【电动汽车资源网EV江湖 Bentty李清】在前文给大家带来了《前沿：高电压与快充，新能源汽车产业的新风口》、《青眼观察新能源汽车高压线束、高压连接器、PDU和充电枪/座市场》、《青看高压连接器、高压线束、高压接触器和熔断器核心气件基础知识》 等文章，为大家关注新能源汽车产业的高压气件市场带来新观察。PDU作为这个产业中重要一环，本文重点来给大家介绍《PDU结构设计注意事项》，后续也会推出核心气件的选型及各自的市场地位来以飨各位看客，同时也会各位带来不同区域的新能源产业布局情况。
第一部分 PDU功能介绍
高压配电盒简称配电盒,英文简称PDU(Power Distribution Unit),新能源车高压系统解决方案中的高压电源分配单元。通过母排及线束将高压元器件电连接,为新能源汽车高压系统提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等,保护和监控高压系统的运行。PDU也能够集成BMS主控、充电模块、DC模块、 PTC控制模块等功能,与传统PDU相比多了整车功能模块,功能上更加集成化,结构上更复杂,具有水冷或是风冷等散热结构。PDU配置灵活,可以根据客户要求进行定制开发,能够满足不同客户不同车型需求。PDU的核心理念与方案应该是源自军用飞机,原因,大家可以自行脑补。
BDU(Battery Disconnect Unit )电池包断路单元,专为电池包内部设计,也是配电盒的一种。目前PDU都是根据车厂需求定制,因此收集客户需求及客户整车电气性能很重要。
第二部分 结构造型设计
电气原理图:
实物方案:
一.总体要求:
1.和客户初步沟通,客户会根据产品应用场景(大巴车,公交车,乘用车,物流车),年需求量,初步给出选用下列外壳类型:塑胶,钣金,铝压铸等三种外壳材料,塑胶外壳一般用在BDU上;
2.当客户提出需求时,PDU电气原理图已经绘制好,大致外形尺寸已经给出,此时客户会和PDU厂商进一步确认电气件选型,连接器选型;
3.内部器件要求:装配便利;维护方便;所有的电气件,PCB板都要很方便的维护。
4.防护等级:IP67
二.外壳设计:
1.钣金外壳:
材质:冷轧板SPCC,铝板AL6061 OR AL5052,不锈钢SUS304,SUS316,不锈钢不好加工,一般不选;
表面处理:喷粉,户外粉体,外壳喷粉后盐雾测试48小时不生锈
板厚:SPCC1.5-2.0mm;AL6061 1.5-2.0mm;SUS304:1.0-1.5mm
2.压铸铝外壳:
材质:ACD12
表面处理:喷砂样机,喷细沙,银色或黑色,盐雾测试48小时不生锈
板厚:4.0mm左右
3.塑胶外壳:
材质:硬质塑料:PC,PA
表面处理:烤漆
板厚:4.0mm左右
三.搭铁设计(配电盒安装孔位部件):
1.钣金外壳:
板厚3mm左右,满焊
2.压铸铝外壳:
厚度5mm左右,和壳体压铸一体成型
3.搭铁孔一般是腰型孔,大小根据客户螺丝大小决定,大多选用M5或M6螺丝固定配电盒
四.铜排设计(配电盒安装孔位部件):
1.根据铜排载流量速算设计
2.根据下表查询载流量:
估算法:
单条铜母排载流量= 宽度(mm) X 厚度系数
双母排载流量= 宽度(mm) X 厚度系数 X 1.5(经验系数)
铜排和铝排也可以按平方数来,通常铜应该按5-8A/平方,铝应该按3-5A/平方
常用铜排的载流量计算方法:
40℃时铜排载流量=排宽*厚度系数
排宽(mm);厚度系数为:母排12厚时为20;10厚时为18;依次为:[12-20,10-18,8-16,6-14,5-13,4-12].
双层铜排[40℃]=1.56-1.58单层铜排[40℃](根据截面大小定)
3层铜排[40℃]=2单层铜排[40℃]
4层铜排[40℃]=单层铜排[40℃]*2.45(不推荐此类选择,最好用异形母排替代)
铜排[40℃]= 铜排[25℃]*0.85
铝排[40℃]= 铜排[40℃]/1.3
例如求TMY100*10载流量为:
单层:100*18=1800(A)[查手册为1860A];
双层:2(TMY100*10)的载流量为:1860*1.58=2940(A);[查手册为2942A];
三层:3(TMY100*10)的载流量为:1860*2=3720(A)[查手册为3780A]
以上所有计算均精确到与手册数据相当接近。
五.线束设计:
1.根据线束通过载流量选用合适线径,因为配电盒内部空间很紧凑,线束线径一般不超过4平方,不然线缆折弯半径太大不方便装配;
2.根据线径和两端连接器件选用合适端子;
3.电缆线径选取根据V下表载流容量的规定来选取。
第三部分 安规设计
一.爬电距离:
高压配电盒的爬电距离满足GB/T 18384.1中规定的相关爬电要求。
PDU内部爬电距离保持在12mm比较合理,一般参考标准IEC 60664或 GB16935,按污染等级2;污染等级 2,考虑装配公差和失效需要增大1~2mm
二.抗振动性:
一般按照QC/T413-2002测试
频率:25～500Hz 每个方向8小时(箱体安装面法为Z向)
Z方向加速度30m/s2,振幅1.2mm;
Y方向加速度15m/s2,振幅0.6mm;
X方向加速度15m/s2,振幅0.6mm;
客户有指定其他测试标准,按照客户指定测试标准进行振动测试
三.抗振动性
先按照上述结构设计注意事项及以往案例进行结构设计3D完成后,用软件进行受力模拟,没有问题打样实物测试,中间有问题在整改。
第四部分 散热设计
一.如果没有车载充电机,DCDC电源,按照常规设计即可,小电流选用线束,大电流选用铜排
二.有车载充电机,DCDC电源,根据车载电机,DCDC电源发热量和客户确认采用风冷散热,发热源贴在配电盒壁上,配电盒发热源壁上加散热片,散热片上加防水散热风扇
三.有车载充电机,DCDC电源,根据车载电机,DCDC电源发热量和客户确认采用液冷散热,冷冻液用油或者冷冻液。铜管穿过配电盒,水冷散热片,散热片里面有铜管
四.配电盒内部温升一般在30K,不超过50K
下图为散热方案:
第五部分 密封设计
一.上下盖密封设计:H型 密封圈 开模
1.钣金件上下盖防水结构:防水螺帽,密封圈
2.铝压铸件上下盖防水结构:密封圈
二.外接连接器处防水设计:
1.选用防水连接器
2.钣金件外壳:固定连接器的位置,铆接防水螺帽
3.铝压铸件外壳:固定连接器的位置,做凸台,凸台上做盲孔螺纹固定连接器
第六部分 EMC设计
电磁兼容(EMC)是对电子产品在电磁场方面干扰大小(EMI)和抗干扰能力(EMS)的综合评定,是产品质量最重要的指标之一,电磁兼容的测量由测试场地和测试仪器组成。
EMC设计问题如下:
1.只有在PDU里面加了BMS,DCDC电源,车载充电机等其中的一种或几种才考虑EMC
2.BMS, DCDC电源,车载充电机,这些电气件出厂时一般都做了EMC验证,都在国标规定范围内。
3.EMS不过的话和厂商协同处理靠厂商搞定,结构设计主要方法是加高导电性屏蔽罩,厂商自己整改;因为是PDU一般是金属外壳,可以有效屏蔽电磁干扰,EMI可以完美解决。
第七部分 建模仿真设计
仿真设计分为热仿真,受力分析:
1.靠经验设计出3D;
2.根据3D模型用软件模拟散热和受力;
3.热仿真和受力分析可以参考行业标准。
第八部分 总结
PDU的发展经历由军用向民用转换,产品也从简单的把熔断器、高压接触器、各类铜排等组合向产品集成化、多合一发展。简易型PDU技术门槛不断降低而成熟度的不断提高,越来越多的厂商切入这块蛋糕。作为一个低投入、高风险的产品,如何在激烈的竞争中做出有自己的产品特色,想毕是非常考验各位的地方。
（来源：电动汽车资源网EV江湖 Bentty李清）
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