帶你認識電動汽車高壓電氣系統

電動汽車，以動力電池為能源，依靠電機驅動車輪轉動，實現運動。本文主要表述高壓系統的組成，工作原理，設計原則三個方面，最後並展示一個設計實例。

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1 高壓系統組成

高壓系統可以從整體上看成三個部分，電源系統、驅動系統和電動設備。

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電源系統，我們一般說起來就叫電池，實際上，「電池」不是一個簡單的電池，而是由成千上萬的電池單體組合而成的大傢伙，重量能達到幾百公斤。

電池系統內，電芯單體串並聯在一起，強電迴路配置有負責通斷的主正主副繼電器，電流測量感測器以及防止短路事故造成重大危害的熔斷器。

電池包的電壓平台等級，是按照整車的需要配置的。整車要求電池包供給怎樣的電壓，電池包設計工程師，通過調整電池的串聯數量調節電壓值。而電池包的放電功率，依然是遵從整車的需求確定，工程師通過調整電池的並聯數量調整電流的最大輸出能力。

當然，前面做法的前提是，電池體系規格已經選定。電池單體差異性很大。不同廠家相同型號的電池，其參數會存在差異；同一廠家不同批次的電池，也不能支持互換。因此說電池包的電池配置，必須是在指定電池具體型號具體參數的前提下。

驅動系統，驅動系統主要由電機控制器和電機本體共同組成。電機控制器接收整車控制器的指令，把電池包提供的電力逆變成電機能夠利用的形式。電動汽車選用的電機，當前主流是永磁同步電機和非同步電機，他們都是靠交流變頻控制驅動的。電機控制器的主體就是一個調整頻率的電力逆變器。電機按照整車的要求，輸出轉矩和轉速給車輛的傳動系統，使得車輪轉速嚴格按照整車控制器的預期轉動。之後，整車控制器採集車輪轉速，校核控制結果是否滿足駕駛員的輸入要求。如果不符合，則進行動態調整。電動汽車的驅動明顯的與傳統車不同，它是一個閉環控制系統。

電動設備，電動汽車上的電動設備包括轉向助力系統、制動系統、電動空調和電加熱設備。

轉向助力系統由變頻驅動器和轉向助力油泵組成，協助車輛轉動方向盤，減輕人駕駛車輛的負擔。

制動系統，由變頻驅動器和電動空壓機組成，給制動系統、懸掛系統提供壓縮空氣，實現制動功能。

電空調和PTC，為了調節車輛內部空間溫度，電動汽車上設置冷暖空調或者空調配PTC加熱。空調和加熱器是電動汽車上的用電大戶。

2 電氣架構的設計原則

整車電氣，按照用電器布置的集中程度不同，可以劃分成分散式和集中式兩種。

分散式，每個用電器直接從動力電池包取電，各自設置控制開關和熔斷器，迴路開關受整車控制器控制。

集中式，設置分線盒或者叫高壓盒，名字並不統一，但意圖是將電源從電池包引出以後，直接引入集成的高壓盒，在高壓盒內設置直流母排，不同用電器從母排取電或者連接到引出介面，在高壓盒外部用電。

有人總結了電氣架構的基本設計原則。1）各高壓部件應確保不工作不帶電；2） 各高壓部件的保險絲盒應當與動力電池系統隔離， 避免保險絲更換對電池包防護等級的影響；3） 工作步調相近，功率相近的部件盡量共用一套接觸器和熔斷器，減少接觸器熔斷器數量； 4）盡量減少動力電池系統電氣介面的數量，一面對防護等級造成不良影響。

電動汽車高壓電氣的布置，正在一步步向著集成化方向發展，已經有專門的供應商專業設計集成高壓系統，在一個封閉空間內安置全部用電器。不過，電機控制器和直流充電迴路，工作電流比較大，發熱量比較高，想要集成，有一些難度。真正做到大規模的集成，高壓盒需要進一步增加熱管理功能。

集中放置用電器，除了設計原則所表述的減少電氣數量和電纜長度，降低防護風險以外，另一個好處是，可以用印刷電路板部分的代替一些電器件以及部分導線，既節省空間，又降低成本。集成化，是汽車高壓電氣的未來方向所指。

3 高壓上下電邏輯

每個廠家每個車型，都有自己的上下電邏輯，不同的汽車電氣供應商都要與整車控制器核對通訊協議，在整車控制器的指令下協調工作。下面所表述的，只是一個比較典型的上下電邏輯過程。

高壓上電，車輛打到「on」檔，整車控制器和BMS上電，高壓進入上電程序。

整車控制器向BMS發送上電指令；

BMS自檢無故障，閉合主負繼電器，再閉合預充電繼電器，給電機控制器並聯電容充電；

預充電結束後，閉合主正控制器，並上報VCU「上電完成」；

VCU接到報文，延時一段時間後，閉合DCDC迴路開關，並發送使能信號，DCDC開始給車上的用電器供電；此時，整個車輛已經做好準備，可以開動了。

VCU受到「start」信號後，閉合DCAC供電迴路，並發送使能信號給轉向助力變頻器；

VCU受到駕駛員「起步」信息，於是發送轉矩信息給電機控制器，車輛進入低速運行狀態。

高壓下電，車輛處於運行狀態時，鑰匙被打到「on」狀態，車輛進入下電程序。

VCU向電機發送輸出轉矩為0指令，延時一段時間斷開電機供電迴路；

VCU控制DCDC和DCAC停止工作，延時後斷開迴路繼電器；

VCU收到電機迴路、DCDC、DCAC迴路繼電器全部斷開反饋信號後，給BMS發送下電指令；

BMS收到下電指令，給系統內部一定延時後，一般按照主正、主負的順序斷開斷路器。

4舉個例子

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如上圖所示，這是一個公交車的高壓電氣原理圖。從電池包正負極輸出的電力，可以直觀的想像成一對直流母排，車載用電器依次連接在母排上。仔細觀察原理圖，可以看到，在這個設計方案中，除了電機和電除霜以外，其餘用電氣都沒有在自己的支路上單獨設置開關；而在直流母排的中間偏左位置，設置了一個繼電器，這個繼電器可以統一的把充電機和電機及其控制器以外的用電器切斷。如果想要使用其中的一個電器，則其餘電氣也跟著接通電源。

這個設計節省了多個繼電器，但犧牲了任意切除某個用電氣的便利。在實際工程中，成本和功能之間，往往需要作出取捨。

參考

1 李東艷，電動汽車高壓上下電控制電路及系統研究；

2 李田田，純電動汽車高壓電氣架構的設計；

3 李峰，少林純電動客車電氣系統與工作原理；

4 石添華，某款純電動客車系統匹配和方案設計；

5 張新豐，汽車智能電器系統；

（圖片來自互聯網）