一种新能源汽车高压电气系统
专利摘要:本发明公开了一种新能源汽车高压电气系统,包括:多个分散式储能低压电池包,每个所述低压电池包的输出电压远低于驱动电机额定工作电压;每个所述低压电池包至少连接一个多电平电机控制器的功率电路;至少一个所述低压电池包与空调电机控制器、PTC控制器、DC-DC变换器连接;所述多电平控制器通过交流高压配电盒与驱动电机连接。本发明的高压电气系统以级联式多电平电控系统为核心设计,并且能够兼容分散式动力电池包及其对现有供用电负载的变化,兼容现有充放电基础设施并且增加了交流直充/快充功能,具有明显的优势。
专利说明:
一种新能源汽车高压电气系统
[0001] 技术领域
[0002] 本发明涉及高压电气系统,特别是一种新能源汽车高压电气系统。
[0003] 背景技术
[0004] 级联式多电平电控系统在性能和成本上都有很大优势,但是也造成了整车高压电气系统匹配困难,总体技术方案需要做重大改变的问题。
[0005] 新能源汽车使用的驱动电机,体积、重量越低越好、效率越高越好,这些非常关键的指标往往与整车动力性能的需求矛盾。为了平衡矛盾获得更好的设计结果,采用更高的电平平台和更高的转速是必然趋势,主流车型的电压平台普遍400伏以上甚至800V,转速高达9000-14000rpm,18000rpm的产品也开始应用了。作为新能源汽车上耗电最多的部件,围绕高压、高转速的驱动电机,必须配置适当的高压电气系统系统来完成电能的分配和控制功能。
[0006] 常规高压电气系统以直流高压母线作为能量传输的主要通道和核心,电能的分配和控制也是以直流高压的形式进行。常规高压电气系统组成如图1所示。常规新能源汽车高压电气系统主要由动力电池包、动力总成、高压配电盒以及其他高压用电负荷组成。
[0007] 动力电池包由储能电芯、电池管理系统(BMS)以及电池包(PACK)环境管理等单元组成。为了构成直流高压电源,必须采用近百级甚至更多的电芯串并联组成PACK,并由BMS系统监控每一节电芯的电压、电流、电量、温度、寿命、健康度等参数。为了适应温度、湿度、粉尘、腐蚀性等环境考验,动力电池包还包含PACK环境管理单元,为PACK提供合适的工作环境。
[0008] 动力总成由电机控制器(MCU)和驱动电机构成,电机控制器负责将直流高压电源转换成交流电源给驱动电机使用,通过控制交流电压的幅值、频率、相位控制电机运转,为新能源汽车提供动力。绝大多数电机控制器由IGBT器件作为主要的功率开关,能够承受数百伏的直流高压,也有极少数电机控制器采用了SiC开关器件。
[0009] 高压配电盒是整个高压电气系统的协调中心,也是直流高压母线的物理载体。高压配电盒至少都包括充电引导控制电路、电机控制器的预充电和主电路继电器、绝缘测试仪等功能单元。
[0010] 车载充电机(OBC)、DC-DC变换器、空调电机控制器也是连接到直流高压母线上面的,有的是独立部件,有的与其他高压设备集成在一起以减少体积重量、降低成本。OBC的功能是将外接的交流电源转换成直流高压电源给动力电池包充电,DC-DC转换器的功能是将高压直流电源转换为12/24V低压直流电源供车上低压系统使用,空调电机控制器的功能是将高压直流电转换高压交流电(DC-AC)给压缩机电机供电。有些车辆还配备了空压机、油泵、水泵风扇等设备,与空调压缩机控制器一样,也是DC-AC变换器,也与直流高压母线连接,可以是独立部件也可以是集成一体。大多数车辆上面还配置了热敏电阻加热器(PTC),为驾乘人员和其他部件提供热源,PTC往往也是连接到直流高压母线上的。
[0011] 高压电气系统的发展趋势是多功能单元集成,比如将驱动电机及其控制器、DC-DC转换器、OBC、空调电机控制器等几项或者全部集成为一体,俗称为“三合一”、“五合一”等等。
[0012] 常规的新能源汽车高压电气系统以直流高压母线作为电能传输控制的主要通道,所有其他形式的供电、用电设备必须适应这种架构,即所有的电气设备中至少有一路输入/输出是高压直流电源,因此存在以下的问题。
[0013] 1)电芯串联级数过高,任一电池单体的性能下降会严重影响到整个动力电池包的性能,必须增加非常复杂昂贵的BMS系统进行监控、管理才能正常工作
[0014] 2)驱动电机控制器必须使用高压开关器件:IGBT器件的电能转换效率和开关频率都较低,SiC器件价格又非常贵,而整车设计又期望驱动电机工作在更高电压平台、更高的转速,二者之间已经形成尖锐矛盾。
[0015] 3)DC-DC转换器的输入电压和输出电压之间差别太大,从数百伏高压降至12/24V低压,降低数十倍,导致电路设计困难、效率低且价格高
[0016] 4)为了提高汽车移动性能,必须配置车载充电器(OBC),不但OBC本身的价格很高,并且车载充电机的功率一般不高于10kW,因此交流充电的速度很慢
[0017] 5)空调电机控制器与驱动电机控制器电压等级一致,同样需要高压IGBT或者SiC器件作为开关器件,同样存在效率低、价格高的问题
[0018] 6)常规的高压电机控制器均采用三相全桥逆变器拓扑,输出为2电平电压波形,谐波电压、共模电压的含量高,对电机绕组寿命、电机运行效率、安全性都有不利影响
[0019] 采用级联式多电平拓扑结构的驱动电机控制器,是一种全新的技术路线,特征在于采用分散储能架构,动力电池包被分割为多个低压小电池包,直流高压母线不存在了,电能的传输控制方式完全不同,为高压电气系统的配套设计带来了新的挑战。本发明以级联式多电平电控系统为核心,重新设计开发新型的高压电气系统,能够充分利用其优势,加速实现实用化、规模化。
[0020] 发明内容
[0021] 本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提供一种新能源汽车高压电气系统,
[0022] 为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种新能源汽车高压电气系统,包括:
[0023] 多电平电机控制器,所述多电平控制器通过交流高压配电盒与驱动电机连接;
[0024] 所述多电平控制器包括三相桥臂,每相桥臂包括多个低压电池包,每个所述低压电池包的输出电压均远低于所述驱动电机额定工作电压;
[0025] 对于每一相桥臂,该桥臂的每个所述低压电池包至少连接一个功率模块,该相桥臂的所有功率模块串联;该相桥臂的至少一个所述低压电池包与空调电机控制器、PTC控制器、DC-DC变换器连接。
[0026] 所述交流高压配电盒包括与多电平控制器三相桥臂连接的三个滤波电感;所述三个滤波阻抗分别与三相交流电源的三相连接;第一接触器的第一触点两端分别接第一滤波电感输入端、第三滤波电感输入端;所述第一接触器的第二触点两端分别接第二滤波电感输入端、第三滤波电感输入端;第二接触器触点一端接第三滤波电感输入端,另一端接车载充电器正端;所述车载充电器正端接入所述多电平控制器三相桥臂;所述车载充电器负端接所述多电平控制器三相桥臂中性点;所述多电平控制器三相桥臂通过接触器接所述驱动电机。
[0027] 所述高压交流母线通过引导控制接触器连接交流或直流充电口;外接直流充电机的输入正负极、车载充电机的输出正负极分别与所述直流充电口正极、负极连接;所述单相交流充电接口火线和零线分别与所述直流充电口的正极、负极连接;优选的,所述交流高压配电盒的三相交流充电接口的三相输入通过三相滤波电感与所述多电平控制器三相连接;所述直流充电接口正端通过第一、第二接触器接入多电平控制器的三相,或者通过至少两个并联的开关接入所述多电平控制器三相桥臂;所述直流充电口的负极通过接触器连接多电平控制器的中性点;优选地,直流充电口正极通过三个并联的开关接所述多电平控制器三相桥臂。
[0028] 所述多电平控制器三相桥臂通过三触头或两触头开关与所述驱动电机连接。
[0029] 所述驱动电机额定线电压峰值Umax、多电平控制器每相的功率模块数量N,低压电池包的串联级数n之间的关系式为:Umax=ucell×n×2N,其中的ucell是低压电池包电芯额定电压。
[0030] 当采用单个低压电池包供电时,所述空调电机控制器采用单电源三相逆变电路,该单电源三相逆变电路接空调电机的三相;当采用三个低压电池包供电时,所述空调电机控制器包括三个独立的单相逆变电路;三个逆变电路分别与空调电机的三相连接;当采用三个以上低压电池包供电,且低压电池包数量为3的倍数时,所述空调电机控制器采用带有二极管止逆电路的功率模块组成的级联式多电平逆变器。
[0031] 所述多电平电机控制器的任一桥臂的每个功率模块均与电池包管理单元连接;多电平控制器的中控电路收集电池包的所有信息、控制电池包的充放电状态,并与整车控制器通信上报数据、执行控制命令。
[0032] 所述DC-DC变换器与单个低压电池包连接或与多个低压电池包连接。
[0033] 所述PTC控制器的额定电压与低压电池包的额度电压相同;优选地,与所述PTC控制器连接的PTC电阻的数量与低压电池包数量相同。
[0034] 与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:
[0035] 1、本发明的高压电气系统以级联式多电平电控系统为核心设计,并且能够兼容分散式动力电池包及其对现有供用电负载的变化,兼容现有充放电基础设施并且增加了交流直充/快充功能,具有明显的优势;
[0036] 2、电池包串联级数降低一个数量级,对电芯一致性要求降低;驱动电机控制器、空调电机控制器、DC-DC均无高电压输入,电能转换效率大大提高且对开关器件需求降低有利于降低成本;独特的交流高压配电盒不但能够兼容现有充电基础设施还增加了交流直充/快充方式,可以取代车载充电机并且有潜力取代直流非车载充电机,进一步降低成本,增强便利性;最后级联式多电平电机控制器输出的电压谐波、共模电压等大大降低,并且开关频率可达到30kHz以上,对于电机本体效率寿命、整车电机选型都有莫大的好处。
[0037] 附图说明
[0038] 图1为现有的高压电气系统原理图;
[0039] 图2为多电平电机控制器原理图;
[0040] 图3为本发明结构图;
[0041] 图4为电池包管理单元部分原理图;
[0042] 图5为交流高压配电盒部分原理图;
[0043] 图6为电动空调电机控制器原理图;
[0044] 图7为DC-DC变换单元原理图。
[0045] 具体实施方式
[0046] 本发明所述的新型高压电气系统是以级联式多电平电机控制器、分散式储能系统为核心的,其中级联式多电平电控系统的原理图如图2所示。
[0047] 级联式多电平电控系统中,动力电池包被划分为多个低压小电池包,每个低压电池包都与专属的功率电路相连组成相同的模组电路,通过功率电路将低压直流电源转换为低压交流电源,N个模组串联构成单相高压交流电源,3N个模组构成3相高压交流电源。每个模组电路除了包含功率电路外,还包含小电池包管理单元,与常规高压电气系统中的BCU功能类似。级联式多电平电控系统具有中控电路,收集每个模组电路的电池保信息、电路运行状态信息,并直接控制功率电路的开关状态,各模组电路与中控电路通过隔离通信相连接。新型高压电气系统中的直流高压母线不复存在,所以整车的高压电气系统也需要重新设计。新的以分散式储能为核心的高压电气系统如下图所示。新型高压电气系统的集成度更高,其动力电池包与驱动电机控制器自然融为一体。新型高压电气系统按照各个功能进行单元划分,各个单元的详细的实施方案如图3。
[0048] 1)动力电池包
[0049] 仍然包含电芯、BMS、PACK环境管理三个部分。
[0050] 对于动力电池包的电芯数量、储电量等参数仍然按照整车设计指标参数确定。分散式储能系统总体架构由三个重要因素决定:驱动电机额定线电压峰值Umax、控制器每相的功率模块数量N,低压电池包的串联级数n(即n个电芯组成小电池包,本发明中,n取值为12—16)。本发明中,多电平控制器的每一相桥臂包括N个低压电池包,N取值为3—6。这三个此参数之间的关系是:Umax=ucell×n×2N,其中的ucell是电芯额定电压,对于磷酸铁锂电芯是3.2V,对于三元电芯是3.65V,对于氢燃料电池来说是0.7-0.9V。以驱动电机540V线电压峰值、驱动电机控制器每相5模块计算,可以采用14-16级三元电芯串联,即可构成511-584V之间的线电压平台。
[0051] 常规BMS系统仍然可以保留并正常工作,并根据分散式低压电池包的结构确定其电芯管理单元(BCU)的数量及工作参数,BCU与电池包管理单元(BMU)之间一般通过串行链路隔离信道通信,因此动力电池包的分散化并不会影响常规BMS的正常工作。级联式多电平电机控制器在进行功率变换时,必须获取各个分散电池包的电压、剩余电量等信息,所以电机控制器中的功率模块都包含了BCU的功能。从降低成本的角度出发,可以考虑用电机控制器的中控电路代替常规BMU,而功率模块中的BCU和常规BCU只需要保留一套即可。最优化的方案是保留常规BCU或者将常规BCU与功率模块集成在一块电路板上,用电机控制器的中控电路兼顾BMU的功能。
[0052] PACK环境管理单元仍然采用常规技术路线,只是需要额外考虑电机控制器的功率模块与电芯集成为一体后,结构和散热的需求更高了。新型高压电气系统中的BMS系统与级联式多电平电机控制器集成一体后,其中U相的电路原理如下图所示,V、W两相的工作原理与U相完全相同。
[0053] 图4中的电池包管理单元(BMU)、串行链路是常规高压电气总成必须的功能部件,新型高压电气系统中可以保留也可取消的。电芯管理单元(BCU)是常规高压电气总成与新型高压电气系统都必须具备的功能单元,BCU可以单独配置,也可以与图中的单相全桥功率变换模块集成。中控电路、通信控制链路、单相全桥功率变换模块以及交流输出端子V+/V-都属于级联式多电平电控系统的必备功能单元。如果新型高压电气系统配置多个电机控制器,只需要选择其中的任一个电机控制器保留BCU功能,其他电机控制器只保留H桥功率变换电路即可。
[0054] 2)交流高压配电盒
[0055] 新型高压电气系统采用交流高压形式为整车主要的供用电负荷分配电能,通过交流高压配电盒完成电能的分配控制。交流高压配电盒主要完成三个功能,为驱动电机供电、为低压小电池包充电和电池包储能逆变上网(V2G)。交流高压配电盒的电路原理图如图5所示。
[0056] 交流高压配电盒的用电负荷是驱动电机,级联式多电平电控系统输出的高压交流电能通过KM进入驱动电机定子绕组,电能的通断由整车控制器(VCU)控制KM的通断实现。KM的另一个作用就是充电状态下断开充电电源与驱动电机绕组的连接,防止电机误动作和绕组发热。KM可以采用三触头或者两触头的开关,两触头方式下U、V、W三相中任意选择1相比如W相直接与级联式多电平电机控制器W相端子连接,能够节省1路开关的成本。交流高压配电盒内置的充电引导控制电路能够检测充电电源的类型和电压数值,并可以通过CAN总线与VCU和驱动电机控制器通信,并且保证在充电电源接通之前将KM预先断开,必要时高压配电盒可以增加相应的硬件开关互锁装置以保证安全。
[0057] 交流高压配电盒的另一项主要功能是充电电能控制。充电有四种方式:交流慢充、直流快充、交流直充和交流快充。其中前两种是与常规高压电气总成和现有充电基础设施兼容的充电方式,交流直/快充是级联式多电平电控系统独特的充电方式,是新型高压电气系统新增的高效充电方式。四种充电方式都必须具备引导控制电路并且与现有的电网、充电基础设施兼容。
[0058] 交流慢充和直流快充在硬件电路连接方面是相似的,区别在于交流慢充方式是由车载充电器(OBC)将充电接口输入的单相交流市电转换为高压直流电源,直流快充是由非车载大功率直流充电机为高压电气系统提供高压直流电源。由于分散式储能系统架构下,各个低压小电池包是相互独立的,必须经过级联式多电平电机控制器的连接、控制才能进行充电。具体方式是将上述两种高压直流电源负极通过接触器接到级联式多电平电机控制器的N极,正极通过KPU、KPV、KPW分别接入U、V、W三相端子,为了降低成本可以只使用两个开关,U、V、W中任意选择1相比如W相直接与级联式多电平电机控制器W相端子连接;为了进一步降低成本,可以取消KP_U、KP_V、KP_W开关,改经KP、KC的控制接入LU、LV、LW后再与级联式多电平电机控制器的U、V、W三相端子连接,形成每一相的低压小电池包串联后,再三相并联的电路结构。取消KPU、KPV、KPW虽然能够降低成本,但是充电电流流过LU、LV、LW时会增加损耗。具体实施方式可根据整车设计的需求重点选择不同方案。
[0059] 直流快充方式下,由于充电速度往往不再受制于直流高压电源的额定容量,而是受制于电芯的充电倍率,而电路连接方式又等效于U、V、W三相所有的低压小电池包分三路并行充电,所以从理论上来讲充电速度能够大幅度提升,充电时间降低至少50%甚至更高。
[0060] 交流直充是直接使用单相交流市电对电池包进行充电的方式,具体实现是:将交流火线L相通过开关KP和充电控制接触器KC,接入到并网电感LU、LV、LW,再从并网电感连接到电机控制器的U、V、W三相;零线N相通过开关KN接入到电机控制器的中性线N相。当L-N之间提供交流市电电源uLN,电机控制器的U、V、W等效为三个独立的单相逆变器,根据期望充电电流icU、icV和icW的需求,输出相应的交流电压uU、uV、uW,通过控制输出电压即可控制充电电流达到期望的数值。输出电压的控制方式不限,但是必须满足如下的公式:
[0061]

[0062]

[0063]

[0064] 考虑到交流直充方式与交流慢充方式效果相同,且不需要OBC能够降低成本,在新型高压电气系统中可以取消OBC配置和交流慢充方式,用交流直充方式取代。
[0065] 交流快充是直接使用三相大功率交流市电电源为对电池包进行充电的方式,具体实现方式:将交流电源的R、S、T三相分别与并网电感LU、LV、LW连接后再连接到电机控制器的U、V、W三相,如果是三相四线电源,则需要将N相通过KN连接到电机控制器的N相。当三相输入为对称平衡的三相交流电源uUN、uVN、uWN时,电机控制器的三相相应输出三相交流电压,电压数值需求与单相交流直充方式相似,输出控制方式不限,但是必须满足如下要求:
[0066]

[0067]

[0068]

[0069] 当三相输入交流电源存在电能质量问题如不对称、不平衡时,电机控制器输出电压仍需满足上述公式,只是uUN、uVN、uWN的检测、计算方式必须要兼顾不对称、不平衡的情况。如果充电过程中,电能质量需求还包括功率因数和谐波等要求,则需要电机控制器的输出电压要能够输出相应的反相谐波和无功功率满足相应需求。
[0070] 在交流直充和交流快充方式下,电能量的流向是双向可控的,既可以实现市电对电池包充电,也可以实现电池包储能逆变上网(V2G)功能。V2G的具体实现方式在硬件连接方式上与充电完全相同,电机控制器的输出电压控制方式也类似,只是充电电流的方向与充电时相反。
[0071] 上述实施方案中四种充电方式以及V2G功能根据车型设计需求是可以选择的,不必须具备全部功能。
[0072] 交流高压配电盒的各项功能是依靠VCU和电机控制器协调控制接触器开关实现的,详细的工作模式列表如下:
[0073]

[0074]

[0075] 3)电动空调电机控制器
[0076] 常规高压电气总成中的电动空调供电电压水平,按照国家标准介于36V-600V之间,常规高压电气总成在选型适配时往往选择与驱动电机相同的电压水平,因此电动控制器电机同样需要高压开关器件才能正常工作。新型高压电气系统中直流高压母线已经不存在,因此空调电机控制器也需要适应分布式储能电池包架构,由于空调电机功率一般来说不大,工作电压高低对性能的影响不大,可以按照整车设计需求选择不同的实施方案。
[0077] 第一种实施方案是选择额定电压与低压小电池包电压相等或略低的电机型号,用低电压为空调主机控制器供电。根据空调电机控制器的功率大小和电池包储能额定容量,可以选择使用单个电池包供电和三个电池包供电两种方案。单个电池包供电方式可以从分布式储能电池包中任意选择1个电池包为空调电机供电,三个电池包供电则必须选择与中性点N相连接3个低压电池包对空调电机供电。选择单个电池包供电时,可以采用单电源三相逆变电路或者类似的拓扑结构为空调电机三相绕组供电;选择3个电池包为空调电机供电时,可以选用双重化主电路拓扑,相当于每相只有1个功率模块的级联式逆变器电路。上述逆变器都需要控制单元对开关器件的工作状态进行控制。低压空调电机控制器的实施方案如图6所示。
[0078] 无论是单电池包供电还是三电池包供电,其逆变器的开关器件数量不多,需要的PWM控制信号数量不超过6路,因此可以采用成本较低的主控CPU,或者直接由驱动电机控制器的中控电路提供PWM控制信号,省去控制单元以进一步节省成本。
[0079] 选择单个电池包供电方式时,电机控制器的数量可以是多个,其负载可不局限于空调电机,也可以采用相似的方案设置多个电机控制器为风机水泵、转向、门窗、座椅等需要电机电源的负载供电,降低低压电气系统的供电容量需求,同时还能够提高供电效率、降低系统成本。
[0080] 第二种实施方案是空调电机选择高电压型号,采用高于单个电池包电压但与驱动电机相同或略低的额定电压水平,这种实施方案中为空调电机控制器供电的电池包数量超过3个且为3的倍数。电路拓扑结构采用与驱动电机控制器相似的级联式多电平拓扑,并且空调电机控制器不需要能量回馈功能,可以在电池包与功率模块之间增加二极管止逆电路。空调电机的控制器功率等级、功能性能需求比驱动电机低很多,因此实际的功率模块电路设计会大为简化,成本也比驱动电机低非常多。高压空调电机控制器所需要的PWM控制信号数量较多,驱动电机控制以共用中控电路会比较困难,因此可以采用独立的中控电路。为了降低成本,空调电机控制器的而定电压应该尽量选择较低数值。由于驱动电机定子绕组与空调电机定子绕组是完全独立的,相互之间没有电气回路,因此驱动电机控制器和空调电机控制器之间工作是完全独立的。
[0081] 上述两种实施方案可以自由组合,电机控制器也可以设置多个,不但为空调电机供电,也可以为其他负载供电。空调电机的功率除了比驱动电机低很多,相比其他电机则功率又高很多,因此风机水泵、转向电机、门窗、座椅电机都选择单电池包供电方式的电机控制器,空调电机控制器可以选择单电池包低压、三电池包低压、多电池包高压三种供电方式。
[0082] 在分散式储能系统中,所有的低压电池包都需要为驱动电机供电,且负载基本均衡。为空调电机或者其他电机供电的低压电池包负载将会加大,为了保证所有低压电池包的负载尽量均衡,可以电芯选择中有意加大负载较大的低压电池包的电芯容量,或者由驱动电机控制器在工作中主动均衡所有低压电池包的剩余电量,或者同时采用上述两种方法保持低压电池包间的剩余电量均衡。
[0083] 4)DC-DC变换单元
[0084] 常规高压电气总成的DC-DC变换器输入是数百伏的高压直流电源,输出是12/24V低压直流。新型高压电气系统中的DC-DC变换器,输入是低压电池包提供的数十伏低压直流电源,输出是12/24V直流电源。具体实施上可以选择单电池包供电和多电池包交联供电两种方式。
[0085] DC-DC变换器均采用变压器隔离方式,因此DC-DC变换器的输入电源可以选择分散式储能系统中任意单个或者多个低压电池包。选择多个电池包作为DC-DC变换器的输入电源,需要电路结构采用交联方式,如图7所示。
[0086] 为DC-DC变换器供电的低压电池包,其剩余电量(SOC)信息会通过BMS传递到VCU,多个DC-DC变换器交联工作时,VCU可以根据电池包的SOC、负载用电需求,通过通信总线控制每个DC-DC变换器的输入/输出功率,达到均衡剩余电量、满足负载需求的目的。
[0087] 5)PTC控制电路
[0088] PTC在常规高压电气总成中大多采用直流高压直接供电方式,高端车型带有控制器以调节发热功率,中低端车型大多利用PTC的自身的热敏特性保持发热功率的稳定,对电源不加控制。PTC是一种热敏电阻,其额定电压、发热功率等都是可以定制的,可选范围很大。实际选型时根据发热功率和阻值,可以采用多个低压PTC并联方式达到更高的功率要求。
[0089] 新型高压电气系统中,PTC尽量选用低阻值、低压型号比如PTC的额定电压与低压电池包的额定相同的型号,以额定电压为50V为例,根据发热量P需求计算出电阻值无控制器或有控制器都可以应用。PTC的供电电源与低压电池包连接,为均衡负载考虑,可以选用PTC电阻数量与低压电池包数量相同的方案,每个低压电池都带PTC电阻。也可以选择类似于DC-DC变换器的布置方式,选择少量电池包分别带PTC供电。
[0090] 6)多功能集成
[0091] 上述功能单元实施方式中,各个功能单元都有控制电路,且都是以单片机为核心的数字控制电路。新型高压电气系统中对单片机运算能力、片上资源需求最高的依次是驱动电机控制器、BMS系统、空调电机控制器、DC-DC转换器、PTC控制器。交流高压配电盒的工作主要受整车控制器(VCU),驱动电机控制器、BMS系统的控制,没有单独的数字控制电路。
[0092] 随着微电子、计算机技术的发展,车用控制单片机的运算速度、片上资源非常丰富,已经超出了单一用途的需求。以英飞凌汽车用单片机的中端型号TC275T为例,具备3核200MHz运算能力,还有几十路PWM、ADC、GPIO等功能单元,功能十分强大,除了可以满足级联式多电平电机控制器的功能需求外,还有大量富余。新型高压电气系统的其他部件,对数字控制电路的需求与驱动电机控制器非常相似,在单片机资源富余的条件下,完全可以将VCU、电机控制、BMS管理等功能集成在统一的数字控制板上,新型高压电气系统的独特结构为这种集成提供了方便,甚至可以将空调电机控制器、DC-DC转换器等控制功能也统一集成,达到简化系统、降低成本的目的。
权利要求:1.一种新能源汽车高压电气系统,其特征在于,包括:
多电平电机控制器,所述多电平控制器通过交流高压配电盒与驱动电机连接;
所述多电平控制器包括三相桥臂,每相桥臂包括多个低压电池包,每个所述低压电池包的输出电压均远低于所述驱动电机额定工作电压;
对于每一相桥臂,该桥臂的每个所述低压电池包至少连接一个功率模块,该相桥臂的所有功率模块串联;该相桥臂的至少一个所述低压电池包与空调电机控制器、PTC控制器、DC-DC变换器连接。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,所述交流高压配电盒设置有交流或直流充电接口;所述交流高压配电盒通过高压交流母线与多电平电机控制器、车载充电机、驱动电机连接。
3.根据权利要求2所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,所述交流高压配电盒包括与多电平控制器三相桥臂连接的三个滤波电感;所述三个滤波阻抗分别与三相交流电源的三相连接;第一接触器的第一触点两端分别接第一滤波电感输入端、第三滤波电感输入端;所述第一接触器的第二触点两端分别接第二滤波电感输入端、第三滤波电感输入端;第二接触器触点一端接第三滤波电感输入端,另一端接车载充电器正端;所述车载充电器正端接入所述多电平控制器三相桥臂;所述车载充电器负端接所述多电平控制器三相桥臂中性点;所述多电平控制器三相桥臂通过接触器接所述驱动电机。
4.根据权利要求3所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,所述高压交流母线通过引导控制接触器连接交流或直流充电口;外接直流充电机的输入正负极、车载充电机的输出正负极分别与所述直流充电口正极、负极连接;所述单相交流充电接口火线和零线分别与所述直流充电口的正极、负极连接;所述交流高压配电盒的三相交流充电接口的三相输入通过三相滤波电感与所述多电平控制器三相连接;所述直流充电接口正端通过第一、第二接触器接入多电平控制器的三相,或者通过至少两个并联的开关接入所述多电平控制器三相桥臂;所述直流充电口的负极通过接触器连接多电平控制器的中性点;优选地,直流充电口正极通过三个并联的开关接所述多电平控制器三相桥臂。
5.根据权利要求3所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,所述多电平控制器三相桥臂通过三触头或两触头开关与所述驱动电机连接。
6.根据权利要求2~5之一所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,所述驱动电机额定线电压峰值Umax、多电平控制器每相的功率模块数量N,低压电池包的串联级数n之间的关系式为:Umax=ucell×n×2N,其中的ucell是低压电池包电芯额定电压。
7.根据权利要求1所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,当采用单个低压电池包供电时,所述空调电机控制器采用单电源三相逆变电路,该单电源三相逆变电路接空调电机的三相;当采用三个低压电池包供电时,所述空调电机控制器包括三个独立的单相逆变电路;三个逆变电路分别与空调电机的三相连接;当采用三个以上低压电池包供电,且低压电池包数量为3的倍数时,所述空调电机控制器采用带有二极管止逆电路的功率模块组成的级联式多电平逆变器。
8.根据权利要求1所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,所述多电平电机控制器的任一桥臂的每个功率模块均与电池包管理单元连接;多电平控制器的中控电路收集电池包的所有信息、控制电池包的充放电状态,并与整车控制器通信上报数据、执行控制命令。
9.根据权利要求1所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,所述DC-DC变换器与单个低压电池包连接或与多个低压电池包连接。
10.根据权利要求1所述的新能源汽车高压电气系统,其特征在于,所述PTC控制器的额定电压与低压电池包的额度电压相同;优选地,与所述PTC控制器连接的PTC电阻的数量与低压电池包数量相同。
公开号:CN110605979
申请号:CN201910558154.5A
发明人:胡楷
申请人:长沙起克电气技术有限公司
申请日:2019-06-26
公开日:2019-12-24
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