纯电动车的多负载高压直流模块化系统的制作方法

本发明涉及电动车电力系统技术领域，具体的讲是纯电动车的多负载高压直流模块化系统。

背景技术：

车辆电气化的潮流对高压集成元件提出了新的需求和挑战，尤其在商用车和电动车的结合领域，市场体量小，高度分化，技术不成熟。

现有产品特点：

a.针对低压元件的模块化电能管理系统，含一个中央控制器来检测和控制一系列控制低压负载的电能管理模块。这些模块或模块间的接口不具备高压系统的性能，如：高压互锁，电磁屏蔽，接地故障检测，负载预充电等。若满足这些性能需要完全不同的硬件设计和软件控制；

b.定制的高压配电系统能满足高压系统的性能，但由于扩展性差，不能在其他平台上重复利用。

因此，为了将高压直流系统和电气附件较好结合，就需要一个能在不同平台上重复使用、可以持续更新以满足新技术规范的高压配电系统。

技术实现要素：

本发明突破了现有技术的难题设计了一个能在不同平台上重复使用、可以持续更新以满足新技术规范的高压配电系统。

为了达到上述目的，本发明设计了纯电动车的多负载高压直流模块化系统，包括中央控制器和车辆负载，其特征在于：中央控制器与车辆负载并联；所述中央控制器由高压电源输入总线、车辆HS CAN总线、电压感应器、车载低压电源、低压稳压器、控制CPU模块和通讯接口组成，其中控制CPU模块由模拟信号调理模块一、隔离故障诊断模块、诊断和预测模块、用户配置表电源分配模块、车载诊断模块和安全功能模块组成，所述高压电源输入总线的火线分别与电压感应器的A端、模拟信号调理模块一的一侧相连，高压电源输入总线的零线分为两路分别与电压感应器的B端、模拟信号调理模块一的一侧相连，电压感应器的C端也与模拟信号调理模块一的一侧相连，车载低压电源与低压稳压器的一侧相连，低压稳压器的另一侧分别与低压电源、控制CPU模块相连，控制CPU模块的上方固定有通讯接口，通讯接口的上方采用数据连接线与车辆负载相连，通讯接口的一侧采用另一数据连接线与车辆HS CAN总线相连，所述模拟信号调理模块一的下方设有隔离故障诊断模块，模拟信号调理模块一的旁边设有诊断和预测模块，诊断和预测模块的下方设有用户配置表，诊断和预测模块的旁边设有电源分配模块，电源分配模块的下方设有车载诊断模块，车载诊断模块的下方设有安全功能模块；所述模拟信号调理模块一的信号输入端与电压感应器相连，模拟信号调理模块一下方的信号输出端与隔离故障诊断模块的信号输入端相连，模拟信号调理模块一一侧的信号输出端分别与诊断和预测模块的信号输入端、电源分配模块的信号输入端、用户配置表的信号输入端、车载诊断模块的信号输入端、安全功能模块的信号输入端相连，隔离故障诊断模块的信号输出端、诊断和预测模块的信号输出端、用户配置表的信号输出端、电源分配模块的信号输出端、车载诊断模块的信号输出端以及安全功能模块的信号输出端均与通讯接口相连。

所述电源分配模块由高压电力导线、保险丝、CAN光电隔离器、滤波电路、模拟信号调理模块二、车载诊断系统内置测试模块、通信接口、模块处理器，高压电力导线的火线与保险丝的一端相连，保险丝的另一端分别与电压测量器的a端、电流测量器一侧的端口相连，电流测量器的中间端口与模拟信号调理模块二的一侧相连，电流测量器另一侧的端口与换路/断路开关模块的一端相连，换路/断路开关模块的另一端采用高压互锁的方式与车辆负载相连，车辆负载上连接有低压电源，高压电力导线的零线分为3路，一路与车辆负载相连，一路与电压测量器的b端口相连，一路与模拟信号调理模块二的一侧相连，电压测量器的c端口与模拟信号调理模块二的一侧相连，模拟信号调理模块二的另一侧与模块处理器相连，模块处理器的上方设有通信接口；所述车载诊断系统内置测试模块的信号传递端口与模块处理器的信号接收端口一相连，换路/断路开关模块的信号接收端口与车辆负载相连，换路/断路开关模块的信号输出端口与模块处理器的信号接收端口二相连，所述CAN光电隔离器的信号接收端口也与车辆负载相连，CAN光电隔离器的信号输出端口与模块处理器的信号接收端口三相连。

所述模拟信号调理模块一的结构与模拟信号调理模块二的结构相同，均由信号源、噪声源、吸收器、电机、自适应滤波器和输出端，信号源将信号传递到吸收器一，吸收器一与电机相连，电机分别与自适应滤波器的一端、信号输出器相连，噪声源分为2路分别传送到吸收器一和吸收器二，吸收器二与自适应滤波器的另一端相连，自适应滤波器的滑动端则与信号输出器相连。

所述诊断和预测模块按照如下步骤进行计算：

步骤1：对中央控制器进行漏电流检测；

步骤2：对中央控制器进行过电流检测；

步骤3：对中央控制器进行过压检测；

步骤4：对车辆负载进行输入监测；

步骤5：对车辆负载进行输出监测；

步骤6：将以上5步的信号结果整合发送到用户配置表，进行用户自定义诊断，判断诊断结果。

所述电源分配模块中具有诊断算法，其步骤如下：

步骤1：对电源分配模块1-6-5进行过流检测；

步骤2：对电源分配模块1-6-5进行过压检测；

步骤3：对电源分配模块1-6-5进行电流传感器检测；

步骤4：对电源分配模块1-6-5进行电弧故障检测。

所述电弧故障检测模块结构为：电源Hv的正极分为2路分别与电阻Rp的一端、电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与开关SW1的一端相连，开关SW1的另一端分为2路，分别与电阻R2的一端、电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端分为2路，一路与5v电源的正极相连，一路与电阻R4的一端相连，5v电源的负极接地，电阻R4的另一端分为2路，分别与电阻R5的一端、开关SW2的一端相连，电阻R5的另一端分为4路，分别与电阻R2的另一端、电阻Rp的另一端、电阻Rn的一端、地面相连接，开关SW2的另一端与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端分为2路，分别与电阻Rn的另一端、电源Hv的负极相连。

所述步骤5的电弧故障检测的具体检测方法如下：

步骤1：分别闭合电路开关SW1和SW2，测量得到相应的电压V1和V2；

步骤2：采用公式：，计算得到Rn的数值；

步骤3：采用公式：，计算得到Rp的数值；

步骤4：将计算所得的Rn、Rp与标准数值相比，如果误差大则判断发生故障，如果误差极小则判断未发生故障。

所述模块处理器由电弧故障检测模块、加载诊断和预测模块、输出指令控制信号模块、电能计量模块、自诊断模块组成，所述电弧故障检测模块的电压信号输入端、输出指令控制信号模块的电压信号输入端、加载诊断和预测模块的电压信号输入端、电能计量模块的电压信号输入端、自诊断模块的电压信号输入端均与模拟信号调理模块二的电压信号输出端相连，电弧故障检测模块的电压信号输出端、输出指令控制信号模块的电压信号输出端、加载诊断和预测模块的电压信号输出端、电能计量模块的电压信号输出端、自诊断模块的电压信号输出端均与通信接口相连，所述电弧故障检测模块的电流信号输入端、输出指令控制信号模块的电流信号输入端、加载诊断和预测模块的电流信号输入端、电能计量模块的电流信号输入端、自诊断模块的电流信号输入端均与模拟信号调理模块二的电流信号输出端相连，电弧故障检测模块的电流信号输出端、输出指令控制信号模块的电流信号输出端、加载诊断和预测模块的电流信号输出端、电能计量模块的电流信号输出端、自诊断模块的电流信号输出端均与通信接口相连。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

a.电源分配模块及其接口可以实现高低压电路间的物理绝缘及电气隔离；

b.每个电源分配模块配备一个中央控制器，来处理复杂的运算和诊断程序，如预充电，放电，电压电流测量等。无需通过中央控制器模块，有利于降低模块接口的复杂性，同时可以处理对快速性要求比较高的诊断程序如过压过流检测；

c.中央控制器模块可以实现的功能有：

i.通过中央控制器模块和其他各个模块间的CAN通讯，对单个或多个电源分配模块进行初始化、检测、控制或关闭；

ii.实现系统级的检测和控制，在高压电源和车辆负载间进行能量管理；

iii.实现关键功能：如高低压总线的接地故障、整车电压检测、温度检测、电流电测等；

iv.作为高压系统和整车控制器间的通讯通道，只有相关信息才会被发送到整车控制器；

v.作为整车控制器和电源分配模块间的任务管理器，减少整车通信总线的负担，为模块通讯提供单一接口，如此，便可显著减少电动车系统集成成本和时间成本；

d.电源分配模块高度简化的接口允许各种模块直接与整车控制器相连，而无需特定的中央控制器模块，这降低了成本，同时允许了客户的灵活选择。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中中央控制器模块的结构示意图。

图3为本发明中电源分配模块的结构示意图。

图4为本发明中模拟信号调理模块的结构示意图。

图5为本发明中中央控制器模块中诊断和预测模块的算法流程图。

图6为本发明中电源分配模块的模块处理器的算法流程图。

图7为本发明中电弧故障检测模块中的检测电路。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步描述。

参见图1~图7，本发明设计了纯电动车的多负载高压直流模块化系统，包括中央控制器和车辆负载，其特征在于：中央控制器1与车辆负载2并联；所述中央控制器1由高压电源输入总线1-1、车辆HS CAN总线1-2、电压感应器1-3、车载低压电源1-4、低压稳压器1-5、控制CPU模块1-6和通讯接口1-7组成，其中控制CPU模块1-6由模拟信号调理模块一1-6-1、隔离故障诊断模块1-6-2、诊断和预测模块1-6-3、用户配置表1-6-4、电源分配模块1-6-5、车载诊断模块1-6-6和安全功能模块1-6-7组成，所述高压电源输入总线1-1的火线分别与电压感应器1-3的A端、模拟信号调理模块一1-6-1的一侧相连，高压电源输入总线1-1的零线分为两路分别与电压感应器1-3的B端、模拟信号调理模块一1-6-1的一侧相连，电压感应器1-3的C端也与模拟信号调理模块一1-6-1的一侧相连，车载低压电源1-4与低压稳压器1-5的一侧相连，低压稳压器1-5的另一侧分别与低压电源1-8、控制CPU模块1-6相连，控制CPU模块1-6的上方固定有通讯接口1-7，通讯接口1-7的上方采用数据连接线与车辆负载2相连，通讯接口1-7的一侧采用另一数据连接线与车辆HS CAN总线1-2相连，所述模拟信号调理模块一1-6-1的下方设有隔离故障诊断模块1-6-2，模拟信号调理模块一1-6-1的旁边设有诊断和预测模块1-6-3，诊断和预测模块1-6-3的下方设有用户配置表1-6-4，诊断和预测模块1-6-3的旁边设有电源分配模块1-6-5，电源分配模块1-6-5的下方设有车载诊断模块1-6-6，车载诊断模块1-6-6的下方设有安全功能模块1-6-7；所述模拟信号调理模块一1-6-1的信号输入端与电压感应器1-3相连，模拟信号调理模块一1-6-1下方的信号输出端与隔离故障诊断模块1-6-2的信号输入端相连，模拟信号调理模块一1-6-1一侧的信号输出端分别与诊断和预测模块1-6-3的信号输入端、电源分配模块1-6-5的信号输入端、用户配置表1-6-4的信号输入端、车载诊断模块1-6-6的信号输入端、安全功能模块1-6-7的信号输入端相连，隔离故障诊断模块1-6-2的信号输出端、诊断和预测模块1-6-3的信号输出端、用户配置表1-6-4的信号输出端、电源分配模块1-6-5的信号输出端、车载诊断模块1-6-6的信号输出端以及安全功能模块1-6-7的信号输出端均与通讯接口1-7相连。

本发明中电源分配模块1-6-5由高压电力导线1-6-5-1、保险丝1-6-5-2、CAN光电隔离器1-6-5-3、滤波电路1-6-5-4、模拟信号调理模块二1-6-5-5、车载诊断系统内置测试模块1-6-5-6、通信接口1-6-5-7、模块处理器1-6-5-8，高压电力导线1-6-5-1的火线与保险丝1-6-5-3的一端相连，保险丝1-6-5-2的另一端分别与电压测量器1-6-5-9的a端、电流测量器1-6-5-10一侧的端口相连，电流测量器1-6-5-10的中间端口与模拟信号调理模块二1-6-5-5的一侧相连，电流测量器1-6-5-10另一侧的端口与换路/断路开关模块1-6-5-11的一端相连，换路/断路开关模块1-6-5-11的另一端采用高压互锁的方式与车辆负载2相连，车辆负载2上连接有低压电源1-8，高压电力导线1-6-5-1的零线分为3路，一路与车辆负载2相连，一路与电压测量器1-6-5-10的b端口相连，一路与模拟信号调理模块二1-6-5-5的一侧相连，电压测量器1-6-5-10的c端口与模拟信号调理模块二1-6-5-5的一侧相连，模拟信号调理模块二1-6-5-5的另一侧与模块处理器1-6-5-8相连，模拟信号调理模块二1-6-5-5的上方连接有滤波电路模块1-6-5-4，模块处理器1-6-5-8的上方设有通信接口1-6-5-7；所述车载诊断系统内置测试模块1-6-5-6的信号传递端口与模块处理器1-6-5-8的信号接收端口一相连，换路/断路开关模块1-6-5-11的信号接收端口与车辆负载2相连，换路/断路开关模块1-6-5-11的信号输出端口与模块处理器1-6-5-8的信号接收端口二相连，所述CAN光电隔离器1-6-5-3的信号接收端口也与车辆负载2相连，CAN光电隔离器1-6-5-3的信号输出端口与模块处理器1-6-5-8的信号接收端口三相连。

本发明中模拟信号调理模块一1-6-1的结构与模拟信号调理模块二1-6-5-5的结构相同，均由信号源3、噪声源4、吸收器、电机7、自适应滤波器8和信号输出器9，信号源3将信号传递到吸收器一5，吸收器一5与电机7相连，电机7分别与自适应滤波器8的一端、信号输出器9相连，噪声源4分为2路分别传送到吸收器一5和吸收器二6，吸收器二6与自适应滤波器8的另一端相连，自适应滤波器8的滑动端则与信号输出器9相连。

本发明中诊断和预测模块按照如下步骤进行计算：

步骤1：对中央控制器1进行漏电流检测；

步骤2：对中央控制器1进行过电流检测；

步骤3：对中央控制器1进行过压检测；

步骤4：对车辆负载2进行输入监测；

步骤5：对车辆负载2进行输出监测；

步骤6：将以上5步的信号结果整合发送到用户配置表1-6-4，进行用户自定义诊断，判断诊断结果。

本发明中电源分配模块1-6-5中具有诊断算法，其步骤如下：

步骤1：对电源分配模块1-6-5进行过流检测；

步骤2：对电源分配模块1-6-5进行过压检测；

步骤3：对电源分配模块1-6-5进行电流接触器检测；

步骤4：对电源分配模块1-6-5进行电流传感器检测；

步骤5：对电源分配模块1-6-5进行电弧故障检测。

本发明中电弧故障检测模块1-6-5-8a结构为：电源Hv的正极分为2路分别与电阻Rp的一端、电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与开关SW1的一端相连，开关SW1的另一端分为2路，分别与电阻R2的一端、电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端分为2路，一路与5v电源的正极相连，一路与电阻R4的一端相连，5v电源的负极接地，电阻R4的另一端分为2路，分别与电阻R5的一端、开关SW2的一端相连，电阻R5的另一端分为4路，分别与电阻R2的另一端、电阻Rp的另一端、电阻Rn的一端、地面相连接，开关SW2的另一端与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端分为2路，分别与电阻Rn的另一端、电源Hv的负极相连。

本发明中步骤5的电弧故障检测的具体检测方法如下：

步骤1：分别闭合电路开关SW1和SW2，测量得到相应的电压V1和V2；

步骤2：采用公式：，计算得到Rn的数值；

步骤3：采用公式：，计算得到Rp的数值；

步骤4：将计算所得的Rn、Rp与标准数值相比，如果误差大则判断发生故障，如果误差极小则判断未发生故障。

本发明中模块处理器1-6-5-8由电弧故障检测模块1-6-5-8a、加载诊断和预测模块1-6-5-8c、输出指令控制信号模块1-6-5-8b、电能计量模块1-6-5-8d、自诊断模块1-6-5-8e组成，所述电弧故障检测模块1-6-5-8a的电压信号输入端、输出指令控制信号模块1-6-5-8b的电压信号输入端、加载诊断和预测模块1-6-5-8c的电压信号输入端、电能计量模块1-6-5-8d的电压信号输入端、自诊断模块1-6-5-8e的电压信号输入端均与模拟信号调理模块二1-6-5-5的电压信号输出端相连，电弧故障检测模块1-6-5-8a的电压信号输出端、输出指令控制信号模块1-6-5-8b的电压信号输出端、加载诊断和预测模块1-6-5-8c的电压信号输出端、电能计量模块1-6-5-8d的电压信号输出端、自诊断模块1-6-5-8e的电压信号输出端均与通信接口1-6-5-7相连，所述电弧故障检测模块1-6-5-8a的电流信号输入端、输出指令控制信号模块1-6-5-8b的电流信号输入端、加载诊断和预测模块1-6-5-8c的电流信号输入端、电能计量模块1-6-5-8d的电流信号输入端、自诊断模块1-6-5-8e的电流信号输入端均与模拟信号调理模块二1-6-5-5的电流信号输出端相连，电弧故障检测模块1-6-5-8a的电流信号输出端、输出指令控制信号模块1-6-5-8b的电流信号输出端、加载诊断和预测模块1-6-5-8c的电流信号输出端、电能计量模块1-6-5-8d的电流信号输出端、自诊断模块1-6-5-8e的电流信号输出端均与通信接口1-6-5-7相连。

参见图4，模拟信号调理模块中利用了一个只包含噪声的噪声源作为参考输入，噪声源4经过自适应滤波器8滤波后，再与信号源相减得到输出信号，最后将输出信号由信号输出器9传递出去，如此结构，使得高压配电盒的接线部分无需屏蔽高压电缆，并节省了设计开发EMC系统的时间和成本。

参见图7，由于电路共模阻抗很大程度上取决于电路元器件的参数，因此在器件参数发生变化，尤其是有元件接入电路的时候，电路的共模阻抗会发生很大变化，并改变电路的时间常数。这就需要电弧检测算法做出相应的改变，另外对共模母线电流或电压的分析表明，母线上存在不同频率和幅值的纹波。而现有的电弧故障诊断电路并不具备处理这些纹波干扰的能力，为此本发明设计了全新的电弧故障检测电路，并且使用了DSP芯片用于分析这些纹波并确定故障源。

本发明实现的基本功能如下：

1． 高压汇接：多路高压输出的输入侧实现汇流排方式汇接，最大程度降低阻抗及电感量，减少线路阻抗损耗；

2． 短路保护： 高压电器件及高压线束短路或过流时起到保护作用。每一路输出都单独用熔断器实现线路短路及设备短路的安全保护；

3． 预充电功能：实现对整车高压电器预充电功能；

4． 动力电池充电保护：增加充电保护措施，在动力电池充电时，能自动断开驱动系统及其它高压用电电 器设备，起到保护整车及驾驶员安全功能；

5． 多路输出隔离：多路输出之间互相电气隔离，电压隔离等级达到10KV；

6． 直流母线高电压：直流母线电压可实现最高 900VDC；

7． 低压回路与高压回路隔离：高低压之间隔离电压 为5KV， 高压回路输入输出隔离电压为10KV。

本发明不止可以实现上述基本功能而且可以实现如下的高级功能：

1． 故障预检测报警功能，对主回路接通前进行故障检测，主要包括：电源输入极性错误、负载线路极性连接；

2． 错误、负载短路：检测电路探测到此类故障，终止后续操作并进行报警，对此类故障，如果强行接通接触器，会使接触器、熔断器均损毁；

3． 多级预充电：主回路接触器接通前，通过附加回路对设备进行多级预充电，尽可能减少接触器两端压差，使接触器在无冲击电流的情况下接通。避免开关触点烧蚀失效，大幅延长主回路接触器使用寿命；

4． 实时高压检测：运行期间实时检测高压情况，当出现负载短路或输入断路等故障导致高压失压时，会短暂延时一段时间后切断相应回路，以保证相应回路设备安全；

5． 多种指示功能：包括熔断器故障指示功能、电路带电报警指示功能等；

6． 整车系统绝缘性能检测及报警等功能；

7． 多个预留端口，以扩展本发明的外接功能；

8． 高压互锁功能；

9． 远程监控功能：可以配置远程监控模块，所有的运行状态及故障信息均可以通过 远程监控模块传送至HVDC监视中心，实现智能物联。

在具体的实施方式中，

电动车的控制信号来自驾驶台的按键或者整车控制器VCU；当预备开关启动时，24V电气系统工作，电机控制器、助力转向控制和制动控制器的预充电接触器闭合，预充完成后，这些回路的保护接触器闭合，使电机控制器、助力转向控制和制动控制器接通动力电源。

紧接着电机驱动器的预充电回路接通，预充完成后，主回路的直流接触器闭合，接通高压直流母线。

同时绝缘检测仪开始工作，检测动力蓄电池正负母线对车体的绝缘电阻。若检出动力母线绝缘电阻低于国家标准的参考值（100欧/伏），将上述回路的保护接触器断开；报警信号送至整车控制单元VCU。

当绝缘电阻满足要求后，点火开关在ON位置时，接通相应的直流接触器，使得DC/DC变换器工作，取代24V蓄电池给低压电气系统供电，同时给24V蓄电池充电。

客车上的空调、暖风设备、除霜设备可以通过不同的继电器控制，由仪表盘上的按键控制是否接通动力电源开始工作。

同时在具体的实施中，主机厂可以指定各高压电附件的在不同电池包SOC值得情况下高压电附件的优先级顺序；并写入中央控制器中；各高压电附件的启动和关停的顺序将由当前SOC状态下的优先级顺序；从而优先保证重要电附件的正常工作。