CN103078357A

CN103078357A - 电动汽车用智能车载高压配电管理单元

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Publication number: CN103078357A
Application number: CN2012100605715A
Authority: CN
Inventors: 柴冬燕; 唐莹
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: CN103078357B

Abstract

本发明公开了一种电动汽车用智能车载高压配电管理单元，其高压电源由动力电池组正极输入，经高压直流接触器KM2常开触点接预充电电阻R1后进入高压电路输出口正极外接高压设备，高压电路输出口负极接动力电池组负极；高压直流接触器KM3常开触点串接放电电阻R2后并接在动力电池组负极、以及高压直流接触器KM2常开触点后端；高压直流接触器KM1常开触点二端分别接在动力电池组正极输入端和高压电路输出口正极；高压直流接触器KM4常开触点二端分别接在动力电池组正极输入端和外接充电机输入口正极；整车控制器控制高压直流接触器KM1、KM2、KM3和KM4的开闭；PDU控制器经CAN1线连接整车控制器和其它外部设备。

Description

电动汽车用智能车载高压配电管理单元

技术领域

本发明涉及一种电动汽车用智能车载高压配电管理系统。

背景技术

新能源商用车辆，如纯电动、混合动力、燃料电池等通常采用大量的、成组的动力电池（如锂离子电池）模块作为车辆的动力存储模块，称之为动力电池模块，并由动力电池模块为驱动电机提供动力来源，从而实现取代传统的汽、柴油或节油的目的。

在传统车辆上，主要使用直流12V（对于乘用车而言）、直流24V（对于商用车而言）等低压电源（电源电压小于直流60V）作为车载用电设备的电源，并具备较为完善的电源分配管理及控制功能和模块，称之为车身控制器（BCM：Body Control Module），实现低压电器设备的人工控制或自动控制，并具备相应的安全控制策略。

在新能源车辆中，动力电池的电压一般都大于60V的安全电压，尤其在商用车领域，电压最高可达直流700V，放电电流最高可达400A。因此，对车辆的高压电源的安全、合理分配及控制成为新能源车辆研究的重点。同时，一些新能源汽车要求具备外充电功能，并需要统计、显示电量的充放电情况。在车辆维修期间，需对高压电设备进行维修操作，需要具备安全操作功能。

在一般新能源车辆，尤其是乘用车，最基本的能量链应当包含：动力电池单元，能量管理单元（PDU：Power Distribution Unit），主电机，电机控制器，以及其他附件等。参见图1，其中：黑色粗线代表高压系统，黑色细线代表低压系统

动力电池单元作为电动汽车的核心部件之一，动力电池单元主要实现能量的输出及控制，内部包含有：成组的电池电芯（Battery），作为最基本的储能单元；电池管理系统从板（LECU：Local Electrical Control Unit），实现单体电池数据采集；电池模块管理单元（BMU：Battery Management Unit），实现SOC（State Of Charger：荷电状态）估算，热管理控制等；电压互感器和电流传感器对输出电压、电流的采集和转化输出，为电池管理系统提供数据；电源分配模块（EDM：Electrical Distribution Module），输出接触器的控制，预充电管理；电池均衡模块（MBB：Monitor Balance Board），自动实现电池单体间的均衡。

传统的能量管理单元（PDU）实现能量的分配和保护，主要包含：高压接触器、保险丝、高压连接器等，主要实现高压电源的分配和保护，但是由于能量管理单元（PDU）功能简单，因此一般不包含控制功能，内部包含的接触器的控制由整车控制器完成。一般情况下，能量管理单元（PDU）和整车控制器系统是独立的，而且功能上互有侧重。

国外的商用车技术状态基本与乘用车技术状态相同，动力电池为一个成组的电池系统。但在国内，目前商用车新能源车辆主要运用于客车领域，由于续驶里程的关系，通常会携带多个独立的动力电池单元，并采用换电模式或外插充电的运作方式，即用完后换电模式或外充电模式。因此，基于可靠性、安全性以及成本的考虑，商用车上所使用的每个独立动力电池单元内部无法实现、也没有必要实现类似乘用车那样完整的控制、检测等功能。因此，其动力电池单元仅包含电池单芯、电池管理系统从板LECU等最基本的模块。而能量管理单元PDU系统包含高压电源的分配和保护功能、电流的监控功能、车身控制单元（BCM单元）等功能。整车控制器承担了PDU系统内的控制、数据传输以及动力电池的安全检测功能。

但是这样的设计，多套控制系统往往互相独立，协作性差，通用性不强，仅适用于特定的车型，并且需要整车控制器预留大量的控制接口和控制策略，导致整车控制器负担严重，影响整车性能。

目前国内相关专利有：中国专利201020277614.1公开了一种电动车用高压电源控制盒，主要适用于乘用车辆，仅包含高压电源的输入与输出执行机构，功能简单，不包含高压电源安全保护系统和智能控制单元。中国专利201110086132.2公开了一种纯电动商用车高压配电箱，该配电箱虽然是针对纯电动商用车，但该专利也仅仅包含高压电源的输入与输出执行机构、绝缘监测、能量显示以及部分的控制系统等，在电动车辆安全和基本功能上还缺少外充电接口、预充电和快速放电等功能设计；还缺少高压互锁功能，高压互锁功能在SAE J2344《GUILDELINES FOR ELECTRIC VEHICLE SAFETY》中有强制要求；该专利还缺少高压紧急断开的设计考虑等。因此该专利在纯电动商用车上的使用还存在较多的实际问题需要解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车用智能车载高压配电管理单元，该配电管理单元将动力电池系统内部冗余功能整合到PDU单元中，并具有外充电接口、预充电管理和快速放电管理功能，实现PDU单元的模块化。

本发明是这样实现的：

一种电动汽车用智能车载高压配电管理单元，包括PDU控制器、电池模块管理单元BMU、电量显示模块、绝缘监测系统、电阻、高压直流接触器、电压互感器WB1和电流传感器WB2；

高压电源由动力电池组正极输入，经高压直流接触器KM2常开触点接预充电电阻R1后进入高压电路输出口正极外接高压设备，高压电路输出口负极接动力电池组负极；高压直流接触器KM3的常开触点串接放电电阻R2后并接在动力电池组负极，以及高压直流接触器KM2常开触点的后端，所述高压直流接触器KM2常开触点后端为高压直流接触器KM2常开触点串接于电阻R1的端点；

高压直流接触器KM1的常开触点二端分别接在动力电池组正极输入端和高压电路输出口正极；高压直流接触器KM4的常开触点二端分别接在动力电池组正极输入端和外接充电机输入口正极；

整车控制器控制高压直流接触器KM1、KM2、KM3和KM4的开闭；

所述PDU控制器输入端连接电压互感器WB1和电流传感器WB2，电压互感器WB1和电流传感器WB2接在动力电池组正极和负极输入端和回路中；

所述PDU控制器经CAN1线连接整车控制器和其它外部设备，PDU控制器经CAN1线连接电池模块管理单元BMU、绝缘监测系统和电量显示模块；电池模块管理单元BMU经CAN2连接外部充电机，电池模块管理单元BMU经CAN3连接电池管理系统从板LECU，实现单体电池数据采集。

所述高压配电管理单元经高压连接器IL1、IL2、IL3、IL4连接动力电源系统输入高压电源，高压电路输出经高压连接器IL5、IL6、...ILn连接至外接高压设备，高压连接器IL1、IL2、…ILn组成互锁回路，互锁回路连接整车控制器，高压连接器用于检测高压系统连接状态。

所述动力电池组输入所述管理单元回路中的高压母线接有高压手动维修开关QS，高压手动维修开关QS内部含有高压保险丝。

本发明通过将动力电池系统内部冗余功能整合到PDU单元中，PDU单元具有外充电接口、预充电管理和快速放电管理功能，实现PDU单元的模块化、智能化、柔性化和安全化，其标准化程度高；PDU单元能实现新能源车辆的高压电源分配管理和安全控制功能，并能与整车控制器实时进行通讯，能通过功能增减适用于多种不同类型的新能源车辆，从而实现系统柔性化的目的，减少不同项目的重复开发，适应性强。

附图说明

图1为现有的新能源车辆能量链架构示意图；

图2本发明电动汽车用智能车载高压配电管理单元电路示意图。

图3为本发明的电动汽车用智能车载高压配电管理单元CAN网络示意图。

图中：1电池管理系统从板LECU，2电池模块管理单元BMU，3绝缘监测系统，4PDU控制器，5外充机（外部充电机），6整车控制器，7其它设备（其它高压设备），8电量显示模块（电量显示单元），9动力电池组（动力电源）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图2、图3，一种电动汽车用智能车载高压配电管理单元（以下简称PDU单元），包括PDU控制器4、电池模块管理单元BMU 2、电量显示模块8、绝缘监测系统3、电阻R1和R2、高压直流接触器KM1、KM2、KM3和KM4、电压互感器WB1和电流传感器WB2。

高压电源由动力电池组9正极输入，经高压直流接触器KM2常开触点接预充电电阻R1后进入高压电路输出口正极外接高压设备7，高压电路输出口负极接动力电池组9负极；高压直流接触器KM3的常开触点串接放电电阻R2后并接在动力电池组9负极，以及高压直流接触器KM2常开触点的后端，所述高压直流接触器KM2常开触点后端为高压直流接触器KM2常开触点串接于电阻R1的端点。

高压直流接触器KM1的常开触点二端分别接在动力电池组9正极输入端和高压电路输出口正极；高压直流接触器KM4的常开触点二端分别接在动力电池组9正极输入端和外接充电机5输入口正极；

整车控制器6控制高压直流接触器KM1、KM2、KM3和KM4的开闭。

电动汽车用智能车载高压配电管理单元工作原理是：

首先，系统上电时：高压电源由动力电池组9正极输入，经高压手动维修开关QS后，到高压直流接触器KM2，该接触器接收到整车控制器6指令，接通其常开触点，高压电流经过预充电电阻R1后进入高压电路输出口正极外接主电机和其他高压设备7，高压电路输出口负极接动力电池组9负极，从而完成主电机和其他高压设备7的预充电。

当预充电完成后，高压直流接触器KM1接收到整车控制器6指令，接通其常开触点，高压电流从动力电池组9正极通过分路保险FU2、FU3、…FUn进入各个高压设备7。此时，高压直流接触器KM2断电，恢复其触点的常开状态。各个高压设备7进入可工作状态。

其次，当系统断电时，首先，高压直流接触器KM2和KM1接收到整车控制器6指令，断电，恢复其触点的常开状态。高压直流接触器KM3接收到整车控制器6指令，闭合其常开触点，使得各个高压设备7的正极通过预充电电阻R1、高压直流接触器KM3触点以及放电电阻R2连接到高压电源负极上，构成放电回路。电阻R1、R2快速消耗高压设备7中残余电能，使得高压设备7中的残余电能迅速下降到安全电压下。大约5秒后，高压直流接触器KM3接收到整车控制器6指令，断电，恢复其触点常开状态。整个系统断电完成。

在外充电状态时，整车控制器6控制高压直流接触器KM1、KM2、KM3处于断电状态，即触点处于常开状态。整车控制器6并控制高压直流接触器KM4通电，其常开触点闭合，高压电源正极从充电机5通过高压保险丝FU2、高压直流接触器KM4闭合触点、高压手动维修开关QS后连接到高压电池正极，负极由外充电机5负极连接到高压电池负极上进行外充电。当充电完成后，整车控制器6控制高压直流接触器KM4处于断电状态，高压直流接触器KM4的触点恢复常开状态。

在电动汽车用智能车载高压配电管理单元中，所述PDU控制器4输入端连接电压互感器WB1和电流传感器WB2，电压互感器WB1和电流传感器WB2接在动力电池组9正极和负极输入端和回路中；

所述电流传感器WB2用于电流采集，可以采用分流器或霍尔传感器的方式，通过采集母线或各个分支的电流数据，并通过PDU控制器4将电流数据发送到整车CAN网络供驾驶员和相关技术人员使用。

所述电压传感器WB1用于电压采集，可以采用电压互感器或电压变送器的方式，通过采集母线电压数据，并通过PDU控制器4将电压数据发送到整车CAN网络供驾驶员和相关技术人员使用。

所述PDU控制器4经CAN1线连接整车控制器6和其它外部设备7，PDU控制器4经CAN1线连接电池模块管理单元BMU 2、绝缘监测系统3和电量显示模块8；电池模块管理单元BMU 2经CAN2连接外部充电机5，电池模块管理单元BMU 2经CAN3连接电池管理系统从板LECU 1，实现单体电池数据采集。

所述高压配电管理单元（即PDU单元）经高压连接器IL1、IL2、IL3、IL4连接动力电源9系统输入高压电源，高压电路输出经高压连接器IL5、IL6…ILn连接至外接高压设备7，高压连接器IL1、IL2…ILn具备高压互锁功能，互锁回路一端连接至整车控制器6，用于检测高压系统连接状态。

所述高压连接器IL1、IL2…ILn用于连接高压系统，具备高压互锁功能，用于检测高压系统连接状态。当高压连接器拔出时，低压检测回路首先切断，并将切断的信号传送给整车控制器6，整车控制器6根据控制策略切断相应高压直流接触器的线圈供电，从而切断高压电源的输出，确保人员的安全。当高压连接器插入时，首先接通高压回路，此时的高压回路由于高压互锁的存在是没有高压电的，当高压连接器的高压回路充分接触后，低压检测回路才能被接通，并将接通信号传送给整车控制器6，整车控制器6根据控制策略接通相应高压直流接触器的线圈供电，从而实现高压电源的输出。

所述动力电池组9输入所述管理单元回路中的高压母线，高压母线接有高压手动维修开关QS。高压手动维修开关QS用于实现手动切断高压功能，是将高压母线主保险和手动维修开关集合为一体，以实现集成化的目的，并且具备高压互锁接口，可以将接口串联到整车的高压互锁回路中，实现高压互锁的功能。当高压手动维修开关QS拔出时，可以将主保险一同拔出，随维修人员携带，防止其他人员误上电，从而最大程度上保护车辆的维修人员。

本发明电动汽车用智能车载高压配电管理单元控制原理如下：

首先，高压电源由动力电池组9正极输入，该动力电池组9内部含有高压保险丝FU0，通过带有高压互锁接口的高压连接器IL3、IL4连接到PDU单元内部，在PDU单元内部使用铜条，形成高压母线。高压母线经过高压手动维修开关QS，高压手动维修开关QS含高压回路主保险丝，分配给高压主回路和外充电回路。

所述高压主回路由高压直流接触器组KM1、KM2、KM3和KM4、高压保险丝组FU3、FU4、FU5、FU6-8、FU9、FUn、大功率无感电阻R1、R2以及高压连接器IL1、IL2、IL3、IL4、IL5～IL8和ILn组成。当电动汽车执行上电流程时，整车控制器6通过CAN网络判断PDU单元内部各个子系统是否处于正常的工作状态，然后通过低压接口输出低压电源，控制高压直流接触器KM2吸合其常开触点，高压直流电源通过保险丝FU1向预充电电阻R1进行预充电操作；当预充电完成后，整车控制器6通过低压接口输出低压电源，控制高压直流接触器KM1吸合其常开触点，高压直流接触器KM2断开，高压电源向整个高压主回路供电。从而完成上电流程。

上电后，高压电源经过高压直流接触器KM1的触点，通过铜条的分配，并经过高压保险丝组FU3、FU4～FUn保护输出给不同的高压用电设备7。在整个运行过程中，整车控制器6和PDU控制器4采集各个接触器触点信号，与控制指令进行对比，从而判断是否工作正常。如果高压直流接触器KM1的控制指令与状态反馈信号不符合时就可以认为是高压直流接触器KM1故障状态，整车控制器6通过CAN1网络发出故障信号，向司机报警。

当车辆需要断电时，整车控制器6控制高压直流接触器KM1和KM2同时断电，高压直流接触器KM3通电，吸合其常开触点闭合，从而将高压主回路系统中的残余能量通过大功率电阻R1、R2进行消耗，确保高压主回路系统中残余电压在5秒内下降到36V安全电压以下，确保人的安全。当放电完成后，高压直流接触器KM3也断开。整个系统处于断电状态。

外充电回路的是由高压直流接触器KM4控制输出，该高压直流接触器KM4的控制经整车控制器6通过采集PDU单元内置外充电接口上的充电确认信号进行控制输出，当外充电接口接上外置充电设备5后，整车控制器6采集到充电确认信号，根据控制策略程序断开高压直流接触器KM1、预充电的高压直流接触器KM2和高压直流接触器KM3，同时闭合外充电的高压直流接触器KM4，从而接通外充电回路。由外置充电设备5向车载动力电池组充电。当充电完成后，首先断开低压控制信号----充电确认信号，当整车控制器6接收到充电确认信号断开时，首先切断外充电的高压直流接触器KM4，然后再根据控制策略，确定高压直流接触器KM1的闭合与否。

外充电接口具备CAN网络通讯功能，并在PDU单元内部与电池管理单元BMU 2经CAN2线进行CAN通讯，监控充电电流，充电电压等相关数据，实现智能充电。当充电发生异常，电池管理单元BMU 2经CAN1线通过CAN网络将故障信息传给PDU控制器4，PDU控制器4经CAN1线再向整车控制器6发出报警信息，整车控制器6根据控制策略采取相应操作。

在CAN网络中，CAN1代表整车网络，其网络的节点主要包含：PDU控制器4，外部设备7（包括电机、仪表等），CAN1线也连接PDU单元内部子网络，其网络节点主要包含：电池模块管理单元BMU 2、绝缘监测系统3和PDU控制器4。CAN2为外充电子网络，CAN3为电池内部子网络，这两个子网络属于电池系统的两个独立网络。

在PDU单元内部还包含绝缘监测系统3，用于实施对整车高压系统与车身间的绝缘电阻监测，并通过PDU控制器4经CAN1线将监测数据发送到整车CAN网络中，并在仪表上进行显示。当发生绝缘降低的情况发生时， PDU控制器4接收到绝缘监测系统3经CAN1线从CAN网络中发出的报警信号，抄送给整车控制器6，整车控制器6通过相应的控制策略，切断相应高压直流接触器的线圈供电，从而切断高压电源的输出，并通知驾驶人员，确保人员的安全。当绝缘恢复正常时，通过重新启动车辆方式再接通相应的高压电源的输出。

PDU控制器单元主要由PDU控制器4、电压互感器WB1、电流传感器WB2以及电量显示单元8构成，并通过采集高压直流接触器KM1和外充电高压直流接触器KM4的状态信号判断整车处于放电状态还是处于外充电状态。并在电量显示单元8上显示出系统目前状态，会同采集的电压和电流数据等信息通过CAN网络发送到整车网络中，主要是在仪表上进行显示，并将系统故障和报警信息发送给整车控制器6，由整车控制器6判断系统状态、安全等级，从而确定相应的操作。PDU控制器4也可以将高压直流接触器KM1、KM2、KM3和KM4的控制由PDU控制器4执行，但控制策略上的指令还是由整车控制器6发出。

为了确保系统维修安全和紧急情况安全，本发明的PDU单元还需要配备高压手动维修开关QS，以及紧急开关的低压接口。当车辆处于维修状态时，维修人员可以将手动维修开关QS拔出，并可以随维修人员携带，防止其他人员误上电，从而最大程度上保护车辆的维修人员安全工作，也便于车辆保险的更换。当车辆发生紧急情况时，如火灾，撞车等意外情况，驾驶人员可以通过切断车辆前部的紧急开关，从而切断车辆高压接触器的电源，使得高压系统断电。从而在最大程度上保护车辆的行驶安全。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电动汽车用智能车载高压配电管理单元，其特征是：包括PDU控制器、电池模块管理单元BMU、电量显示模块、绝缘监测系统、电阻、高压直流接触器、电压互感器WB1和电流传感器WB2；

整车控制器控制高压直流接触器KM1、KM2、KM3和KM4的开闭；

2.根据权利要求1所述的电动汽车用智能车载高压配电管理单元，其特征是：所述高压配电管理单元经高压连接器IL1、IL2、IL3、IL4连接动力电源系统输入高压电源，高压电路输出经高压连接器IL5、IL6、...ILn连接至外接高压设备，高压连接器IL1、IL2、…ILn组成互锁回路，互锁回路连接整车控制器，高压连接器用于检测高压系统连接状态。

3.根据权利要求1所述的电动汽车用智能车载高压配电管理单元，其特征是：所述动力电池组输入所述管理单元回路中的高压母线接有高压手动维修开关QS，高压手动维修开关QS内部含有高压保险丝。