插电式混合动力汽车高电压部件设计及布置

于栋林

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

插电式混合动力汽车高电压部件设计及布置

于栋林

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

根据整车设计要求，建立插电式双电机MG1/MG2+行星轮系混合动力汽车高电压系统方案模型。通过理论计算及工程分析确定高压电池组、高电压线缆、双电机MG1/MG2、变频器（转换器/逆变器）、空调压缩机等高电压部件的结构及关键参数。针对高电压部件布置的安全及可靠性提出建议。

插电式；混合动力汽车；高电压部件；MG1/MG2+行星轮系；设计及布置

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

引言

插电式混合动力汽车（PHEV）可以通过车载充电机从供电网获取能量，通常以纯电动模式行驶为主，因功率不足或电池荷电状态SOC(state of charge)降到下限值才起动发动机进入混合驱动模式，相当于传统混合动力汽车与纯电动汽车的混合体。插电式混合动力汽车上既有直流高电压，也有交流高电压，同时较传统混合动力汽车（HEV）增加了外接插电式高压充电系统，对产品开发过程的高电压系统匹配、高电压安全防护、电磁干扰、制动能量回收、电机/电池/电控技术成本及充电都提出了更严格的要求及挑战。

1、高电压系统方案策略及整车参数

1.1 高电压系统方案

本文车型高电压系统（图1）采用双电机MG1/MG2+行星轮系混联结构及串并联结合的混联能量传递方式，通过逆变器将高压电池组的直流电升压变换成交流电供给电机MG1/MG2驱动车辆，或将MG1输出的交流电供给MG2及变换为直流电降压储存到高压电池组。高电压部件主要包含高压电池组、电机MG1/MG2、变频器（转换器/逆变器）、车载充电机、空调压缩机、高电压线缆等部件。

1.2 整车基本参数和性能指标要求

本文高电压系统部件参数匹配设计需要以整车参数、性能指标为基础，见表1。

表1 整车参数和性能指标

2、高电压部件的设计

2.1 双电机MG1/MG2匹配设计

MGI和MG2是集发电机及电动机功能于一体的双向机电能量转换装置。它们通过行星齿轮与发动机有机的联系起来,MG1与太阳轮相连，MG2连接在齿圈上，齿圈通过齿形带和主减速器相连，发动机与行星架相连。MG1在行星排之前，转速、扭矩和转向可变，主要功用是调速、发电和起动发动机。MG2在行星架之后，转速、扭矩和转向可变，主要功用是驱动车辆、倒车、滑行和制动时对高压电池组充电。MG1、MG2和发动机三者满足转速关系，通过行星齿轮实现功率分流和变速，见图2。

2.1.1 MG2参数确定

1）MG2峰值功率及额定功率选取

设计时通常依照汽车的最高车速vmax(km/h)、车辆的加速时间tm（S）及车辆的末速度vm (km/h)和最大爬坡度αmax (%)确定满足最高车速要求时MG2峰值功率Pmax1、满足纯电驱动最大爬坡度要求时MG2峰值功率Pmax2、满足加速性要求时MG2峰值功率Pmax3，分别计算为:

电机MG2峰值功率需要同时满足条件:

经Pmax1、Pmax2、Pmax3进行计算，最终选取MG2的峰值功率Pmm，MG2的额定功率可根据峰值功率求出:

式中Pmm-电机峰值功率；Pm额-电机额定功率；λ-电机过载系数（电动机过载系数λ一般取为2～3 ）。

2）电机MG2的最高转速Nmmax、额定转速Nm额、最大转矩Tmax、额定转矩Tm额选取。

根据电机扩大恒功率区系数β（nmmax/nm额）较小时额定转矩高、转子电流大、电机质量大、内在损耗高；β较大时电机会增大传动比，也会使驱动轴扭矩和齿轮应力增大特点，但大β值是车辆起步加速和稳定运行必需的。考虑最高转速、齿轮应力和传动系尺寸，一般选用中高速电机（最高转速在6000-15000r/min），扩大恒功率系数β取4～6。根据汽车理论知识，MG2通常以常规车速确定电机额定转速及最高转速

式中:Ig为传动比1；Io为主减速3.905；vn为常规车速，取50Km/h；r为车轮半径0.308m

MG2额定转矩及最大转矩为:

式中:λ取1.5

2.1.2 电机MG1参数选择

1）发动机起动需要MG1在短时间内提供足够大的起动扭矩以克服发动机的起动阻力矩和惯性力矩:

2.2 电池参数选择

2.2.1 动力电池组功率

1）PHEV高压电池组的最大输出功率取决于电机的功率、电机的效率、控制器的效率、电子附件的功率及空调功率空调，高压电池组需求的最大功率为:

式中:Pbmax为高压电池组最大功率kw；Pmm为MG2峰值功率，kw； PAC为空调压缩机功率，kw；ηb为动力电池组工作效率，可取90%；ηMG2为MG2最大功率点的工作效率，可取90%。随着电池的使用电源系统逐渐老化，设计通常保留15%～30%的余量。

1.2.3 动力电池组电压

电池额定电压可计算如下:

2.2.2 高压电池组容量

高压电池组容量的选取容量过大，车辆总质量增加，动力性和经济性下降；容量过小，动力电池组过充、过放电，使用寿命降低。高压电池组的容量C主要由车辆连续加速能量需求或以纯电动行驶的能量需求决定，可根据下列方程组求得。

式中:C为动力电池组容量，Ah; Qa为车辆连续加速过程的电能需求，Wh；Qi为车辆纯电动行驶过程的电能需求，Wh；SOCH为动力电池组SOC 允许工作上限，可取为70%；SOCL为动力电池组SOC 允许工作下限，可取为30%；ηm为电机工作效率；Pacc( t) 为车辆连续加速过程中t 时刻的功率需求，kW；Pe( t) 为车辆连续加速过程中t 时刻发动机所能提供的功率，kW；te为车辆连续加速过程中电机参与驱动的时间历程，Se为车辆纯电动行驶里程，km；ua_i为车辆纯电动行驶在坡度为i 的坡道上的车速，km/h；Pi为车辆以车速ua_i纯电动行驶在坡度为i 的坡道上的功率需求，kW。

2.2.3 电池单体成组参数

电池组是由电池单体通过串联和并联形式组合而成的，动力电池组的串联数量、并联数量和电池单体数量可分别通过下式确定。

式中:Nb_series为动力电池组串联数量；Ub_single为电池单体电压，V；Nb_parallel为动力电池组并联数量；Cb_single为电池单体容量，Ah。

2.3 高电压线设计

2.3.1 高电压线束参数设计及选型

高电压线束的设计在是非常关键，线束要求有高通载能力、高耐电压能力、优越的耐冲击与振动能力、优越的电磁屏蔽能力。高电压线线径的设计可根据公式:

式中:I为电流，A；J为用电设备的功率，W；U，为系统提供的电压，V ；Ud，为允许最大电压降损失，V；p为铜电阻率(约为0.0185Ωmm2/m)；L- 导线长度，m；A为导线截面积，mm2。

但线径的设计也需要综合考虑以下几个方面:1、负载贿赂的额定电流值；2、电线导体的容许温度；3、电气工作周围环境的温度；4、导线自身通电时温度上升引起的通电率降低。

2.3.2 高电压线束保护设计

高电压线束在设计时应该充分考虑防水、防泥沙飞溅、防刮伤等因素，可考虑使用线槽或金属弯管结构来保护高电压线束。对高电压线束的固定而言，若线束相对于车身静止，则本着固定点间隙不大于200mm原则；若线束终端保持活动，则自由长度不超过300mm为宜。

2.4 车载充电机设计

车载充电机采用典型“交流-直流-高频交流-直流”的大功率高频开关电源，逆变电路是开关电源的核心部分，包含充电系统主电路和控制回路两大部分，主电路由整流滤波电路、DC/DC功率变换电路及蓄电池负载组成。

2.4.1 车载充电机充电电压和充电电流确定

1）电池包含额定电压、充电终止电压和放电终止电压，考虑充电电压余量，可选取车载充电机的充电电压稍大于电池的充电终止电压。

2）充电电流的大小可由电池的容量和充电速率的比值确定。

2.4.2 车载充电系统及主电路的设计

主电路通过六个二极管组成的三项全桥整流环节，将380V交流电转换成脉动的直流电压，再通过输入滤波将其变成较平滑的直流电。桥式逆变电路的开关状态由加于其控制极的电压信号决定，当T1、T4打开时T2、T3关合，当T1、T4关合时T2、T3打开。当桥中各臂以频率 f轮番通断时，输出电压将以交变方波进入变压器。从变压器输出的交流电再次通过四个二极管组成的全桥整流电路及LO/CO给电池充电。

2.4.3 元件参数的计算及选择

1）可根据以下经验算法来计算Cin的容量:

式中:Vline（min）输入交流电压的变化最小值，380-380x 10%V；Vline（max）输入交流电压的变化最大值，380-380x 10%V；VPP为整流滤波后直流电压的最大脉动值；Pin为输入功率，取0.8；

2）IGBT的选择

IGBT一般选择2倍余量的变换器原边电压最大值VINMAX，根据需要选用600V或1200V的较常见。

3）变压器选择

变压器原边及副边绕组匝数由下式确定:

式中:Kf为波形频率，正弦波Kf=0.44，矩形波Kf=0.4；fs为开关工作频率；Bw为工作磁通密度；Ae磁芯有效截面积。

原边/副边导线面积可由以下公式计算:

4）输出滤波电容的计算

其中，fsl为输出电感的工作频率，即为原边开关管开关频率fs的二倍。Iomax一为最大脉动电流。

2.5 汽车变频器设计

汽车变频器的作用是电流换相，可以分为电机变频器（升压转换器/逆变器）、空调压缩机变频器、DC/DC转换器。

2.5.1 电机变频器结构原理

电机变频器主要电路是由电力半导体功率器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块组成，通过升（降）压型双向DC/DC变换器和Z源变换逆变器实现电池对电机MG1、MG2的驱动和电机MG1、MG2对电池的反向充电。

2.5.2 逆变器参数设计

1）主电路主要器件参数计算

逆变器采用电压源型主电路，直流侧加支撑电容，附加直流继电器和预充电电路。在主电路设计时，最重要的是确定功率器件的电压和电流等级。本系统选择的IGBT 电压等级为600V，IGBT 的电流等级为600A，直流侧电容电压等级选定为450V。其容量则一般使用如下经验公式进行计算:

式中，P 为逆变器输出功率，VDC 为直流侧电压，CDC为直流侧电容容量。

2）功率器件损耗计算

功率器件的损耗由IGBT的静态损耗、IGBT的开关损耗、二极管静态损耗和二极管动态损耗四个部分组成。

IGBT静态损耗计算公式为:

式中:Icp为额定输出电流；Vce（sat）为在额定输出电流时的饱和电压；D为平均占空比；为功率因数。

IGBT开关损耗计算公式为:

式中:fc为开关频率；psw-on为IGBT开通能耗；psw-off为IGBT关断能耗

二极管静态损耗计算公式为:

式中:为二极管导通压降

二极管动态损耗计算公式为:

式中:为二极管反向恢复电流；trr为二极管反向恢复时间。

2.5.3 空调变频器及DC/DC转换器设计

1．DC/DC 转换器是把高压电池中的高压直流电转化为低压直流电(12V)，给蓄电池充电，以满足车上各电器的使用要求。在发动机运行时，DC/DC才可能对蓄电池进行充电直到其最高电压值(12V)，当发动机不运行时，尽管高压电池SOC足够高，DC/DC也不对铅酸蓄电池充电。如果汽车上的其它用电器（如大、小灯，收音机等）还在继续使用，则电池的电压可能降低到8V或耗光，需要再次启动发动机时，只有通过外界充电器对其充电，发动机才可能再一次启动，一旦启动，立即可以对电池充电。

2.高电压部件布置安全及可靠性

PHEV高电压系统的电压几百伏，不合理的布置可能漏电引起火灾或危及乘客的人生安全，高电压部件的布置除满足安全碰撞法规、人机工程及维修方便等传统汽车的要求外，设计上针对高电压安全还需制定有效防护措施，用以保护车内乘员的安全。

高电压部件的布置主要从以下几个方面考虑:

1）布置的合理性，高电压零件的布置要为能量源及其传输路径上的相关部件留有足够的缓冲空间，尽可能加大高电压部件彼此或与车体之间的距离，确保任何一个非外接高电压部件与整车外廓的最小尺寸均保持在110mm以上。确保足够的安全缓冲及吸能空间， 以适应可能的变形。相邻部件之间的静态间隙不能小于15 mm, 动态间隙则需控制在至少25 mm以上。高压线的长度尽可能的短，本着相邻固定点不大于200mm原则，高压线间尽量避免交叉。

2）碰撞安全，电机、变频器等高电压部件一般布置在发动机仓内，纵梁前部及保险杠前部式主要的碰撞损坏区域，布置尽量相对靠后的位置，这里车身变形相对较小，同时考虑碰撞一般在车身的Y向变形较大，插头尽量在车身的X方向。电池的设计上做到部件与箱体绝缘，箱体与车体绝缘的二次绝缘，周围需要预留一定的安全缓冲吸能空间。

3）核心部件保护，高电压系统部件布置时应充分考虑车辆涉水、刮碰及泥沙飞溅等因素，可采用塑料线槽、金属弯管设计来保护高压线束。

电磁兼容，考虑到电磁干扰的因素，PHEV整个高电压系统均由屏蔽层全部包裹，同时高电压已经超出人体的安全电压，车身不可能像第压系统一样作为整车搭铁点，在高电压线束系统的设计上必须严格实行双轨制

4）安全方面混合动力汽车需要有高压互锁及在线监测等功能，根据对数据的实时捕捉，及时发现风险进行控制。

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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

于栋林，就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司，研究方向为汽车电器。