純電動車的多負載高壓直流模塊化系統的製作方法

2023-05-07 14:20:06 2

本發明涉及電動車電力系統技術領域，具體的講是純電動車的多負載高壓直流模塊化系統。

背景技術：

車輛電氣化的潮流對高壓集成元件提出了新的需求和挑戰，尤其在商用車和電動車的結合領域，市場體量小，高度分化，技術不成熟。

現有產品特點：

a.針對低壓元件的模塊化電能管理系統，含一個中央控制器來檢測和控制一系列控制低壓負載的電能管理模塊。這些模塊或模塊間的接口不具備高壓系統的性能，如：高壓互鎖，電磁屏蔽，接地故障檢測，負載預充電等。若滿足這些性能需要完全不同的硬體設計和軟體控制；

b.定製的高壓配電系統能滿足高壓系統的性能，但由於擴展性差，不能在其他平臺上重複利用。

因此，為了將高壓直流系統和電氣附件較好結合，就需要一個能在不同平臺上重複使用、可以持續更新以滿足新技術規範的高壓配電系統。

技術實現要素：

本發明突破了現有技術的難題設計了一個能在不同平臺上重複使用、可以持續更新以滿足新技術規範的高壓配電系統。

為了達到上述目的，本發明設計了純電動車的多負載高壓直流模塊化系統，包括中央控制器和車輛負載，其特徵在於：中央控制器與車輛負載並聯；所述中央控制器由高壓電源輸入總線、車輛HS CAN總線、電壓感應器、車載低壓電源、低壓穩壓器、控制CPU模塊和通訊接口組成，其中控制CPU模塊由模擬信號調理模塊一、隔離故障診斷模塊、診斷和預測模塊、用戶配置表電源分配模塊、車載診斷模塊和安全功能模塊組成，所述高壓電源輸入總線的火線分別與電壓感應器的A端、模擬信號調理模塊一的一側相連，高壓電源輸入總線的零線分為兩路分別與電壓感應器的B端、模擬信號調理模塊一的一側相連，電壓感應器的C端也與模擬信號調理模塊一的一側相連，車載低壓電源與低壓穩壓器的一側相連，低壓穩壓器的另一側分別與低壓電源、控制CPU模塊相連，控制CPU模塊的上方固定有通訊接口，通訊接口的上方採用數據連接線與車輛負載相連，通訊接口的一側採用另一數據連接線與車輛HS CAN總線相連，所述模擬信號調理模塊一的下方設有隔離故障診斷模塊，模擬信號調理模塊一的旁邊設有診斷和預測模塊，診斷和預測模塊的下方設有用戶配置表，診斷和預測模塊的旁邊設有電源分配模塊，電源分配模塊的下方設有車載診斷模塊，車載診斷模塊的下方設有安全功能模塊；所述模擬信號調理模塊一的信號輸入端與電壓感應器相連，模擬信號調理模塊一下方的信號輸出端與隔離故障診斷模塊的信號輸入端相連，模擬信號調理模塊一一側的信號輸出端分別與診斷和預測模塊的信號輸入端、電源分配模塊的信號輸入端、用戶配置表的信號輸入端、車載診斷模塊的信號輸入端、安全功能模塊的信號輸入端相連，隔離故障診斷模塊的信號輸出端、診斷和預測模塊的信號輸出端、用戶配置表的信號輸出端、電源分配模塊的信號輸出端、車載診斷模塊的信號輸出端以及安全功能模塊的信號輸出端均與通訊接口相連。

所述電源分配模塊由高壓電力導線、保險絲、CAN光電隔離器、濾波電路、模擬信號調理模塊二、車載診斷系統內置測試模塊、通信接口、模塊處理器，高壓電力導線的火線與保險絲的一端相連，保險絲的另一端分別與電壓測量器的a端、電流測量器一側的埠相連，電流測量器的中間埠與模擬信號調理模塊二的一側相連，電流測量器另一側的埠與換路/斷路開關模塊的一端相連，換路/斷路開關模塊的另一端採用高壓互鎖的方式與車輛負載相連，車輛負載上連接有低壓電源，高壓電力導線的零線分為3路，一路與車輛負載相連，一路與電壓測量器的b埠相連，一路與模擬信號調理模塊二的一側相連，電壓測量器的c埠與模擬信號調理模塊二的一側相連，模擬信號調理模塊二的另一側與模塊處理器相連，模塊處理器的上方設有通信接口；所述車載診斷系統內置測試模塊的信號傳遞埠與模塊處理器的信號接收埠一相連，換路/斷路開關模塊的信號接收埠與車輛負載相連，換路/斷路開關模塊的信號輸出埠與模塊處理器的信號接收埠二相連，所述CAN光電隔離器的信號接收埠也與車輛負載相連，CAN光電隔離器的信號輸出埠與模塊處理器的信號接收埠三相連。

所述模擬信號調理模塊一的結構與模擬信號調理模塊二的結構相同，均由信號源、噪聲源、吸收器、電機、自適應濾波器和輸出端，信號源將信號傳遞到吸收器一，吸收器一與電機相連，電機分別與自適應濾波器的一端、信號輸出器相連，噪聲源分為2路分別傳送到吸收器一和吸收器二，吸收器二與自適應濾波器的另一端相連，自適應濾波器的滑動端則與信號輸出器相連。

所述診斷和預測模塊按照如下步驟進行計算：

步驟1：對中央控制器進行漏電流檢測；

步驟2：對中央控制器進行過電流檢測；

步驟3：對中央控制器進行過壓檢測；

步驟4：對車輛負載進行輸入監測；

步驟5：對車輛負載進行輸出監測；

步驟6：將以上5步的信號結果整合發送到用戶配置表，進行用戶自定義診斷，判斷診斷結果。

所述電源分配模塊中具有診斷算法，其步驟如下：

步驟1：對電源分配模塊1-6-5進行過流檢測；

步驟2：對電源分配模塊1-6-5進行過壓檢測；

步驟3：對電源分配模塊1-6-5進行電流傳感器檢測；

步驟4：對電源分配模塊1-6-5進行電弧故障檢測。

所述電弧故障檢測模塊結構為：電源Hv的正極分為2路分別與電阻Rp的一端、電阻R1的一端相連，電阻R1的另一端與開關SW1的一端相連，開關SW1的另一端分為2路，分別與電阻R2的一端、電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端分為2路，一路與5v電源的正極相連，一路與電阻R4的一端相連，5v電源的負極接地，電阻R4的另一端分為2路，分別與電阻R5的一端、開關SW2的一端相連，電阻R5的另一端分為4路，分別與電阻R2的另一端、電阻Rp的另一端、電阻Rn的一端、地面相連接，開關SW2的另一端與電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端分為2路，分別與電阻Rn的另一端、電源Hv的負極相連。

所述步驟5的電弧故障檢測的具體檢測方法如下：

步驟1：分別閉合電路開關SW1和SW2，測量得到相應的電壓V1和V2；

步驟2：採用公式：，計算得到Rn的數值；

步驟3：採用公式：，計算得到Rp的數值；

步驟4：將計算所得的Rn、Rp與標準數值相比，如果誤差大則判斷發生故障，如果誤差極小則判斷未發生故障。

所述模塊處理器由電弧故障檢測模塊、加載診斷和預測模塊、輸出指令控制信號模塊、電能計量模塊、自診斷模塊組成，所述電弧故障檢測模塊的電壓信號輸入端、輸出指令控制信號模塊的電壓信號輸入端、加載診斷和預測模塊的電壓信號輸入端、電能計量模塊的電壓信號輸入端、自診斷模塊的電壓信號輸入端均與模擬信號調理模塊二的電壓信號輸出端相連，電弧故障檢測模塊的電壓信號輸出端、輸出指令控制信號模塊的電壓信號輸出端、加載診斷和預測模塊的電壓信號輸出端、電能計量模塊的電壓信號輸出端、自診斷模塊的電壓信號輸出端均與通信接口相連，所述電弧故障檢測模塊的電流信號輸入端、輸出指令控制信號模塊的電流信號輸入端、加載診斷和預測模塊的電流信號輸入端、電能計量模塊的電流信號輸入端、自診斷模塊的電流信號輸入端均與模擬信號調理模塊二的電流信號輸出端相連，電弧故障檢測模塊的電流信號輸出端、輸出指令控制信號模塊的電流信號輸出端、加載診斷和預測模塊的電流信號輸出端、電能計量模塊的電流信號輸出端、自診斷模塊的電流信號輸出端均與通信接口相連。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

a.電源分配模塊及其接口可以實現高低壓電路間的物理絕緣及電氣隔離；

b.每個電源分配模塊配備一個中央控制器，來處理複雜的運算和診斷程序，如預充電，放電，電壓電流測量等。無需通過中央控制器模塊，有利於降低模塊接口的複雜性，同時可以處理對快速性要求比較高的診斷程序如過壓過流檢測；

c.中央控制器模塊可以實現的功能有：

i.通過中央控制器模塊和其他各個模塊間的CAN通訊，對單個或多個電源分配模塊進行初始化、檢測、控制或關閉；

ii.實現系統級的檢測和控制，在高壓電源和車輛負載間進行能量管理；

iii.實現關鍵功能：如高低壓總線的接地故障、整車電壓檢測、溫度檢測、電流電測等；

iv.作為高壓系統和整車控制器間的通訊通道，只有相關信息才會被發送到整車控制器；

v.作為整車控制器和電源分配模塊間的任務管理器，減少整車通信總線的負擔，為模塊通訊提供單一接口，如此，便可顯著減少電動車系統集成成本和時間成本；

d.電源分配模塊高度簡化的接口允許各種模塊直接與整車控制器相連，而無需特定的中央控制器模塊，這降低了成本，同時允許了客戶的靈活選擇。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明中中央控制器模塊的結構示意圖。

圖3為本發明中電源分配模塊的結構示意圖。

圖4為本發明中模擬信號調理模塊的結構示意圖。

圖5為本發明中中央控制器模塊中診斷和預測模塊的算法流程圖。

圖6為本發明中電源分配模塊的模塊處理器的算法流程圖。

圖7為本發明中電弧故障檢測模塊中的檢測電路。

具體實施方式

結合附圖對本發明做進一步描述。

參見圖1~圖7，本發明設計了純電動車的多負載高壓直流模塊化系統，包括中央控制器和車輛負載，其特徵在於：中央控制器1與車輛負載2並聯；所述中央控制器1由高壓電源輸入總線1-1、車輛HS CAN總線1-2、電壓感應器1-3、車載低壓電源1-4、低壓穩壓器1-5、控制CPU模塊1-6和通訊接口1-7組成，其中控制CPU模塊1-6由模擬信號調理模塊一1-6-1、隔離故障診斷模塊1-6-2、診斷和預測模塊1-6-3、用戶配置表1-6-4、電源分配模塊1-6-5、車載診斷模塊1-6-6和安全功能模塊1-6-7組成，所述高壓電源輸入總線1-1的火線分別與電壓感應器1-3的A端、模擬信號調理模塊一1-6-1的一側相連，高壓電源輸入總線1-1的零線分為兩路分別與電壓感應器1-3的B端、模擬信號調理模塊一1-6-1的一側相連，電壓感應器1-3的C端也與模擬信號調理模塊一1-6-1的一側相連，車載低壓電源1-4與低壓穩壓器1-5的一側相連，低壓穩壓器1-5的另一側分別與低壓電源1-8、控制CPU模塊1-6相連，控制CPU模塊1-6的上方固定有通訊接口1-7，通訊接口1-7的上方採用數據連接線與車輛負載2相連，通訊接口1-7的一側採用另一數據連接線與車輛HS CAN總線1-2相連，所述模擬信號調理模塊一1-6-1的下方設有隔離故障診斷模塊1-6-2，模擬信號調理模塊一1-6-1的旁邊設有診斷和預測模塊1-6-3，診斷和預測模塊1-6-3的下方設有用戶配置表1-6-4，診斷和預測模塊1-6-3的旁邊設有電源分配模塊1-6-5，電源分配模塊1-6-5的下方設有車載診斷模塊1-6-6，車載診斷模塊1-6-6的下方設有安全功能模塊1-6-7；所述模擬信號調理模塊一1-6-1的信號輸入端與電壓感應器1-3相連，模擬信號調理模塊一1-6-1下方的信號輸出端與隔離故障診斷模塊1-6-2的信號輸入端相連，模擬信號調理模塊一1-6-1一側的信號輸出端分別與診斷和預測模塊1-6-3的信號輸入端、電源分配模塊1-6-5的信號輸入端、用戶配置表1-6-4的信號輸入端、車載診斷模塊1-6-6的信號輸入端、安全功能模塊1-6-7的信號輸入端相連，隔離故障診斷模塊1-6-2的信號輸出端、診斷和預測模塊1-6-3的信號輸出端、用戶配置表1-6-4的信號輸出端、電源分配模塊1-6-5的信號輸出端、車載診斷模塊1-6-6的信號輸出端以及安全功能模塊1-6-7的信號輸出端均與通訊接口1-7相連。

本發明中電源分配模塊1-6-5由高壓電力導線1-6-5-1、保險絲1-6-5-2、CAN光電隔離器1-6-5-3、濾波電路1-6-5-4、模擬信號調理模塊二1-6-5-5、車載診斷系統內置測試模塊1-6-5-6、通信接口1-6-5-7、模塊處理器1-6-5-8，高壓電力導線1-6-5-1的火線與保險絲1-6-5-3的一端相連，保險絲1-6-5-2的另一端分別與電壓測量器1-6-5-9的a端、電流測量器1-6-5-10一側的埠相連，電流測量器1-6-5-10的中間埠與模擬信號調理模塊二1-6-5-5的一側相連，電流測量器1-6-5-10另一側的埠與換路/斷路開關模塊1-6-5-11的一端相連，換路/斷路開關模塊1-6-5-11的另一端採用高壓互鎖的方式與車輛負載2相連，車輛負載2上連接有低壓電源1-8，高壓電力導線1-6-5-1的零線分為3路，一路與車輛負載2相連，一路與電壓測量器1-6-5-10的b埠相連，一路與模擬信號調理模塊二1-6-5-5的一側相連，電壓測量器1-6-5-10的c埠與模擬信號調理模塊二1-6-5-5的一側相連，模擬信號調理模塊二1-6-5-5的另一側與模塊處理器1-6-5-8相連，模擬信號調理模塊二1-6-5-5的上方連接有濾波電路模塊1-6-5-4，模塊處理器1-6-5-8的上方設有通信接口1-6-5-7；所述車載診斷系統內置測試模塊1-6-5-6的信號傳遞埠與模塊處理器1-6-5-8的信號接收埠一相連，換路/斷路開關模塊1-6-5-11的信號接收埠與車輛負載2相連，換路/斷路開關模塊1-6-5-11的信號輸出埠與模塊處理器1-6-5-8的信號接收埠二相連，所述CAN光電隔離器1-6-5-3的信號接收埠也與車輛負載2相連，CAN光電隔離器1-6-5-3的信號輸出埠與模塊處理器1-6-5-8的信號接收埠三相連。

本發明中模擬信號調理模塊一1-6-1的結構與模擬信號調理模塊二1-6-5-5的結構相同，均由信號源3、噪聲源4、吸收器、電機7、自適應濾波器8和信號輸出器9，信號源3將信號傳遞到吸收器一5，吸收器一5與電機7相連，電機7分別與自適應濾波器8的一端、信號輸出器9相連，噪聲源4分為2路分別傳送到吸收器一5和吸收器二6，吸收器二6與自適應濾波器8的另一端相連，自適應濾波器8的滑動端則與信號輸出器9相連。

本發明中診斷和預測模塊按照如下步驟進行計算：

步驟1：對中央控制器1進行漏電流檢測；

步驟2：對中央控制器1進行過電流檢測；

步驟3：對中央控制器1進行過壓檢測；

步驟4：對車輛負載2進行輸入監測；

步驟5：對車輛負載2進行輸出監測；

步驟6：將以上5步的信號結果整合發送到用戶配置表1-6-4，進行用戶自定義診斷，判斷診斷結果。

本發明中電源分配模塊1-6-5中具有診斷算法，其步驟如下：

步驟1：對電源分配模塊1-6-5進行過流檢測；

步驟2：對電源分配模塊1-6-5進行過壓檢測；

步驟3：對電源分配模塊1-6-5進行電流接觸器檢測；

步驟4：對電源分配模塊1-6-5進行電流傳感器檢測；

步驟5：對電源分配模塊1-6-5進行電弧故障檢測。

本發明中電弧故障檢測模塊1-6-5-8a結構為：電源Hv的正極分為2路分別與電阻Rp的一端、電阻R1的一端相連，電阻R1的另一端與開關SW1的一端相連，開關SW1的另一端分為2路，分別與電阻R2的一端、電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端分為2路，一路與5v電源的正極相連，一路與電阻R4的一端相連，5v電源的負極接地，電阻R4的另一端分為2路，分別與電阻R5的一端、開關SW2的一端相連，電阻R5的另一端分為4路，分別與電阻R2的另一端、電阻Rp的另一端、電阻Rn的一端、地面相連接，開關SW2的另一端與電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端分為2路，分別與電阻Rn的另一端、電源Hv的負極相連。

本發明中步驟5的電弧故障檢測的具體檢測方法如下：

步驟1：分別閉合電路開關SW1和SW2，測量得到相應的電壓V1和V2；

步驟2：採用公式：，計算得到Rn的數值；

步驟3：採用公式：，計算得到Rp的數值；

步驟4：將計算所得的Rn、Rp與標準數值相比，如果誤差大則判斷發生故障，如果誤差極小則判斷未發生故障。

本發明中模塊處理器1-6-5-8由電弧故障檢測模塊1-6-5-8a、加載診斷和預測模塊1-6-5-8c、輸出指令控制信號模塊1-6-5-8b、電能計量模塊1-6-5-8d、自診斷模塊1-6-5-8e組成，所述電弧故障檢測模塊1-6-5-8a的電壓信號輸入端、輸出指令控制信號模塊1-6-5-8b的電壓信號輸入端、加載診斷和預測模塊1-6-5-8c的電壓信號輸入端、電能計量模塊1-6-5-8d的電壓信號輸入端、自診斷模塊1-6-5-8e的電壓信號輸入端均與模擬信號調理模塊二1-6-5-5的電壓信號輸出端相連，電弧故障檢測模塊1-6-5-8a的電壓信號輸出端、輸出指令控制信號模塊1-6-5-8b的電壓信號輸出端、加載診斷和預測模塊1-6-5-8c的電壓信號輸出端、電能計量模塊1-6-5-8d的電壓信號輸出端、自診斷模塊1-6-5-8e的電壓信號輸出端均與通信接口1-6-5-7相連，所述電弧故障檢測模塊1-6-5-8a的電流信號輸入端、輸出指令控制信號模塊1-6-5-8b的電流信號輸入端、加載診斷和預測模塊1-6-5-8c的電流信號輸入端、電能計量模塊1-6-5-8d的電流信號輸入端、自診斷模塊1-6-5-8e的電流信號輸入端均與模擬信號調理模塊二1-6-5-5的電流信號輸出端相連，電弧故障檢測模塊1-6-5-8a的電流信號輸出端、輸出指令控制信號模塊1-6-5-8b的電流信號輸出端、加載診斷和預測模塊1-6-5-8c的電流信號輸出端、電能計量模塊1-6-5-8d的電流信號輸出端、自診斷模塊1-6-5-8e的電流信號輸出端均與通信接口1-6-5-7相連。

參見圖4，模擬信號調理模塊中利用了一個只包含噪聲的噪聲源作為參考輸入，噪聲源4經過自適應濾波器8濾波後，再與信號源相減得到輸出信號，最後將輸出信號由信號輸出器9傳遞出去，如此結構，使得高壓配電盒的接線部分無需屏蔽高壓電纜，並節省了設計開發EMC系統的時間和成本。

參見圖7，由於電路共模阻抗很大程度上取決於電路元器件的參數，因此在器件參數發生變化，尤其是有元件接入電路的時候，電路的共模阻抗會發生很大變化，並改變電路的時間常數。這就需要電弧檢測算法做出相應的改變，另外對共模母線電流或電壓的分析表明，母線上存在不同頻率和幅值的紋波。而現有的電弧故障診斷電路並不具備處理這些紋波幹擾的能力，為此本發明設計了全新的電弧故障檢測電路，並且使用了DSP晶片用於分析這些紋波並確定故障源。

本發明實現的基本功能如下：

1． 高壓匯接：多路高壓輸出的輸入側實現匯流排方式匯接，最大程度降低阻抗及電感量，減少線路阻抗損耗；

2． 短路保護： 高壓電器件及高壓線束短路或過流時起到保護作用。每一路輸出都單獨用熔斷器實現線路短路及設備短路的安全保護；

3． 預充電功能：實現對整車高壓電器預充電功能；

4． 動力電池充電保護：增加充電保護措施，在動力電池充電時，能自動斷開驅動系統及其它高壓用電電 器設備，起到保護整車及駕駛員安全功能；

5． 多路輸出隔離：多路輸出之間互相電氣隔離，電壓隔離等級達到10KV；

6． 直流母線高電壓：直流母線電壓可實現最高 900VDC；

7． 低壓迴路與高壓迴路隔離：高低壓之間隔離電壓 為5KV， 高壓迴路輸入輸出隔離電壓為10KV。

本發明不止可以實現上述基本功能而且可以實現如下的高級功能：

1． 故障預檢測報警功能，對主迴路接通前進行故障檢測，主要包括：電源輸入極性錯誤、負載線路極性連接；

2． 錯誤、負載短路：檢測電路探測到此類故障，終止後續操作並進行報警，對此類故障，如果強行接通接觸器，會使接觸器、熔斷器均損毀；

3． 多級預充電：主迴路接觸器接通前，通過附加迴路對設備進行多級預充電，儘可能減少接觸器兩端壓差，使接觸器在無衝擊電流的情況下接通。避免開關觸點燒蝕失效，大幅延長主迴路接觸器使用壽命；

4． 實時高壓檢測：運行期間實時檢測高壓情況，當出現負載短路或輸入斷路等故障導致高壓失壓時，會短暫延時一段時間後切斷相應迴路，以保證相應迴路設備安全；

5． 多種指示功能：包括熔斷器故障指示功能、電路帶電報警指示功能等；

6． 整車系統絕緣性能檢測及報警等功能；

7． 多個預留埠，以擴展本發明的外接功能；

8． 高壓互鎖功能；

9． 遠程監控功能：可以配置遠程監控模塊，所有的運行狀態及故障信息均可以通過 遠程監控模塊傳送至HVDC監視中心，實現智能物聯。

在具體的實施方式中，

電動車的控制信號來自駕駛臺的按鍵或者整車控制器VCU；當預備開關啟動時，24V電氣系統工作，電機控制器、助力轉向控制和制動控制器的預充電接觸器閉合，預充完成後，這些迴路的保護接觸器閉合，使電機控制器、助力轉向控制和制動控制器接通動力電源。

緊接著電機驅動器的預充電迴路接通，預充完成後，主迴路的直流接觸器閉合，接通高壓直流母線。

同時絕緣檢測儀開始工作，檢測動力蓄電池正負母線對車體的絕緣電阻。若檢出動力母線絕緣電阻低於國家標準的參考值（100歐/伏），將上述迴路的保護接觸器斷開；報警信號送至整車控制單元VCU。

當絕緣電阻滿足要求後，點火開關在ON位置時，接通相應的直流接觸器，使得DC/DC變換器工作，取代24V蓄電池給低壓電氣系統供電，同時給24V蓄電池充電。

客車上的空調、暖風設備、除霜設備可以通過不同的繼電器控制，由儀錶盤上的按鍵控制是否接通動力電源開始工作。

同時在具體的實施中，主機廠可以指定各高壓電附件的在不同電池包SOC值得情況下高壓電附件的優先級順序；並寫入中央控制器中；各高壓電附件的啟動和關停的順序將由當前SOC狀態下的優先級順序；從而優先保證重要電附件的正常工作。