小三电系统（PDU+DC+OBC）的技术研究
_本文原始标题：小三电系统（PDU+DC+OBC）的技术研究
来源|电动学堂
0引言
近几年 ， 在国家政策的支持下 ， 新能源汽车产销量保持了较快增长 ， 随着规模效应 ， 国家逐步降低对新能源汽车的补贴 ， 新能源行业也启动新一轮优胜劣汰 ， 对于新能源整车企业 ， 成本压力越来越大 。 新能源汽车发展时间较短 ， 零部件质量 ， 软件质量也是整车开发的难点 。
针对这些问题 ， 确定了小三电的技术方案：将主正、负接触器从PDU中移到动力电池内部 ， PDU只为PTC、EAC、无线充电等较小功率的高压电器配电；把车载充电和和DCDC变换器的功率模块和控制模块拆分 ， 功率模块由具备丰富经验的电源生产企业设计生产 ， 控制模块的软、硬件由整车企业设计生产 ， 整车企业定义控制模块和功率模块的接口 。
这种方案把既要满足汽车行业规范要求 ， 又要满足电源规范要求的复杂车载充电机、DCDC做了简化成为功率模块和控制模块；功率模块只需要满足电源相关规范 ， 有更多工业电源厂家可以进入 ， 有利于实现规模化 ， 产品质量也得到保证；控制模块的功能集成在VCU或是域控制器内 ， 整车企业可利用成熟的软件开发流程 ， 设计解决复杂的充电系统逻辑 ， 从而减少了与充电机供应商的沟通成本 ， 大大提高的软件可靠性 。
1技术分析及企业调研
欣锐科技、威迈斯、杭州富特三家国车载电源企业 ， 占国内68%的市场份额 ， 32%的份额被其它车载电源企业瓜分 。 特斯拉和国内的如广汽、吉利、蔚来、奇瑞等各家的技术方案各不相同 。 小型化、集成化、高功率密度化就市场需求的方向 ， 把小三电成为更利于规模化的产品的企业 ， 将会在下一轮竞争中胜出 。
1.1车载充电机和DCDC的技术方案
电动汽车的OBC主要由功率电路（PFC+移相全桥[1]/LLC）和控制电路组成 ， 可分为单向OBC和双向OBC ， 单向OBC只能给动力电池充电 ， 双向OBC可以把动力电池的直流电逆变成为家用220V交流电 。 OBC+DCDC磁集成 ， 如图1所示 。 OBC、DC共用控制电路、DC输出全桥电路、DC输出滤波电路 ， 能够降低成本 ， 减小体积 。
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OBC和DC总成在整车上动用难度和工作量很大 ， 逻辑单片机外围电路需要满足ISO16750相关的要求 ， 逻辑功能要匹配整车进行调整定义 ， 充电机的状态机定义 ， 充电上、下电时序 ， 电子锁控制及检测电路与整车的电子锁的驱动方式及验证 。 使单件和软、硬件研发成本高昂 。
1.2高压配电盒方案分析
高压配电盒即PDU ， 由于PDU与整车电气布置相关 ， 每个车型的PDU都有差异 ， 所以PDU难以形成标准品 。 市场上主流方式有两种：一种是针对具体车型定制开发PDU产品；另一种方式是将PDU功能集成到其他零部件中 ， 如针对具体车型定制开发OBC+DC+PDU多合一产品 。
特斯拉把PDU集成到动力电池中 ， 整车少了PDU这个零件 ， 减少了开发成本；比亚迪E5把OBC ， DCDC ， 电机控制器 ， 动力电池继电器 ， 配电等部集成在一起；吉利与比亚迪比起来 ， PDU中少了电机控制器 。
综合多家整车企业的PDU方案 ， 成本最优靠性最好的特斯拉 ， 国内整车企业的整合能力达不到特斯拉的水平 ， 但有一定的改进空间 。
1.3充电系统控制分析
国家标准化管理委员会在2015年12月发布了GB/T18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求 ， 定义了充电接口原理和时序 ， 于2017年10月发布了GB/T34657.2-2017电动汽车传导充电互操作性测试规范第2部分：车辆 。
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国标建议的控制引电电路原理如图2所示 ， 解决新能源汽车和充电桩的充电兼容性 ， 但是整车内部实现的方案却各有不同 。 检测点2、3的检测电路有放在充电机、BMS、整车控制器内部 ， 这就要求OBC的零件生产企业要设计多种电路来匹配不同整车企业的需求 ， 软件策略也同样需要调整 ， 从行业高度分析 ， 不利于降低开发及单件成本 。
1.4调研分析小结
新能源汽车的核心零件可分为三部分：动力电池 ， 电驱（电机控制器 ， 电机 ， 减速器） ， 小三电（PDU+DC+OBC）；原因每一部分的技术与其它部分相对独立 ， 且有整合提升空间 。
不同车型小三电的组合方式不同 ， PDU原理不同 ， 连接器不同 ， 功率需求不同 ， 控制引导电路实现方式不同 ， 导致不能通过规模化降低成本 。 因此 ， 如何把小三电有机分解易于规模化是行业研究的重点和难点 。
2小三电技术方案
2.1高压配电盒方案
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设计小三电中PDU的方案之前 ， 首先是整车的高压原理 ， 如图3所示 ， 主正、负接触器集成在动力电池内部 ， 优点在于安全 ， 集成在BDU内部 ， 可以模块化 。
电驱与直接连接不通过PDU ， 优点是避免了电驱与其它高电压器间的电磁干扰 ， 行车过程中 ， 电驱会产生较大的干扰 ， 可能影响到压缩压机控制器 ， DCDC等 。 其它的高压电器连接PDU ， 这样PDU与动力电池的电缆只需要用到6mm2 ， 大大降低高压电缆的成本 。
小三电的故障率较低时 ， 便可以跟特斯拉一样做到动力电池内部 。
2.2小三电的硬件方案
车载电源与民用电源的差别在于应用环境和参考标准不同 ， OBC与DCDC需要低电压控制器的标准 ， 如EMC需满足CISPR25的Class3 ， 同时OBC又属于连接低压供电系统的设备 ， 需满足CISPR16的ClassB ， 零件供应商须精通两个领域的技术 ， 设计难度很大 ， 相当于设置了一个很高的门槛 ， 只有很少几个供应商可以做好 ， 对提升行业技术能力不利 。
如果把OBC的功率模块和控制模块分开是不是可行 ， 功率模块的电性能参考连接低电压供电系统设备 ， 结合整车对振动试验如ISO16750-3要求；控制模块同时整车低压系统和功率模块交互 ， 控制模块的功能可以集成在VCU中 ， 控制模块用于对功率模块的控制 ， 如功率模块的开关控制、输出功率控制、诊断功能、对控制模块的保护功能、热管理、与整车交互的功能软件等 ， 控制模块的软件由车载控制器软件开发经验丰富的整车来做 ， 如果功能上可以实现 ， 那么把复杂的OBC和DCDC分解成 ， 功能单一的功率模块和控制模块（集成于VCU）成为可能 。
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按上述思路 ， 我们在现在的小三电的OBC部分和VCU做了改制 ， 把OBC原有的 ， CC、CP电路 ， 电子锁驱动及检测等硬件及功能屏蔽 ， 只留了以下硬件接口 ， 参见表1所示 ， 更改后的充电机总成参见图4所示 。
VCU为自主设计 ， 已经预留了CC、CP检测 ， 电子锁驱动及状态检测等功能 ， 唯一需要增加的是由VCU与功率模块的功率使能信号 ， VCU如图5所示 。
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2.3软件方案
OBC的软件包括三个功能 ， 一是ACDC变换及基本的自我保护功能 ， 二是把状态信号报给VCU ， VCU做诊断 ， 三是通过CAN和Enable硬线实现开关功能 。
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上、下电逻辑如下：CP唤醒VCU后 ， VCU通过CAN唤醒OBC ， VCU检测CC和CP的状态正常后闭合S2 ， 此时充电桩输出交流220V ， VCU给出OBC功率控制高电平 ， OBC根据VCU给出的电压、电流请求正常输出 。 当充电完成或是充电故障 ， VCU拉低功率使能信号 ， OBC停止输出 ， 之后整车走休眠流程 ， 具体流程图参见图6所示 ， 由于流电子锁控制较简单不是核心内容 ， 程图不体现 。
3实车测试结果
完成小三电中OBC部分、VCU、低压线束的更改之后 ， 进行了整车联调 ， 调试过程中遇到的按下充电枪按钮S3交流输入电流不能在100ms内降为0的技术难点；
国标要求：“判断开关S3由闭合变为断开（状态B） ， 则车辆控制装置控制车载充电机在100ms内停止充电 ， 然后断开S2 。 ”对于带有CC、CP检测能传统OBC都能实现 ， 但对于CC、CP由VCU检测的小三电系统是非常大的挑战 ， 调试时 ， 只能达到200ms满足不了国标要求 。 本人提出解决方案：
（1）将Enable硬线信号 ， 由原方案中的唤醒功能改为功率输入的使能功能；VCU检测到CC为半连接 ， 立即将Enable拉低；OBC检测到Enable低电平 ， 即停止OBC输出 ， 取消原方案中下电软关断 ， 再关闭PFC部分 。
（2）硬件信号检测优化 ， VCU检测CC半连接和OBC检测Enable硬线信号的debounce（防抖动）时间由之前的50mS减少到10mS 。
（3）软件策略优化 ， 把VCU对OBC的开关控制信号只用作正常下电时的关断控制 ， S3半连接时不通过此开关信号控制 。 经过两周的调试 ， 最终实现充电功能 ， 上、下电时序如图7所示 。
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4结论
国家通过政策支持新能源汽车快速发展了近十年 ， 汽车产销量已达到100万辆以上 ， 通过对整车企业和小三电供应商的调研和技术分析 ， 我们发现各家的技术方案差异较大 ， 不利于规模化降低成本和可靠性；为解决这个问题 ， 我们提出将复杂的车载电源 ， 分解成功率模块和控制模块 ， 功率模块可以交给电源企业设计生产 ， 类似于直流充电桩的电源模块 ， 控制模块由VCU替代 。
在现有的小三电产品上更改的OBC的电路和软件 ， 并装车验证 ， 上、下电时序符合整车的功能性能要求 ， 功能验证可行 ， 将OBC的硬件电路改进 ， 去掉多余的部分 ， 再进行全面的DV试验验证 。
文章来源：《天际汽车科技集团有限公司》
【小三电系统（PDU+DC+OBC）的技术研究】DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2020.16.012
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