由浅入深的详细解读汽车PDU与BDU

谈思实验室 2024-12-31 17:54

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新能源车模块介绍

1、新能源车模块位置分布

名词解释：

DCDC：高压直流电转为低压直流电的装置

PDU：高压配电盒

PTC：加热器(空调PTC/电池包预热PTC)

MOT：电机

OBC：车载充电机

BATTERY：电池包

2、PDU高压配电单元

①高压配电盒PDU

②DCDC模块：用于高压转12V

③加热器PTC(空调PTC/电池包预热PTC)

④电机MOT

驱动电机将电能转化为机械能，驱动汽车行驶。与传统燃油车的发动机将燃料燃烧的化学能转为机械能不同，其工作效率更高，能达到85%以上，故相比传统汽车，其能量利用率更高，能够减少资源的浪费。

⑤充电OBC模块

3、BDU电池包断路单元

1）BDU的介绍

箱内安装式的外壳一般为塑料材质，没有IP等级要求；箱外安装式一般为铝合金壳体，满足IP67等级要求。

BDU的位置和架构

名词解释：

2）BDU的内部结构

BDU产品主要元器件是继电器、熔断器、BMU(选配)、电流采集元件、铜排、连接器与线束总成等。

主要电气件参数设计及选型

PDU和BDU是典型的集成设计产品，因此，它需要集成的功能和元器件就相对多，这里就主要的几个进行介绍。

1、继电器

根据常规电路可以分为高压主正/主负继电器、预充继电器、快充继电器、PTC加热继电器、空调继电器等。主流的继电器厂家，皆可提供10A到300A不等的型号。

2、熔断器

3、连接器

4、电流采集

电流采集常用元件有两大类：电流传感器和分流器。这些元件应用于电池检测中需要高精度与极低的偏移要求，实际使用的电流量程(长时间)建议不超过额定电流。在工作时，发热需要额外注意，在温升变化趋于稳定后，不同额定电流下应满足对应的温度要求，超出温度后需报警，避免传感器温度过高导致检测精度降低。含有PCBA，主芯片常使用LTC2949，其具有温度补偿。

电流传感器有莱姆、霍尼韦尔、ISA、台产乾坤等品牌，为保证电流传感器的检测精度，不同品牌的电流传感器对安装方式有一定的要求。以莱姆的CAB系列产品安装要求为例，新能源乘用车电流通常在350A以下，为使传感器检测不超出精度范围，建议安装位置在POZITION2，即图示画线位置。

5、预充电阻

预充电阻位于预充回路上，主要对电池系统进行上电瞬态冲击防护。

预充电阻计算过程示例：

①预充回路输入的信息：预充时间<400ms，电机两端电容850μF，电源电压350V，峰值电压420V，预充电压达到电源电压的95%。

②电阻阻值R估算

Uc=Vs[1-e-t/(RC)]

Uc—电容器两端电压；Vs—电源电压；R—预充电阻；C—电机电容；t—预充时间

按照预充电压达到电源电压的95%计算，则简化为t=3RC

t=3RC<400ms，则R<157Ω

③电阻功率估算

一次预充产生的能量为：E=1/2CU，C电容，U峰值电压

E=1/2CU=1/2*850*10^-6*420^2=74.97J

此能量可结合预充电阻可承受的能量冲击值，衡量电阻能承受的连续预充电次数

预充平均功率：P=(C*U*1/2)/t=74.97/3=24.99w(t单次预充间隔时间)

预充电阻的额定功率必须高于估算的预充平均功率

根据算出的平均功率，结合电阻瞬间过载能力以及环境温度-功率曲线，可以选定电阻功率。

根据以上估算结果，选择某品牌水泥电阻，额定功率50W，电阻阻值47Ω。

6、铜排

由铜材质组成，根据加工工艺可分为软铜排和硬铜排两大类，如下图所示。

铜排形状和折弯要求参考国标GBT 5585.1-2005。载流能力参考线缆的过流能力及横截面积关系进行换算，参照铜排截面积及电流温升曲线表，结合经验值选定相应的铜排横截面积。前期铜排设计选型时会有设计冗余，在有超负载的大电流通过会造成较高温升，在几秒内仍可承受10倍的额定电流的冲击。铜排载流能力参考如下表。

正是因为有如此之多的电气元件需要集成，因此，整车企业和电池系统企业更倾向于让服务商以PDU和BDU的形式来提供一体化的产品服务。这就对配套企业的集成能力要求非常高，既要对构成产品的元器件特性和供应能力有较强的把控，还要对客户整车企业或电池系统企业的需要有充分的理解和解读。

PDU和BDU方案矩阵表如下：

结构设计

1、箱体结构外观及材料

对于PDU和电池箱外安装式的BDU，防护等级和机械强度要求更高，常采用压铸铝类或者钣金类。钣金箱体一般选择碳钢、铝合金箱体密度更低，壁厚由结构及箱体大小、固定方式等决定。

钣金类：碳钢Q235、SPCC、SGCC、45#，壁厚设计1.2～2.5mm之间。

铝合金类：

机加工铝：一系、二系……九系，合金含量不同性能不一。常用六系铝，有较高的抗腐蚀性和氧化性，如6061-T6。

压铸铝：常用材料ADC12，壁厚设计4～6mm之间。

对于铝质箱体，为满足箱体的电气安全，需要对箱体进行酸洗钝化、阳极氧化、喷粉、镀达克罗的处理。

酸洗钝化：铬酸盐钝化，可满足国标中性盐雾72H；绝缘等级500VDC1Min，测试后绝缘阻抗>500MΩ，耐压等级2000VAC，测试后无击穿、闪络阳极氧化：可满足中性盐雾96H；绝缘等级500VDC1Min，测试后绝缘阻抗>500MΩ，耐压等级2000VAC，测试后无击穿、闪络喷粉：喷塑粉0.15～0.2mm之间可满足盐雾144H；绝缘等级1000VDC1Min，测试后绝缘阻抗>500MΩ，耐压等级2500VAC，测试后无击穿、闪络镀达克罗：一种锌铬涂层，相比传统的电镀锌和热镀锌，紧4～8μm耐盐雾性能增强7～10倍，耐盐雾最高可达上千小时，绝缘等级1000VDC1Min，测试后绝缘阻抗>500MΩ，耐压等级2500VAC，测试后无击穿、闪络。

对于钣金箱体，可以采用喷粉或电泳漆，其中，喷粉为橘纹或细纱纹绝缘粉，可满足国标中性盐雾96H；电泳涂装表面覆盖率高，通常可作为打底涂层，电泳漆耐盐雾可高达数百小时。

对于电池箱内部安装的BDU，其防护等级和机械强度要求偏低，常采用塑料类。

壳体设计时常用塑胶材料包括机加工塑料、快速成型塑料、注塑工程塑料等。注塑时添加玻纤以增强壳体强度。

①机加工塑料

ABS，PC

②快速成型塑料

聚氨酯树脂

③注塑工程塑料

PA、PA66、PP、PBT、POM

目前常用的塑胶壳体壁厚有2mm、2.5mm、3mm，太薄强度不够，太厚注塑易缩水并会增加产品重量。

2、固定方式

对于PDU和电池箱外安装式的BDU，为满足IP67的防护等级，通常需在结构设计上增加防水圈密封，以满足水密要求。

对于电池箱内部安装的BDU，为方便拆装除了螺钉安装可采用卡扣安装，在确保卡扣的安全强度及拆装寿命前提下，尽可能地保证卡扣结构的手操作便携。

电气安全及散热设计

PDU和BDU的电气安全需要注意接地和爬电距离，通常电动汽车用配电盒的工作电压在301～660V之间，电气间隙和爬电距离参考标准UL2580 表5.1确定最小电气间隙。

箱体的绝缘需满足国标GB/T 18384.3-2015第7.2节要求。按照标准GB/T 18384.3-2015第7.2节所述“电力系统负载绝缘电阻的测量”对产品进行绝缘测试，在各带电电路与外壳间及彼此无电连接的电路之间施加持续1分钟的直流电压500V。箱体的耐压需满足国标GB/T 18384.3-2015第7.3节要求。按照标准GB/T 18384.3-2015第7.3节所述对产品进行耐压测试，在各带电电路与外壳间及彼此无电连接的电路之间施加持续1分钟的50~60Hz交流电压2500V。

其他常见安全措施包括铜排设置防触指结构、高压低压之间距离不足时增加塑料保护帽、箱体内部高压器件和低压线束分离，防止爬电，以及线缆加玻纤管、纺织管保护，以防漏电。