插電式混合動力汽車高電壓部件設計及布置

于棟林

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

插電式混合動力汽車高電壓部件設計及布置

于棟林

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

根據整車設計要求，建立插電式雙電機MG1/MG2+行星輪系混合動力汽車高電壓系統方案模型。通過理論計算及工程分析確定高壓電池組、高電壓線纜、雙電機MG1/MG2、變頻器（轉換器/逆變器）、空調壓縮機等高電壓部件的結構及關鍵參數。針對高電壓部件布置的安全及可靠性提出建議。

插電式；混合動力汽車；高電壓部件；MG1/MG2+行星輪系；設計及布置

CLC NO.:U469.7Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-58-05

引言

插電式混合動力汽車（PHEV）可以通過車載充電機從供電網獲取能量，通常以純電動模式行駛為主，因功率不足或電池荷電狀態SOC(state of charge)降到下限值才起動發動機進入混合驅動模式，相當于傳統混合動力汽車與純電動汽車的混合體。插電式混合動力汽車上既有直流高電壓，也有交流高電壓，同時較傳統混合動力汽車（HEV）增加了外接插電式高壓充電系統，對產品開發過程的高電壓系統匹配、高電壓安全防護、電磁干擾、制動能量回收、電機/電池/電控技術成本及充電都提出了更嚴格的要求及挑戰。

1、高電壓系統方案策略及整車參數

1.1 高電壓系統方案

本文車型高電壓系統（圖1）采用雙電機MG1/MG2+行星輪系混聯結構及串并聯結合的混聯能量傳遞方式，通過逆變器將高壓電池組的直流電升壓變換成交流電供給電機MG1/MG2驅動車輛，或將MG1輸出的交流電供給MG2及變換為直流電降壓儲存到高壓電池組。高電壓部件主要包含高壓電池組、電機MG1/MG2、變頻器（轉換器/逆變器）、車載充電機、空調壓縮機、高電壓線纜等部件。

1.2 整車基本參數和性能指標要求

本文高電壓系統部件參數匹配設計需要以整車參數、性能指標為基礎，見表1。

表1 整車參數和性能指標

2、高電壓部件的設計

2.1 雙電機MG1/MG2匹配設計

MGI和MG2是集發電機及電動機功能于一體的雙向機電能量轉換裝置。它們通過行星齒輪與發動機有機的聯系起來,MG1與太陽輪相連，MG2連接在齒圈上，齒圈通過齒形帶和主減速器相連，發動機與行星架相連。MG1在行星排之前，轉速、扭矩和轉向可變，主要功用是調速、發電和起動發動機。MG2在行星架之后，轉速、扭矩和轉向可變，主要功用是驅動車輛、倒車、滑行和制動時對高壓電池組充電。MG1、MG2和發動機三者滿足轉速關系，通過行星齒輪實現功率分流和變速，見圖2。

2.1.1 MG2參數確定

1）MG2峰值功率及額定功率選取

設計時通常依照汽車的最高車速vmax(km/h)、車輛的加速時間tm（S）及車輛的末速度vm (km/h)和最大爬坡度αmax (%)確定滿足最高車速要求時MG2峰值功率Pmax1、滿足純電驅動最大爬坡度要求時MG2峰值功率Pmax2、滿足加速性要求時MG2峰值功率Pmax3，分別計算為:

電機MG2峰值功率需要同時滿足條件:

經Pmax1、Pmax2、Pmax3進行計算，最終選取MG2的峰值功率Pmm，MG2的額定功率可根據峰值功率求出:

式中Pmm-電機峰值功率；Pm額-電機額定功率；λ-電機過載系數（電動機過載系數λ一般取為2～3 ）。

2）電機MG2的最高轉速Nmmax、額定轉速Nm額、最大轉矩Tmax、額定轉矩Tm額選取。

根據電機擴大恒功率區系數β（nmmax/nm額）較小時額定轉矩高、轉子電流大、電機質量大、內在損耗高；β較大時電機會增大傳動比，也會使驅動軸扭矩和齒輪應力增大特點，但大β值是車輛起步加速和穩定運行必需的?？紤]最高轉速、齒輪應力和傳動系尺寸，一般選用中高速電機（最高轉速在6000-15000r/min），擴大恒功率系數β取4～6。根據汽車理論知識，MG2通常以常規車速確定電機額定轉速及最高轉速

式中:Ig為傳動比1；Io為主減速3.905；vn為常規車速，取50Km/h；r為車輪半徑0.308m

MG2額定轉矩及最大轉矩為:

式中:λ取1.5

2.1.2 電機MG1參數選擇

1）發動機起動需要MG1在短時間內提供足夠大的起動扭矩以克服發動機的起動阻力矩和慣性力矩:

2.2 電池參數選擇

2.2.1 動力電池組功率

1）PHEV高壓電池組的最大輸出功率取決于電機的功率、電機的效率、控制器的效率、電子附件的功率及空調功率空調，高壓電池組需求的最大功率為:

式中:Pbmax為高壓電池組最大功率kw；Pmm為MG2峰值功率，kw； PAC為空調壓縮機功率，kw；ηb為動力電池組工作效率，可取90%；ηMG2為MG2最大功率點的工作效率，可取90%。隨著電池的使用電源系統逐漸老化，設計通常保留15%～30%的余量。

1.2.3 動力電池組電壓

電池額定電壓可計算如下:

2.2.2 高壓電池組容量

高壓電池組容量的選取容量過大，車輛總質量增加，動力性和經濟性下降；容量過小，動力電池組過充、過放電，使用壽命降低。高壓電池組的容量C主要由車輛連續加速能量需求或以純電動行駛的能量需求決定，可根據下列方程組求得。

式中:C為動力電池組容量，Ah; Qa為車輛連續加速過程的電能需求，Wh；Qi為車輛純電動行駛過程的電能需求，Wh；SOCH為動力電池組SOC 允許工作上限，可取為70%；SOCL為動力電池組SOC 允許工作下限，可取為30%；ηm為電機工作效率；Pacc( t) 為車輛連續加速過程中t 時刻的功率需求，kW；Pe( t) 為車輛連續加速過程中t 時刻發動機所能提供的功率，kW；te為車輛連續加速過程中電機參與驅動的時間歷程，Se為車輛純電動行駛里程，km；ua_i為車輛純電動行駛在坡度為i 的坡道上的車速，km/h；Pi為車輛以車速ua_i純電動行駛在坡度為i 的坡道上的功率需求，kW。

2.2.3 電池單體成組參數

電池組是由電池單體通過串聯和并聯形式組合而成的，動力電池組的串聯數量、并聯數量和電池單體數量可分別通過下式確定。

式中:Nb_series為動力電池組串聯數量；Ub_single為電池單體電壓，V；Nb_parallel為動力電池組并聯數量；Cb_single為電池單體容量，Ah。

2.3 高電壓線設計

2.3.1 高電壓線束參數設計及選型

高電壓線束的設計在是非常關鍵，線束要求有高通載能力、高耐電壓能力、優越的耐沖擊與振動能力、優越的電磁屏蔽能力。高電壓線線徑的設計可根據公式:

式中:I為電流，A；J為用電設備的功率，W；U，為系統提供的電壓，V ；Ud，為允許最大電壓降損失，V；p為銅電阻率(約為0.0185Ωmm2/m)；L- 導線長度，m；A為導線截面積，mm2。

但線徑的設計也需要綜合考慮以下幾個方面:1、負載賄賂的額定電流值；2、電線導體的容許溫度；3、電氣工作周圍環境的溫度；4、導線自身通電時溫度上升引起的通電率降低。

2.3.2 高電壓線束保護設計

高電壓線束在設計時應該充分考慮防水、防泥沙飛濺、防刮傷等因素，可考慮使用線槽或金屬彎管結構來保護高電壓線束。對高電壓線束的固定而言，若線束相對于車身靜止，則本著固定點間隙不大于200mm原則；若線束終端保持活動，則自由長度不超過300mm為宜。

2.4 車載充電機設計

車載充電機采用典型“交流-直流-高頻交流-直流”的大功率高頻開關電源，逆變電路是開關電源的核心部分，包含充電系統主電路和控制回路兩大部分，主電路由整流濾波電路、DC/DC功率變換電路及蓄電池負載組成。

2.4.1 車載充電機充電電壓和充電電流確定

1）電池包含額定電壓、充電終止電壓和放電終止電壓，考慮充電電壓余量，可選取車載充電機的充電電壓稍大于電池的充電終止電壓。

2）充電電流的大小可由電池的容量和充電速率的比值確定。

2.4.2 車載充電系統及主電路的設計

主電路通過六個二極管組成的三項全橋整流環節，將380V交流電轉換成脈動的直流電壓，再通過輸入濾波將其變成較平滑的直流電。橋式逆變電路的開關狀態由加于其控制極的電壓信號決定，當T1、T4打開時T2、T3關合，當T1、T4關合時T2、T3打開。當橋中各臂以頻率 f輪番通斷時，輸出電壓將以交變方波進入變壓器。從變壓器輸出的交流電再次通過四個二極管組成的全橋整流電路及LO/CO給電池充電。

2.4.3 元件參數的計算及選擇

1）可根據以下經驗算法來計算Cin的容量:

式中:Vline（min）輸入交流電壓的變化最小值，380-380x 10%V；Vline（max）輸入交流電壓的變化最大值，380-380x 10%V；VPP為整流濾波后直流電壓的最大脈動值；Pin為輸入功率，取0.8；

2）IGBT的選擇

IGBT一般選擇2倍余量的變換器原邊電壓最大值VINMAX，根據需要選用600V或1200V的較常見。

3）變壓器選擇

變壓器原邊及副邊繞組匝數由下式確定:

式中:Kf為波形頻率，正弦波Kf=0.44，矩形波Kf=0.4；fs為開關工作頻率；Bw為工作磁通密度；Ae磁芯有效截面積。

原邊/副邊導線面積可由以下公式計算:

4）輸出濾波電容的計算

其中，fsl為輸出電感的工作頻率，即為原邊開關管開關頻率fs的二倍。Iomax一為最大脈動電流。

2.5 汽車變頻器設計

汽車變頻器的作用是電流換相，可以分為電機變頻器（升壓轉換器/逆變器）、空調壓縮機變頻器、DC/DC轉換器。

2.5.1 電機變頻器結構原理

電機變頻器主要電路是由電力半導體功率器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊組成，通過升（降）壓型雙向DC/DC變換器和Z源變換逆變器實現電池對電機MG1、MG2的驅動和電機MG1、MG2對電池的反向充電。

2.5.2 逆變器參數設計

1）主電路主要器件參數計算

逆變器采用電壓源型主電路，直流側加支撐電容，附加直流繼電器和預充電電路。在主電路設計時，最重要的是確定功率器件的電壓和電流等級。本系統選擇的IGBT 電壓等級為600V，IGBT 的電流等級為600A，直流側電容電壓等級選定為450V。其容量則一般使用如下經驗公式進行計算:

式中，P 為逆變器輸出功率，VDC 為直流側電壓，CDC為直流側電容容量。

2）功率器件損耗計算

功率器件的損耗由IGBT的靜態損耗、IGBT的開關損耗、二極管靜態損耗和二極管動態損耗四個部分組成。

IGBT靜態損耗計算公式為:

式中:Icp為額定輸出電流；Vce（sat）為在額定輸出電流時的飽和電壓；D為平均占空比；為功率因數。

IGBT開關損耗計算公式為:

式中:fc為開關頻率；psw-on為IGBT開通能耗；psw-off為IGBT關斷能耗

二極管靜態損耗計算公式為:

式中:為二極管導通壓降

二極管動態損耗計算公式為:

式中:為二極管反向恢復電流；trr為二極管反向恢復時間。

2.5.3 空調變頻器及DC/DC轉換器設計

1．DC/DC 轉換器是把高壓電池中的高壓直流電轉化為低壓直流電(12V)，給蓄電池充電，以滿足車上各電器的使用要求。在發動機運行時，DC/DC才可能對蓄電池進行充電直到其最高電壓值(12V)，當發動機不運行時，盡管高壓電池SOC足夠高，DC/DC也不對鉛酸蓄電池充電。如果汽車上的其它用電器（如大、小燈，收音機等）還在繼續使用，則電池的電壓可能降低到8V或耗光，需要再次啟動發動機時，只有通過外界充電器對其充電，發動機才可能再一次啟動，一旦啟動，立即可以對電池充電。

2.高電壓部件布置安全及可靠性

PHEV高電壓系統的電壓幾百伏，不合理的布置可能漏電引起火災或危及乘客的人生安全，高電壓部件的布置除滿足安全碰撞法規、人機工程及維修方便等傳統汽車的要求外，設計上針對高電壓安全還需制定有效防護措施，用以保護車內乘員的安全。

高電壓部件的布置主要從以下幾個方面考慮:

1）布置的合理性，高電壓零件的布置要為能量源及其傳輸路徑上的相關部件留有足夠的緩沖空間，盡可能加大高電壓部件彼此或與車體之間的距離，確保任何一個非外接高電壓部件與整車外廓的最小尺寸均保持在110mm以上。確保足夠的安全緩沖及吸能空間， 以適應可能的變形。相鄰部件之間的靜態間隙不能小于15 mm, 動態間隙則需控制在至少25 mm以上。高壓線的長度盡可能的短，本著相鄰固定點不大于200mm原則，高壓線間盡量避免交叉。

2）碰撞安全，電機、變頻器等高電壓部件一般布置在發動機倉內，縱梁前部及保險杠前部式主要的碰撞損壞區域，布置盡量相對靠后的位置，這里車身變形相對較小，同時考慮碰撞一般在車身的Y向變形較大，插頭盡量在車身的X方向。電池的設計上做到部件與箱體絕緣，箱體與車體絕緣的二次絕緣，周圍需要預留一定的安全緩沖吸能空間。

3）核心部件保護，高電壓系統部件布置時應充分考慮車輛涉水、刮碰及泥沙飛濺等因素，可采用塑料線槽、金屬彎管設計來保護高壓線束。

電磁兼容，考慮到電磁干擾的因素，PHEV整個高電壓系統均由屏蔽層全部包裹，同時高電壓已經超出人體的安全電壓，車身不可能像第壓系統一樣作為整車搭鐵點，在高電壓線束系統的設計上必須嚴格實行雙軌制

4）安全方面混合動力汽車需要有高壓互鎖及在線監測等功能，根據對數據的實時捕捉，及時發現風險進行控制。

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High Voltage Parts Design and Layout for Plug-in Hybrid Electric Vehicle

Yu Donglin
( SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )

PHEV high-voltage system model is established according to design requirements of vehicle. Then the structure and key parameters of high voltage components are given by engineer analysis and calculation, whichinclude the high voltage battery, high voltage wiring harness, MG1 and MG2, frequency converter (converter/inverter) and air conditioning compressor .At last, the suggestions on layout of High Voltage Parts are raised.

Plug-in; Hybrid Electric Vehicle; High Voltage Parts; MG1/MG2 and Planetary Gear Unit; Design And Layout

U469.7

A

1671-7988(2015)07-58-05

于棟林，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向為汽車電器。