【摘要】为使大功率直流变换器、直流逆变器、12 V直流变换器等电气部件统一集成在一起,必须设计一个符合汽车安全性、可靠性和耐久性要求的动力控制单元(PCU)。该设计过程通过对各个零部件电气性能的分析及优化,并对各个零部件进行模块化机械集成。最后经过各项试验对该总成进行功能验证。合理且有效的开发流程可以减小PCU开发项目的风险和成本。
燃料电池汽车的驱动能源是电力,其将各种电气功率部件集成在整车内。其中的电力驱动系统可以与同一级别的纯电动汽车共同分享。动力控制单元(PCU)作为动力系统关键电器部件的集成必须在设计时考虑各项规范和要求,在一定安全性下达到高可靠性、高集成度、高耐久性。整车及零部件的开发必须有一个合理且有效的开发流程。
1PCU的定义
插电式燃料电池动力系统(FCPS)如图1所示,该系统由燃料电池堆与辅助系统协同工作,氢和氧在燃料电池反应堆内进行电化学反应而产生直流电,该直流电输入至直流变换器(DCDC),DCDC为一个升压恒压源,对输入的直流电进行恒压处理后输出至系统直流母线上。高压动力蓄电池、低压12 V蓄电池、其他驱动部件、直流逆变器(DCAC)等部件均与直流母线相连。在整车不同的工作模式下,燃料电池堆的功率输出既可以直接用于驱动,又可以在高压动力蓄电池内部进行能量存储。低压12 V蓄电池对整车低压部件进行供电。其他驱动部件如电动水泵、电液转向、电动空调压缩机等都需要从直流母线上获取电能。DCAC为直流转交流的部件,并且对主驱动电机进行扭矩和转速的控制。
PCU作为各个电气部件的集成,包含了DC-DC、DCAC、12 V DCDC、在线绝缘检测仪和其他辅助电子元器件。
2PCU开发过程
2.1PCU设计相关部门
PCU作为动力系统关键部件的动力控制单元,必须满足整车对其功能性、可靠性及集成性的各项要求,设计过程中相关的部门有整车集成部、电子电器部、动力系统部、项目管理部。
2.2PCU设计阶段
PCU的设计分为以下几个阶段:产品设计阶段(概念设计、详细设计)、产品认证阶段。在第一阶段之初对于动力系统的设计输入输出如图2。
整车性能参数的输入经过仿真计算确定动力系统主要零部件的性能参数,包括驱动电机及减速器、发动机及发电机、DCDC、DCAC、12 V DCDC等。根据仿真数据确定DCDC及DCAC的功率需求,以确定其电器元件的选型和初步尺寸。整车设计平台的确定决定了PCU在整车的布置方式及位置。部件可靠性要求确定了整车零部件设计的要求,决定了零部件开发流程和成本。
在得到PCU前期初始输入后进入到整个产品的设计开发阶段,分为两个子阶段:概念设计和详细设计。概念设计的设计输入输出如图3。
整车布置方式的输入需要动力系统PCU设计工程师与总布置工程师进行充分协调,在进行初步的整车动力仿真、载荷计算和EMC论证等工作后,以保证与其他零部件保持一定的动态和静态间隙为前提,进行PCU的外部包络空间的设计。
在整车动力性能确认后,主DCDC、DCAC、12 V DCDC的功率可以确定,其零部件的机械尺寸、电气拓扑结构以及总成的零部件明细必须在PCU概念设计完成前确定。
PCU概念设计的前期需要根据现有资料对于PCU功能相近产品的设计及性能进行对比评估,找出适合项目平台布置的PCU设计方案。图4为“863”项目燃料电池汽车PCU的模型。
图5为经过设计论证后初步形成的方案,该PCU布置方案经过初期论证,由整车集成、电子电器、动力系统共同评审通过后进行初步的设计方案冻结,为下一步详细设计做好基础。
PCU的详细设计阶段需要更多来自于DCDC、DCAC、12 V DCDC等电器部件的详细设计数据,所以必须在PCU详细设计之初确定其内部电器部件的功率模块的规格及布置方式。PCU详细设计的输入输出如图6。
PCU冷却水路的设计必须以其内部部件最大的散热量作为设计依据,根据各个部件的工作温度不同,该冷却水路首先经过12 V DCDC,其次经过DCDC,最后经过DCAC,该3个部件为串联连接。根据整车热管理系统的要求,经过热负荷和热平衡的计算和模拟,最终确定PCU冷却水路的冷却液流量。
PCU机械部件详细设计。PCU内部布置分为两层,DCDC与12 V DCDC为同一层, DCAC布置在第二层,两个层次需要左右两个主体支架进行连接,为减轻整个PCU的重量,设计采用铝合金材料制造。由于PCU在运行过程中没有相对振动,并且没有动态扭转,所以其与车身的连接采用橡胶减振垫即可。由于母线电压比传统汽车12 V系统高,超过300 V,需要对所有电气元件进行螺栓紧固,防止在车辆运行过程中产生火花而导致危险。设计过程中必须考虑对于易损件的可替换性,以及控制模块拆卸的方便性。对于一些存在极性的元器件,必须设计防呆结构,以防止安装的时候出错,而导致运行时损坏该元件。PCU必须满足IP65的防水要求,各类线束必须使用防水接头后才能与母线进行连接。
PCU电气部分的详细设计。设计过程中要求集成度高,则必须减少各类部件的尺寸,也包括金属母牌的尺寸及间隙,但必须保证必要的爬电距离。EMC必须在前期的设计阶段进行论证,一般保证功率元件与控制线路板之间用镀锌钢板隔开,以降低电磁干扰。PCU内部高压线束与低压线束尽可能相互进行隔离布置。
PCU控制部分的详细设计。该部分设计与机械及电气设计相对独立,需要控制系统工程是针对整车的控制系统与能量管理系统的要求进行设计。在研发阶段, PCU的设计必须考虑在调试阶段对于控制系统更新的方便性。
经过以上机械、电气以及控制系统的详细设计,并经过评审及改进后, PCU的设计基本完成。在设计完成后,形成一系列的设计文件,这是对于今后产品更改、制造、改进优化的技术文档,包括产品零部件图纸、测试及材料标准、零部件明细及材料清单、装配工艺、产品DFMEA、产品应用说明等。完成以上PCU设计第一阶段后,开始进行PCU第二阶段的开发———产品的制造以及设计认证,产品的制造根据设计图纸及各项标准进行检查。在产品转配过程中根据装配工艺以及零部件明细进行核对,找出前一轮设计开发的一些弊端,以备今后改正。产品的设计认证需要各项试验的数据与设计需求进行比较,在尺寸及性能达到或者超过规定数值的情况下,认为产品合格。其试验内容如表1。
3结语
PCU的设计开发流程必须以整车的设计开发要求为基础,在产品定义明确,使用范围确定的情况下,按照本文的流程开发可以比较完善、系统地对该总成进行设计。在规范的设计流程中形成的设计文档,可以减低今后产品设计更改所带来的风险与成本,也可以对今后的相同形式不同系列的产品提供设计依据和开发经验。
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