浅谈高压PDB/BDU设计与轻量化

来源：•作者：•2021-06-03 14:20

1. 基础定义

简单而言，Power distribution box就是电源分配单元，一个多功能智能化的开关。

其主要连接的设备包括：

慢充OBC

快充DC

电机MCU

空调压缩机AC Compressor

DCDC

PTC及其他

2. 设计原则

高压部件的保险丝盒与动力电池系统的内部结构隔离, 避免保险丝检修和更换会影响电池内部结构防护等级。

1. 工作特性相近的部件尽量共用一个接触器, 减少接触器数量

2. 功率相近的部件尽量共用保险丝,减少保险丝数量

3. 尽量减少电气接口的数量

4. 高压部件尽量独立供电

3. 设计输入

高低压电气盒的主要差异: 电池不同，回路不同。低压电池12V，高压电池250-450V。低压电池只有正极回路，负极可以直接接车身接地。动力电池有正极负极回路，负极不可直接车身接地，一般有高压互锁回路。

客户选型

1.Fuse大小/数量

2.Relay大小/数量

3.连接方式/连接器

4.其他零部件

供应商选型

1.各设备额定功率/最大功率下冲击时间

2.快充/慢充的电流大小和冲击电流值

3.电池信息，电压，预充回路的电流值，负载电容

4.各设备的连接方式

5.使用环境

关于保险丝类型分类（针对(P)HEV/EV车用保险丝）

•按外部材料可分为：

1. 玻璃管：成本低，低电流

2. 陶瓷管：耐高温冲击，成本高

3. 树脂-三聚氰胺：抗震性好

•按保护范围可分为：

1. 全范围过载和短路保护

2. 局部范围短路保护

•按具体功用分：

1. 后备特性

2. 一般用途特性

3. 速断特性

保险丝如何选型

保险丝关键特性

保险丝的熔断能力，即需要保险丝对抗浪涌电流的能力，通常用I2t表示。

1. 主保险丝一般为速熔短路保护

2. 设备用保险丝一般为全范围过载和短路保护

3. 选用保险丝时必须考虑If2t>Ir2t，即保险丝融化热能应大于浪涌电流释放的热能 (热能Q=Q=RI2t)

主要影响因素

1. 额定电流

2. 最高电压：

3. 最高环境温度：降容计算

4. 连接线径或铜排截面积

5. 短时冲击条件：验证能否满足短时冲击

6. 短路电流：即最大故障电流

冲击时间及频率验证

根据Ib= IN· Kt · Ke · Kv · Kf · Kb，估算后再代入过载频率的影响公式，结合时间电流曲线，验证是否符合

继电器如何选型

主要影响因素

1. 电池额定电压

2. 电池最大电压

3. 电机额定功率

4. 电机最大功率

5. 电池最大短路电流

一般可以根据客户的持续电流值选择等值的继电器

继电器的性能参数

1. 各继电器的承载能力

2. 各继电器的切断寿命

3. 主继电器使用中尽可能降低其切换电压，以增加其使用寿命

基于继电器考虑做保险丝选型

1. 在继电器最大切换电流前，电路由继电器进行保护

2. 在继电器最大切换电流后，则由保险丝作用进行保护

3. 好处是合理优化两者的选型避免过大范围的重复保护

一般继电器的最大切换电流为2000A，松下可达到5000A(300AType)

预冲继电器

1. 通过并联预冲继电器和电阻以降低高压对主继电器的冲击，提高其使用寿命

2. 一般按照客户要求，预冲回路截止电压为开路电压的90%~98%，如UB=450V，截止电压=450*90%=405V

3. 主回路电压=450-405=45V

在切换电压45V的条件下，可提高主继电器寿命

预冲电阻

预冲电阻的引入则是为了吸收电压变化的所产生的能量

预冲电阻主要性能和概念

额定功率

1. 额定功率主要取决于电阻的散热功率额定功率考察的是电阻持续过流能力

2. EV预充电时间一般在200ms左右，可以忽略电阻与环境的热交换，额定功率不具备参考意义

3. 相同电阻丝外部采用金属壳体散热相比陶瓷壳体增加1倍的额定功率，但耐脉冲电流能力无明显提升。

脉冲功率

1. 脉冲时间一般在1s以内，脉冲瞬间功率为额定功率数十倍

2. 耐冲击能力与电阻丝耐温能力和热容量有关, 与额定功率无关

3. 提高耐冲击能力需要选用耐高温电阻丝，并增加电阻丝的直径和长度，即提高绕线密度和绕线直径

预冲电阻如何选型

主要影响因素

1. 系统电容

2. 预充最大电流

3. 预充截止电压

预冲电阻主要性能和概念

1. 额定功率

2. 额定功率主要取决于电阻的散热功率额定功率考察的是电阻持续过流能力

3. EV预充电时间一般在200ms左右，可以忽略电阻与环境的热交换，额定功率不具备参考意义

4. 相同电阻丝外部采用金属壳体散热相比陶瓷壳体增加1倍的额定功率，但耐脉冲电流能力无明显提升。

脉冲功率

1. 脉冲时间一般在1s以内，脉冲瞬间功率为额定功率数十倍

2. 耐冲击能力与电阻丝耐温能力和热容量有关, 与额定功率无关

3. 提高耐冲击能力需要选用耐高温电阻丝，并增加电阻丝的直径和长度，即提高绕线密度和绕线直径

4. 对设计有影响的事项

温升控制

1. Busbar的设计，根据客户要求，设计合适的截面积

2. ESD：

3. 尽量采用导电外壳，避免电磁干扰，BDU中如有PCB，需增加金属屏蔽

IP Level

1. PDU：一般IP67/IP6K9K,

2. BDU：通常无要求，一般IP2XB

连接器

1. 满足电流性能，一般不低于Fuse的额定值

2. 便于安装，尽量选择可以上下锁入的连接端子

3. 后续改善的方向

5. 常规测试要求

PDB/PDU

1. High temperaturedurability test

2. Mechanical shocks test

3. Complex environment test

4. Dust test

5. Salt spray

6. Spraying water

7. Immersion water

8. Overload

9. Vibration test

10. Thermal Shock

11. Humid heat cyclic test andso on

BDU/BJB

1. Low temperature storage

2. High temperature storage

3. Vibration test

4. Mechanical shock test

5. Thermal shock test

6. Damp heat

7. Salt spray test

8. High-temperature endurancetest

9. Temperature cycleendurance test

10. Current impulse test

11. Short circuit test and soon

6. 未来方向-轻量化

PDU 的轻量化

1. 参考使用芯片智能化开关

2. 轻量化相关零件

3. 减薄壁厚

4. 金属外壳改为轻量化的外壳

BDU 的轻量化

1. 参考使用芯片智能化开关

2. 轻量化相关零件

3. 采样点改成I/M方案，减轻相关使用的线束

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