CN113291156B - 一种纯电动汽车的高压配电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车的高压配电系统，涉及纯电动汽车配电设计领域。其包括：电电池包，其内设有动力电池；直流快充模块，所述直流快充单元与所述电池包连接；驱动电机模块，所述驱动电机单元与所述电池包连接；电源分配模块，其与所述电池包连接，且用于向汽车电器件配电；多个继电器，其设于所述电池包和所述直流快充模块、驱动电机单元、电源分配单元PDU连接的线路上；BMS系统，所述电池管理系统BMS用于控制所述继电器的通断。与相关技术相比，本发明提供的技术方案降低了高压配电线路的成本，提升了其安全性。

Description

一种纯电动汽车的高压配电系统

技术领域

本发明涉及纯电动汽车领域，具体涉及一种纯电动汽车的高压配电系统。

背景技术

近年来，纯电动汽车已成为汽车工业转型的战略重点方向。动力电池、电机电控以及辅助系统作为纯电动汽车的关键部件，其关键技术的研究长期以来一直是业界关注的重点。其中，高压配电系统是其重要的辅助系统，其在保证动力电池的能量可靠输出、高压电安全、保证各系统可靠独立工作、保证关键部件使用寿命等方面起到非常重要的作用。目前在纯电动汽车高压配电领域，配电结构有很多种类。

如图2所示的现有技术实施例1的高压配电系统，该方案的高压配电功能全部集中于PDU，此方案中所有的高压线路、接口及配电元器件均装备在PDU中。其高压系统的工作方式如下：动力电池根据负载需要输出高压电，所有得到负载或附件比如：驱动电机、电动压缩机、直流转换器等，高压电流都需要先进入PDU后再进行内部配电然后输出给负载，配电元器件如高压继电器、预充电阻及高压熔断器均设置在PDU内部。同理，电池充电时通过外部充电口进行充电，也需要通过PDU来配电。该方案由于所有配电单元集中再PDU内，对于工作人员后期的维护比较方便，对于维修也是同理。但该方案也给从业人员带来困难：其高压配电结构和控制十分复杂，由于附件回路较多且基本不存在共用所所以导致高压线束的使用量增多，其数量多长度长导致高压线束重量过大不易布置和走线，同样这对成本和装配上的压力更大。

如图3所示的现有技术实施例二的高压配电系统，该方案配电系统中，在动力电池的正极和负极分别设置若干个高压继电器，各负载或电器附件之间采用并联方式进行连接，当任一负载或电器附件有高压电需求时，由VCU整车控制系统的发出接通该回路的高压继电器的指令，即可令指定的负载开始工作。本方案的负载并联设置，有效的隔离了各负载，使各个系统工作可以独立控制不受外界影响。但由于其回路大都不共用元器件，所以每条回路都需要配备多个如高压继电器等其他设备。这造成了成本上升，并且并联连接可能会因个别配电元器件失效而无法可靠断开高压回路，存在安全隐患。同样对工作人员后续的维修和维护造成困难。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种纯电动汽车的高压配电系统，解决纯电动汽车的高压配电结构中的高压线路繁杂以及线路的安全性隐患。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：提供一种纯电动汽车的高压配电系统，该系统包括：电池包，其内设有动力电池；直流快充模块，所述直流快充单元与所述电池包连接；驱动电机模块，所述驱动电机单元与所述电池包连接；电源分配模块，其与所述电池包连接，且用于向汽车电器件配电；多个继电器，其设于所述电池包和所述直流快充模块、驱动电机单元、电源分配单元PDU连接的线路上；BMS系统，所述电池管理系统BMS用于控制所述继电器的通断。

一些实施例中，BMS系统包括：与电池正极串接的主正继电器K1；主负继电器K4，其设在高压配电系统的负极回路上并与所述驱动电机模块和驱动电机模块连接；当BMS系统接收到启动指令后将控制所述主正继电器K1和主负继电器K4连通。

一些实施例中，BMS系统还包括：与所述主正继电器K1并联的预充回路，所述预充回路包括预充继电器K3和预充电阻；当BMS系统接收到启动指令后，所述BMS系统控制预充继电器K3和所述负继电器K4连通以实现对所述驱动电机模块和所述汽车电器件预充电，达到预充条件后BMS系统控制控制所述预充继电器K3断开并使所述主正继电器K1吸合，连通高压正极回路。

一些实施例中，BMS系统还包括：快充正极继电器K5，其设在高压正极回路上并串联在所述主正继电器K1后，所述快充正极继电器K5与1所述直流快充模块串联。当BMS系统收到快充指令后，所述BMS系统控制所述主正继电器K1和快充正极继电器K5吸合。

一些实施例中，BMS系统还包括：快充负极继电器K2，其设在高压负极回路上并与所述直流快充模块串联，且所述快充负极继电器K2与所述主负继电器K4并联连接；当BMS系统收到快充指令指令时，BMS系统控制快充负极继电器K2、主正继电器K1，连通直流快充回路。

一些实施例中，电源分配模块包括：PDU高压配电单元、DCDC直流转换器和OBC车载充电器，所述PDU高压配电单元用于向所述DCDC直流转换器输入电能以及为OBC车载充电器提供输入和输出回路。

一些实施例中，汽车电器件包括：EAC电动压缩机和PTC电加热器，且所述EAC电动压缩机和PTC电加热器均与所述PDU高压配电单元电性连接，且两者在所诉配电模块中的高压回路成并联关系。

一些实施例中，PDU高压配电单元内设有至少一个高压熔断器，所述高压熔断器用于保护其所在的线路。

一些实施例中，电池包模块、电机驱动模块以及配电模块上都设有至少一个高压连接端口，所述高压接口用于与外部进行电性连接。

一些实施例中，高压连接端口设有高压互锁和机械防呆装置。

与现有技术相比，本发明的纯电动汽车的高压配电系统，有以下改进：

(1)通过功能分配的角度由电池包承担了大部分相关技术中PDU高压配电单元的电源分配功能，减少了大功率高压连接器，减少了高压线束的数量，有效优化了电路结构，同时减少了装配以及后续的维修和维护的成本。

(2)高压回路的设置上，高压正极电路的串联有额外的高压继电器，该设计在高压线路中个别元器件发生故障而无法断开时，额外高压继电器能够有效断开从而提供冗余保护，提升了高压配电系统的安全性。

(3)高压负极电路上，快充电路与电机驱动模块和配电模块并联设计又使得各高压回路间能有效隔离，在使用时互不干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的高压配电系统接线图；

图2为相关技术实施例一高压配电系统接线图；

图3为相关技术实施例二高压配电系统接线图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本申请实施例提供了一种纯电动汽车高压配电结构，其优化了提高压配电系统能源分配方式，也加强了对高压配电系统的安全保护。其综合考虑新能源动力模块的结构特点和功能分配原则，同时兼顾了成本更低原则。

本申请实施例中提供了一种纯电动汽车高压配电结构，如图1所示该系统包括：三个功能模块：电池包模块、电机驱动模块、配电模块，以及直流快充模块。

电池包中设有BMS系统(电池管理系统)、多个高压继电器以及动力电池，所述BMS系统用于控制多个继电器吸合或断开，所述继电器组件包括与所述电池包模块正极串接的主正继电器K1、快充负极继电器K2、主负继电器K4以及与所述主正继电器K1并联的预充继电器K3和预充电阻。电池包的动力电池承担了驱动电机供电、OBC/DCDC/空调/PTC等附件供电。当BMS系统接收到启动指令后，所述BMS系统控制预充继电器K3和所述负继电器K4连通以实现对所述驱动电机模块和所述汽车电器件预充电，达到预充条件后BMS系统控制控制所述预充继电器K3断开并使所述主正继电器K1吸合，连通高压正极回路。

配电模块用于为汽车电器配电,其包括PDU高压配电单元。所述配电模块与所述电池包模块电性连接。汽车电器附件包括EAC电动压缩机和PTC电加热器，且所述EAC电动压缩机和PTC电加热器均与所述配电模块电性连接，且两者在所诉配电模块中的高压回路成并联关系。配电模块解决了DCDC(直流转换器)/EAC(电动压缩机)/PTC(电加热器)等附件的电能输入和OBC车载充电器的输入输出。每个模块依据一定的原则设置高压继电器和高压熔断器辅助实现相关功能及线路保护。

驱动电机模块，其用于驱动电机工作，所述驱动电机模块与所述电池包模块电性连接。驱动电机模块在系统中的功能是单纯接受电能来驱动电机工作。

本发明实施例在能源分配上，电池包直接向电机驱动模块供电的同时，向配电模块输送高压电，再由配电模块向DCDC/EAC/PTC和OBC等附件配电。同时该方案上，驱动电机和汽车电器件还共用了了预充电回路(高压继电器K3所在回路)。在执行预充电步骤时，不仅电机驱动模块会得到预充电同时也解决了PTC和EAC的预充电问题。

具体地，继电器还包括：快充正极继电器K5，其与所述主正继电器K1串联。本发明配电结构在高压电路回路设置上，将快充正极继电器K5回路串接在主正继电器K1的后面，形成串联回路。当BMS系统收到快充指令后，所述BMS系统控制所述主正继电器K1和快充正极继电器K5吸合。如此设计，可以在高压执行断开指令时，如果某一只继电器出现触点粘连时无法断开时，串联的其他继电器仍能断开回路，提供了冗余保护，提高了高压配电系统的安全性。

优选地，所述主负继电器K4的电路和快充负极继电器K2并联连接。

如此，参照图1所示，本发明实施例中，快充正极回路、配电模块正极回路以及电机驱动模块正极回路成并联关系，而快充负极继电器K2与则和快充负极继电器K2并联连接起到了隔离作用。这导致快充回路和驱动回路被有效隔开成两个高压回路，能够保证两者保证独立工作。当BMS系统收到快充指令指令时，BMS系统控制快充负极继电器K2、主正继电器K1，连通直流快充回路。

因此，在本发明实施例的高压配电系统工作时：

当VCU整车控制系统发出车辆驱动指令时，BMS系统得到控制信号后分别接通主负继电器K4、预充继电器K3，连通预充回路对电机驱动模块和EAC/PTC等附件进行高压预充，当电器和电机驱动模块达到预充完成条件后，接通主正继电器K1以用来连通驱动电机高压回路，同时断开预充继电器K3，此时驱动回路的高压建立，具备了启动车辆的动力条件，此时快充正极继电器K5和快充负极继电器K2始终处于保持断开状态，驱动回路和快充回路分离，所以在汽车执行车辆驱动指令时，快充功能不受影响处于停止状态。

在上述高压电预充过程中的预充完成条件是指相对应的主接触器两端的电压差值和容性负载预充反馈信号综合判断高压预充是否完成，进而控制预充接触器和主接触器来实现对容性负载回路的预充与上电。

而当VCU整车控制系统发出车辆直流充电指令时，BMS系统得到控制信号后分别接通快充负极继电器K2、主正继电器K1、快充正极继电器K5，连通直流快充回路，直流快充回路的高压建立，具备车辆直流充电的动力条件，此时主负继电器K4处于断开状态，驱动回路和快充回路的负极分离，回路隔开。充电过程中驱动回路处于毫无影响的停止状态。如充电过程中需要断开高压，而高压回路的高压继电器(K1或K5)发生故障导致其粘连而无法断开另一个高压继电器也会及时断开，不会影响到该高压回路的正常断开，当然如图1所示，快充正极继电器K5前还串联了高压熔断装置。

可以理解的是，电池包模块、电机驱动模块以及配电模块上都预留有至少一个高压连接端口，所述高压连接端口用于与外部进行电性连接。带电的高压连接器若被误操作断开(此情况可能会出现在检修中)，则在高压切断的瞬间，整个回路的电压都会加载到断点两端，给断点端子造成永久性的伤害，同时也可能对断点周围的人员及设备造成伤害，故高压系统设计需满足高压回路先连通后断开，互锁回路后连通先断开。

优选地，可以在电池包内设置检测电路，触发行程开关通过行程开关控制检测信号的断开，此时BMS模块不能检测到检测信号，切断电动汽车动力电池输出。这样可以有效保护维修过程的。

上述高压连接器可采用带有卡槽的插头扳手、带有导向槽的二次锁和高压互锁微动开关组成互锁机构。新能源行业(主要是汽车)对连接器的行业应用要求比较高，高压互锁结构避免了高压接插件开断过程中产生电弧的现象，延长了互锁机构的使用寿命，有效防止了误操作造成的触电危险，确保维修安全。

上述电动维修装置可以采用高压互锁。高压互锁(简称HVIL)，是用低压信号监视高压回路完整性的一种安全设计方法。理论上，低压监测回路相比于高压先抄接通、后断开，中间保持必要的提前量，时间长短可以根据项目具体情形确定。本发明实施例中，可以通过高压互锁通过使用BMS输出的低压信号来检查电动汽车上所有与高压母线相连的，各个分路的完整性，包括整个电池系统、导线、连接器、DCDC、电机控制器、高压盒及保护盖等系统回路的，电气连接完整性。

优选地，高压互锁低压信号回路的状态发送变化时，激活主系统电路启动以控制电池包的内的高压继电器以使高压回路通断。上述高压互锁低压信号回路的状态变化包括回路的通断状态变化、回路中电压状态变化、回路中电流状态变化、回路中电阻状态变化中的任意一种或N种的组合。

可以理解的是，为了监控低压信号的变化。电池管理系统BMS系统还包括耦合连接的主系统电路和监测回路，主系统电路用于控制电池包管理，包括对、对主正继电器K1、主负继电器K4、预充继电器K3、对快充负面继电器以及快充正继电器K5的通断控制等等，监测回路可以与低压电源串接获取电能，同时，监测回路与高压互锁低压信号回路串接，以监测高压互锁低压信号回路的状态变化。主系统电路和监测回路的分开设置能有效的节能，使电池管理系统BMS只需要保持监测回路的得电运行状态即可保持电池管理系统BMS对高压互锁低压信号回路的高压互锁状态的监测，减少主系统电路的电能损耗。

优选地，可以采用低压电源持续为BMS系统供电，低压电源不限制形式，可以是单独设置的蓄电池。

上述加装监测回路的性能要求低，成本低，体积小，也更利于安装布置，由于低压电源不接入电池高压回路，其工作电流小，能耗小，寿命长。

进一步的，本发明实施例中的高压配电系统还可以装配有霍尔传感器和报警器。霍尔传感器可与BMS系统信号连接。多个霍尔传感器设置在高压主负极接触器K2与其他高压模块或电器附件之间，霍尔传感器可用于采集主回路上的总电压信号，并将所述总电压信号发送给BMS。而BMS系统与所述报警器连接，当BMS系统接受到的电流信号不符合设定时，报警器启动发出警报。

优选地，BMS系统还可以接收所述总电压信号，并在根据所述总电压信号检测到主回路上的总电流信号不符合设定的总电流阈值时，控制所述报警器启动。

具体地，霍尔传感器布置在电池包正极，霍尔传感器利用霍尔效应可以计算出通过霍尔传感器的总电压信号，并将总电压信号发送给BMS系统，BMS系统根据该总电压信号实时主回路上的监控总电流信号，若监控到主回路上的总电流信号不符合设定的总电流阈值时，启动预设的报警机制，如启动报警器报警。

在工作中，从业人员也发现预充电路经常会出现故障，如高压继电器粘连的问题，会导致车辆无法正常运行。而故障原因往往不容易筛选，给检修带来困难。因此，本发明实施例中提供一种预充回路预充保护方法，其包括短路检测的步骤：在充电开始，对预充电设定时间，然后持续监测预充正继电器K3或其他高压继电器的后端电压大于低压阈值，则继续预充电，否则发出负载短路故障信息。

在所述短路检测的步骤后，还包括至少一次不完全短路检测的步骤。上述不完全短路检测的步骤包括：继续预充电相应时间后，如果检测到主接触器或电附件接触器的后端电压大于对应的不完全短路阈值，则继续预充电，否则发出负载异常故障信息。在所述不完全短路检测的步骤后，还包括预充超时检测的步骤，所述预充超时检测的步骤包括：检测预充电持续的时间，如果预充电超过时间阈值，则发出预充超时故障信息。检测预充电持续的时间，如果预充电没有超过时间阈值，则检测主接触器或电附件接触器的前后两端电压差值是否小于设定阈值，如果小于则完成预充电；否则发出预充电失败故障信息。

可以理解的是，工作人员可以根据BMS发出的电压值确定所述设定时间和时间阈值。

该方法同时根据高压配电不同的失效模式，可以将预充阶段分为完全短路阶段、不完全短路阶段和超时检测三个阶段，接收到整车控制系统命令后，根据BMS所发电池电压信息，可以根据电压等级，设置预充过程中各个阶段的时间阀值、接触器端电压阀值，以及预充最长时间的限值，根据不同条件报出对应的故障。

该方法解决了集成控制器因负载短路、不完全短路或者是预充超时损坏控制器的问题，面对不同的故障问题提供不同的数据供维修人员参考，能够相对精准的定位故障发生点，为故障判断提供便捷的措施，节省了维修时间和成本。

可以理解的是，高压配电系统中也可以加装手动维修装置。

具体地，手动维修装置可以做环路互锁。在本发明实施例中的高压回路断开连接或者是上述电池包模块外壳被打开时能发出警告并应用于高压触电保护动作实施；该高压配电系统中采用的行车互锁功能避免了充电线与车辆相连时，电动车依靠自身电池包组动力行驶的情况。

本发明实施例提供的是一种通用性高的配电系统，适用于纯电动平台目前的大部分车型。该结构实现了纯电动车型高压配电的通用性，也可以为HEV、PHEV车型高压配电系统的开发提供参考依据，只需要相应更改元器件承载参数，可有效提高效率，缩短开发周期。

综上所述，本发明实施例在功能分配的角度令电池包承担了大部分PDU配电模块的电源分配功能，减少了大功率高压连接器，减少了高压线束的数量，有效优化了电路结构，同时减少了装配以及后续的维修和维护的成本。同时通过对高压配电系统的线路优化实现了多个电器附件和电机驱动模块共用一个预充回路。高压回路的设置的安全性上，高压正极电路的串联有额外的高压继电器(快充正极继电器K5)，该设计在高压线路中个别元器件发生故障而无法断开时，额外高压继电器能够有效断开从而提供冗余保护，提升了高压配电系统的安全性。高压负极电路上，快充电路与电机驱动模块和配电模块并联设计又使得各高压回路间能有效隔离，在使用时互不干扰。本发明还可通过加装监测装置和预警装置使对后续维修维护以及故障排查做出改进。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种纯电动汽车的高压配电系统，其特征在于，该系统包括：

电池包，其内设有动力电池；

直流快充模块，所述直流快充模块与所述电池包连接；

驱动电机模块，所述驱动电机模块与所述电池包连接；

电源分配模块，其与所述电池包连接，且用于向汽车电器件配电；

多个继电器，其设于所述电池包和所述直流快充模块、驱动电机模块、电源分配模块连接的线路上；

BMS系统，其设在所述电池包内，且所述BMS系统用于控制所述继电器的通断；

所述多个继电器包括与所述电池包正极串接的主正继电器K1、快充负极继电器K2、主负继电器K4、与所述主正继电器K1并联的预充继电器K3和预充电阻、以及与所述主正继电器K1串联的快充正极继电器K5；

所述多个继电器包括：

与电池正极串接的主正继电器K1；

主负继电器K4，其设在高压配电系统的负极回路上并与所述驱动电机模块和电源分配模块连接；

当BMS系统接收到启动指令后将控制所述主正继电器K1和主负继电器K4连通；

所述多个继电器还包括：

快充负极继电器K2，其设在高压负极回路上并与所述直流快充模块串联，且所述快充负极继电器K2与所述主负继电器K4并联连接；

当BMS系统收到快充指令时，BMS系统控制快充负极继电器K2、主正继电器K1，连通直流快充回路。

2.如权利要求1所述的高压配电系统，其特征在于，所述多个继电器还包括：

与所述主正继电器K1并联的预充继电器K3，所述预充继电器K3和预充电阻形成预充回路；

当BMS系统接收到启动指令后，所述BMS系统控制预充继电器K3和所述主负继电器K4连通以对所述驱动电机模块和所述汽车电器件预充电，达到预充条件后BMS系统控制控制所述预充继电器K3断开并使所述主正继电器K1吸合，连通高压正极回路。

3.如权利要求1所述的高压配电系统，其特征在于，所述多个继电器还包括：

快充正极继电器K5，其设在高压正极回路上并串联在所述主正继电器K1后，所述快充正极继电器K5与所述直流快充模块串联；

当BMS系统收到快充指令后，所述BMS系统控制所述主正继电器K1和快充正极继电器K5吸合。

4.如权利要求1所述的高压配电系统，其特征在于：

所述电源分配模块包括：PDU高压配电单元、DCDC直流转换器和OBC车载充电器，所述PDU高压配电单元用于向所述DCDC直流转换器输入电能以及为OBC车载充电器提供输入和输出回路。

5.如权利要求4所述的高压配电系统，其特征在于所述汽车电器件包括：

EAC电动压缩机和PTC电加热器，且所述EAC电动压缩机和PTC电加热器均与所述PDU高压配电单元电性连接，且两者在所述电源分配模块的高压回路成并联关系。

6.如权利要求4所述的高压配电系统，其特征在于：

所述PDU高压配电单元内设有至少一个高压熔断器，所述高压熔断器用于保护其所在的线路。

7.如权利要求1所述的高压配电系统，其特征在于：

所述电池包、驱动电机模块以及电源分配模块上都设有至少一个高压连接端口，所述高压连接端口用于与外部进行电性连接。

8.如权利要求7所述的高压配电系统，其特征在于：

所述高压连接端口设有高压互锁和机械防呆装置。

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