能。
上、下電邏輯如下：CP喚醒VCU后，VCU通過CAN喚醒OBC，VCU檢測CC和CP的狀態(tài)正常后閉合S2，此時充電樁輸出交流220V，VCU給出OBC功率控制高電平，OBC根據(jù)VCU給出的電壓、電流請求正常輸出。當充電完成或是充電故障，VCU拉低功率使能信號，OBC停止輸出，之后整車走休眠流程，具體流程圖參見圖6所示，由于流電子鎖控制較簡單不是核心內容，程圖不體現(xiàn)。
3 實車測試結果
完成小三電中OBC部分、VCU、低壓線束的更改之后，進行了整車聯(lián)調，調試過程中遇到的按下充電槍按鈕S3交流輸入電流不能在100ms內降為0的技術難點；
國標要求：“判斷開關S3由閉合變?yōu)閿嚅_（狀態(tài)B），則車輛控制裝置控制車載充電機在100ms內停止充電，然后斷開S2。”對于帶有CC、CP檢測能傳統(tǒng)OBC都能實現(xiàn)，但對于CC、CP由VCU檢測的小三電系統(tǒng)是非常大的挑戰(zhàn)，調試時，只能達到200ms滿足不了國標要求。本人提出解決方案：
（1）將Enable硬線信號，由原方案中的喚醒功能改為功率輸入的使能功能；VCU檢測到CC為半連接，立即將Enable拉低；OBC檢測到Enable低電平，即停止OBC輸出，取消原方案中下電軟關斷，再關閉PFC部分。
（2）硬件信號檢測優(yōu)化，VCU檢測CC半連接和OBC檢測Enable硬線信號的debounce（防抖動）時間由之前的50mS減少到10mS。
（3）軟件策略優(yōu)化，把VCU對OBC的開關控制信號只用作正常下電時的關斷控制，S3半連接時不通過此開關信號控制。經(jīng)過兩周的調試，最終實現(xiàn)充電功能，上、下電時序如圖7所示。
4 結論
國家通過政策支持新能源汽車快速發(fā)展了近十年，汽車產(chǎn)銷量已達到100萬輛以上，通過對整車企業(yè)和小三電供應商的調研和技術分析，我們發(fā)現(xiàn)各家的技術方案差異較大，不利于規(guī)?；档统杀竞涂煽啃?；為解決這個問題，我們提出將復雜的車載電源，分解成功率模塊和控制模塊，功率模塊可以交給電源企業(yè)設計生產(chǎn)，類似于直流充電樁的電源模塊，控制模塊由VCU替代。
在現(xiàn)有的小三電產(chǎn)品上更改的OBC的電路和軟件，并裝車驗證，上、下電時序符合整車的功能性能要求，功能驗證可行，將OBC的硬件電路改進，去掉多余的部分，再進行全面的DV試驗驗證。
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