新能源汽车高压直流总线系统设计挑战

2021-01-07楼佳烽刘敢闯

汽车电器 2020年12期

楼佳烽，刘敢闯

（1.上万清源智动车有限公司（万向集团），浙江杭州310016；2.重庆金康动力新能源有限公司，重庆 400020）

近年来，由于苛刻的燃油经济性要求，在政府激励措施的不断实施以及新技术的应用下，电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）市场发展迅猛，但潜在的汽车消费客户仍对车辆安全性、续驶里程以及充电基础设施的便利性缺乏信心，并面对相对高昂的购车价格而犹豫不决。面临这些挑战，汽车制造商需要开发具有优势的技术方案，以此来满足目标市场，并平衡开发成本。为了满足不同需要，从轻混到电动汽车，随着汽车电气化程度不断提高，热、电和机械系统之间相互影响，EV/HEV面临着比传统内燃机汽车更多的差异化的系统级和多学科问题［1］。

EV/HEV为了满足安全、可靠、高效及预期成本的目标，则合理设计高压直流总线系统（High Voltage DC-link System）非常重要［2］。EV/HEV由电源、多个功率变换器以及负载组成，当多个电力电子功率变换器连接到动力电池时，意味着在车辆中建立了一个小型DC分布式电力系统，图1为特定类型车辆的高压系统拓扑简图。

高压直流总线系统中的个体组件的稳定独立运行并不一定意味着整个系统的稳定运行，即EV/HEV每个子系统若都是基于其个体的独立操作进行设计，在系统集成之后，子系统之间的相互作用有可能会导致部件个体性能下降，甚至系统不稳定，这可以被视为经典的动态系统稳定性问题［3］。

高压直流总线系统需要多方面权衡设计，以保持系统的稳定性和可控性。如果在开发的初始阶段不考虑组件系统级别的要求，将导致后续在迭代设计中可能面对更大的困难以及成本考量。

图1 特定类型车辆高压系统拓扑

1 高压直流总线系统谐振

EV/HEV高压直流总线由多个功率变换器共享，取决于系统架构，任一功率变换器为了满足EMC、滤波、纹波要求，均会使用如EMC电容、电感或扼流圈组件，因此高压直流总线系统构成LRC直流链路（DC link），如图2所示。

这些功率变换器（如MCU、GCU、DCDC等）内部的滤波电感、电容以及连接它们的电缆之间将形成具有如公式（1）中的谐振频率的电路：

式中：L、C——环路等效电感和电容。

如果功率变换器在直流链路的谐振频率或其附近工作时，此时直流链路阻抗较低，将导致高的谐振电流流过滤波器组件，并对高压回路的元器件选型（如熔断器）带来挑战［4］。高压直流总线系统设计时应尽量避免发生电气谐振，因为这不仅会降低元器件额定寿命，而且会影响系统控制稳定性，并有可能增加不期望的声学噪音。

由于系统谐振行为很大程度上取决于电路参数，而电路参数取决于许多因素，例如环境温度、制造公差、工作频率、老化效果等，这使得设计决策更加复杂。

无论如何优化系统，在特定频率的DC link中总是存在谐振，因此，在考虑谐振频率的鲁棒性基础上，设计时需要尽量防止功率变换器在谐振频率区域下产生主谐波，或者通过使电路的固有谐振频率区域保持在开关频率范围之外以避免谐振。

如果设计的第一次迭代未考虑DC link谐振，此时如果对所使用的高压组件软硬件进行更改不具有经济型以及可操作性，则仅留下有限的选择，例如改变电缆长度或高压组件的放置位置，以此将谐振频率区域转移至高压组件工作频率范围之外［5］。

图2 高压总线直流链路LRC电路

2 高压直流总线系统EMI

EV/HEV中主要功率变换器包括电机控制器（MCU）、DCDC、充电机、转向变换器等，所有功率变换器组件均使用不同的控制算法和开关频率，范围在几千赫兹到几百千赫兹之间。这些高压组件和动力电池电连接，所有这些开关频率及其谐波含量，尤其是电机控制器，作为高压总线架构上的主要噪声源之一，都在整个高压直流总线系统中展开。

为了保持车辆系统稳定性和可控性，高压直流总线系统需要小心构建，尽可能避免产生严重的差模或共模噪声。尤其是所有的高压部件外壳均与底盘电气等电势连接，电驱动系统与车辆底盘间存在的寄生和杂散电容为共模噪声提供了低阻抗的循环路径［6］，动力电池&驱动系统模型如图3所示。

为了减少传导辐射或共模纹波，重要的是电机控制器需要有良好的机械结构和母排布局［7］，采用合适的IGBT模块开关速率，以及合理选择一定阈值的Y电容的共模滤波器位置，并采用屏蔽电缆减少共模噪声辐射。

图3 动力电池&驱动系统模型

3 高压直流总线系统纹波

EV/HEV中的各功率变换器与高压电池之间的相互连接，构建了一个高压直流总线系统，为保证车辆控制的稳定性，需要确认车辆在驱动（前进/倒退/最高车速等）、充电状态（快速/慢速充电）下电压纹波和电流纹波，用以评估系统各单元配置是否满足纹波要求。车辆工况条件-纹波评估统计见表1。

表1 车辆工况条件-纹波评估统计表

尤其是电机控制器，作为DC link总线系统中最大的功率变换器，将产生高频电流纹波。电流纹波不应超过元器件（如X电容）的载流能力，影响其工作寿命。同时，电流纹波也有害于电池［8］，比如会导致电池阻抗增加和容量衰减，并且超过预期的纹波有可能对控制算法造成误差（如电池SOC）。动力电池纹波电流等效电路如图4所示。