电动车高压系统的组成及电气连接关系

2019年5月6日11:30:10 评论 252
摘要

为了更好的转入高压线束系统的设计,本文将按高压系统的学习逻辑层级不断深入,从高压系统的组成,高压系统的电气连接关系,高压线束的划分及设计考虑,高压系统原理图,这几个方面逐步深入,知识点汇总以便对电动车高压系统有个总体上的认识。

为了更好的转入高压线束系统的设计,本文将按高压系统的学习逻辑层级不断深入,从高压系统的组成,高压系统的电气连接关系,高压线束的划分及设计考虑,高压系统原理图,这几个方面逐步深入,知识点汇总以便对电动车高压系统有个总体上的认识。

1 高压系统的组成

在电动汽车上,整车带有高压电的零部件有动力电池,驱动电机,高压配电箱(PDU),电动压缩机,DC/DC,OBC,PTC,高压线束等,这些部件组成了整车的高压系统,其中动力电池,驱动电机,高压控制系统为纯电动汽车上的三大核心部件。

1.1 电池包与动力电池管理系统BMS

与传统的燃油车不同,新能源电动车的整车动力来源是动力电池,而不是发动机。因为纯电动汽车直接使用电能,不同于传统燃油车将燃料燃烧后产生的排放物排进大气,所以为了减少环境污染,新能源汽车的发展是国家积极扶持的。

动力电池的电压一般为100~400V的高压,其输出电流能够达到300A。动力电池的容量的大小直接影响到整车的续航里程,同时也直接影响到充电时间与充电效率。目前锂离子动力电池是主流,受目前技术的影响,当前绝大部的汽车均采用锂离子动力电池。

电动车高压系统的组成及电气连接关系图1 特斯拉电池包

1.2  驱动电机与电机控制器MCU

电机控制器MCU将高压直流电转为交流电,并与整车上其他模块进行信号交互,实现对驱动电机的有效控制。

驱动电机将电能转化为机械能,驱动汽车行驶。与传统燃油车的发动机将燃料燃烧的化学能转为机械能不同,其工作效率更高,能达到85%以上,故相比传统汽车,其能量利用率更高,能够减少资源的浪费。

1.3 高压配电盒(PDU)

高压配电盒是整车高压电的一个电源分配的装置,类似于低压电路系统中的电器保险盒。高压保险盒PDU(Power Distribution Unit)是由很多高压继电器,高压保险丝组成,它内部还有相关的芯片,以便同相关模块实现信号通信,确保整车高压用电安全。

电动车高压系统的组成及电气连接关系

图2 某品牌的高压配电盒

1.4 车载充电器OBC

OBC(On Board Charge)是一个将交流电转为直流电的装置。因为电池包是一个高压直流电源,当使用交流电进行充电的时候,交流电不能直接被电池包进行电量储存,因此需要OBC装置,将高压交流电转为高压直流电,从而给动力电池进行充电。

1.5 DC/DC

在新能源汽车上,DC/DC是一个将高压直流电转为低压直流电的装置。新能源汽车上没有发动机,整车用电的来源也不再是发电机和蓄电池,而是动力电池和蓄电池。由于整车用电器的额定电压是低压,因此需要DC/DC装置来将高压直流电转为低压直流电,这样才能够保持整车用电平衡。

电动车高压系统的组成及电气连接关系

图3 某品牌的DC/DC装置

1.6 OBC与DC/DC二合一控制器

受整车布置的影响,现在很多车将OBC和DC/DC两个部件合为一个部件,这个部件通常称为二合一控制器,它的作用实际上就是OBC与DC/DC两个部件的功能的组合。

1.7 电动压缩机

传统车的压缩机是通过压缩机电磁离合器的吸合,促使发动机带动压缩机运转。电动车没有发动机,它的压缩机是通过高压电源直接驱动的。为了与传统车的压缩机区别,这里将电动车上的空调压缩机称为电动压缩机。

1.8 PTC加热器

传统车上空调暖风系统的热源是引入发动机冷却后的冷却液的热量,这个在新能源车上是不存在的,因此需要专门的制热装置,这个装置被称为空调PTC。PTC(Positive Temperature Coefficient)的作用就是制热。当低温的时候,电池包需要一定的热量才能正常工作,这时候需要电池包PTC给电池包进行预热。

1.9 高压线束

高压线束将高压系统上各个部件相连,作为高压电源传输的媒介。区别于低压线束系统,这些线束均带有高压电,对整车的高压系统的稳定允许影响很大。高压线束设计的安全性是我们主要考虑的。

电动车高压系统的组成及电气连接关系

2 高压系统的电气连接关系

我们已经了解了电动汽车高压系统的组成部件,也对系统中各个零部件及其功能有个大概的印象。现在先给出一个简单的逻辑示意图,帮助大家回忆一下,并借助图示进行理解。

电动车高压系统的组成及电气连接关系

1 高压系统部件连接逻辑图解

2.1 图解说明

建议先自己看一下,想想他们之间的逻辑连接关系,再看接下来的具体介绍。

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1. 动力电池

动力电池是电动汽车中能源供给装置,需要给整车所有系统提供能源。当电量消耗后,也需要给他进行充电。因此其能源流动既有流出,也有流入。

2. 高压配电盒(PDU)

PDU可以认为是一个电源中转分配的地方,高压系统中各个组件都需要它进行电量分配。比如高压压缩机,PTC,电机控制器等。

3. 维修开关

维修开关介于动力电池和PDU之间,这是个必须的元件。当维修动力电池时,使用它可以进行整车高压电的切断,确保维修安全。

图2 某品牌高压维修开关

4. 电机控制器与驱动电机

电机控制器将取自PDU的高压直流电转为三相交流电提供给驱动电机。

驱动电机将电能转换为机械能,提供车辆行驶的动力。同时,驱动电机也可以将行驶中产生的机械能(如制动效能),将其转化为电能,最终输送给动力电池进行电量的补充。

5. 快充口

快充口的电是高压直流电,可以不经过处理直接通过PDU输送给动力电池进行充电。

6. 慢充口

慢充口的电是高压交流电,需要经过二合一控制器中的OBC单元,或OBC(没有二合一控制器,OBC与DC/DC是分离的),进行转化。转化后的高压直流电经过PDU给动力电池充电。

7. DC/DC

为了达到整车电平衡,需要动力电池提供整车用电器的电源,同时能够给蓄电池充电。但是动力电池的电是高压电,因此需要通过DC/DC装置,将高压直流电转化为低压直流电。

8.高压线束

高压线束的作用是连接各个高压电器件,起到传递高压电源的作用。所有的每个部件之间的带箭头线都是高压线。

3 高压线束系统设计考虑因素

高压线束的作用是连接各个高压电器件,起到传递高压电源的作用。从上图我们可以很清晰到看到高压系统当中各个部件的连接关系。所有的每个部件之间的带箭头线都是高压线。高压线束主要有快充高压线,慢充高压线,电池包到PDU的高压线,PDU到MCU的高压线等。受整车布置的影响,这几段高压线束是我们重点关注的,其他的高压线有时候是零部件自带过来的

设计主要考虑因素:

1.高电压

电池包的电压为100~400V的高电压,这对高压线束的绝缘提出更好的要求,必须做好良好的绝缘,《GB T 18384.3-2015 电动汽车 安全要求 第3部分:人员触电防护》规定在最大工作电压下,直流电路绝缘电阻应 大于100Ω/V,交流电路应大于500Ω/V。

经过这些年的发展,目前高压线束的技术也比较成熟,但是绝缘电阻这个应该是我们设计关注的点。

2.大电流

在高压系统中,高压电流瞬间能够打到几百安培,这对高压线束的载流能力要求更高。进行高压线束设计的时候,要充分考虑。

3.防护等级

因为水和灰尘的侵蚀容易造成线束的绝缘性能下降,造成高压击穿、漏电等安全隐患,高压线束进行布置的时候要特别注意,避免布置在有积水的地方,若布置在地板下面,应该增加相应的遮挡物。但是即使这样,高压线束的设计防护等级应该最高,满足国标IP67标准要求。

4.抗电磁干扰

高压系统的电磁环境更加恶劣,电动汽车上,反复变化的电器负荷与系统中大量采用的变频技术,造成线束电压、电流和频率的剧烈波动,产生较大的电磁干扰,与此同时,高压线束自身也会对对周边的电气电子设备造成影响,所以线束需要对电磁干扰进行屏蔽,以满足电磁兼容性的要求。

5.成本

高压线束相比普通的低压线束成本高昂,因此线束设计中,应尽量避免线束的过设计。

4 高压系统原理图

为了更好的理解整个高压系统的工作模式,研究高压系统的电能分配,经过很长一段时间的学习整理,终于绘制出了高压系统的电源分配逻辑示意图,主要研究高压电的电量分配。如下:

电动车高压系统的组成及电气连接关系

为了更好的理解,先自行在脑袋中思考下维修开关、主正继电器、主负继电器、保险丝的作用。,然后在继续阅读。高压原理图的读图方法可以参考初学者如何快速读懂汽车电路图

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1.为什么要加入维修开关

如图上所示,动力电池包是由多个电池组串联组成的,在这个串联的电路中,加入了一个维修开关,当需要维修的时候,可以将维修开关断开,这样整个高压系统的维修更加安全。

电动车高压系统的组成及电气连接关系

图 某品牌维修开关

2.为什么要加入主正继电器

为了实现对高压电路系统的有效控制,需要对高压电进行通断的控制,因此需要加入继电器,通过小电流控制大电流。主正继电器是必须的元件。

3. 为什么要加入主负继电器

不同于低压系统负极搭铁,只有一根正极线,高压系统中的电流瞬间能过打到几百安培,既有正极线,也有负极线,为了确保用电安全,在加入主正继电器的时候,也要加入主负继电器,以便实现对正负极电路的有效控制。主负继电器也应该是必须的。

4. 为什么加入预充电阻和预充继电器

因为高压设备控制器输入端存在大量的容性负载,直接接通高压主回路可能会产生高压电冲击,容易对电容击穿,产生漏电风险。故为避免接通时的高压电冲击,高压系统需采取预充电回路的方式对高压设备进行预充电。

5.为什么高压电路中也要加入保险丝

当汽车高压附件设备发生过载或线路短路时,相关高压回路应能自动切断供电,以确保高压附件设备不被损坏,保证汽车和驾乘人员的安全。因此在高压系统设计中应设置过载或短路的保护部件,即加入相应的高压保险丝进行保护。

<完>

weinxin
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