摘 要

近年来，由于国家政策的扶持，电动汽车逐渐成为行业发展的主流方向，其产销量都达到了历史新高。然而，在电动汽车快速发展的同时，也伴随出现了较多的起火事故，由此引发了人们对电动汽车高压安全问题的关注，对高压配电系统的改进迫在眉睫。轮毂电机驱动技术具有结构紧凑、独立可控、可实现多种驱动形式等突出优点，已被列为战略性新兴产业重点产品，有较大的发展前景。针对轮毂电机高压配电系统的研究，目前鲜有人问津，大多只停留在传统集中式驱动车辆高压配电系统的研究，而传统电动汽车高压配电系统和轮毂电机高压配电系统在电气架构、驱动形式等方面存在较大差异，故研究轮毂电机高压配电系统具有很好的现实意义。为此，本文展开了以下研究：

首先，梳理国内外轮毂电机车辆、高压配电系统研究现状，通过分析传统电动汽车高压配电系统结构，设计轮毂电机高压配电系统结构图，分析电动汽车通断过程、运行过程，确定整车高压配电系统功能需求，以便后续高压配电系统的硬件设计和控制策略开发；

其次，结合高压配电系统设计原则完成轮毂电机车辆高压电气原理图设计，阐述预充电、绝缘检测、高压互锁的工作原理，并运用Multisim完成相关电路图的设计；

再次，通过对猛士轮毂电机越野车高压配电系统的参数计算，完成高压配电系统主要电气元件的选型，运用CATIA设计高压配电系统机械结构，并简要介绍高压配电系统线束布置要求。

最后，在高压配电系统硬件电路设计的基础上，完成高压配电系统上电、下电、充电过程控制策略开发。

关键词：轮毂电机车辆，高压配电系统，电气元件选型，高压安全策略

Abstract

In recent years, with the support of national policies, electric vehicles have gradually become the mainstream direction of industry development, which production and sales have reached historical height. However, with the rapid development of electric vehicles, many fire accidents happened, which arouse people's concern about the high-voltage safety of electric vehicles. The improvement of high-voltage distribution system is urgent. In-wheel motor drive technology has many outstanding advantages, such as compact structure, independent and controllable, and it can realize various driving forms. It has been listed as a key product of strategic emerging industries, and has a great development prospect. Nowadays, few people pay attention to the research of high voltage distribution system of in-wheel motor, most of them only stay in the research of high voltage distribution system of traditional centralized drive vehicle, but there are great differences between them in the aspects of electrical structure and driving form, so it is of great practical significance to study the high voltage distribution system of in-wheel motor. To this end, the following studies have been carried out in this paper.

Firstly, the research status of in-wheel motor vehicle and high-voltage distribution system at home and abroad is summarized. By analyzing the structure of traditional electric vehicle high-voltage distribution system, the structure diagram of in-wheel motor high-voltage distribution system is designed, the on-off process and operation process of electric vehicle are analyzed, and the functional requirements of the whole vehicle high-voltage distribution system are determined, so as to facilitate the subsequent hardware design and control strategy development of high-voltage distribution system.

Secondly, according to the design principle of high voltage distribution system, the high voltage electrical schematic diagram of in-wheel motor vehicle is designed. The working principles of pre-charging, insulation detection and high voltage interlocking are elaborated, and the related circuit diagram is designed by Multisim.

Thirdly, by calculating the parameters of the high-voltage distribution system of the off-road vehicle with Mengshi in-wheel motor, the selection of the main electrical components of the high-voltage distribution system is completed, the mechanical structure of the high-voltage distribution system is designed by CATIA, and the layout requirements of the high-voltage distribution system harness are briefly introduced.

Finally, on the basis of the hardware circuit design of the high voltage distribution system, the control strategy of power-on, power-down and charging process of the high voltage distribution system is developed.

Key words: in-wheel motor vehicle, high voltage distribution system, selection of electrical components, high voltage safety strategy

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 轮毂电机驱动车辆研究现状 2

1.2.1 国内轮毂电机驱动车辆研究现状 2

1.2.2 国外轮毂电机驱动车辆研究现状 3

1.3 电动汽车高压配电系统研究现状 4

1.3.1 国内高压配电系统研究现状 4

1.3.2 国外高压配电系统研究现状 5

1.4研究内容与技术路线 6

第二章 电动汽车高压配电系统的界定及故障分析 8

2.1电动汽车高压配电系统的组成 8

2.1.1 电动汽车高压配电系统组成 8

2.1.2轮毂电机驱动车辆高压配电系统 9

2.2 高压配电系统故障分析及解决措施 10

2.2.1 高压故障等级分类 10

2.2.2 高压电路通断过程分析 10

2.2.3 电动汽车运行过程分析 11

2.2.4 整车高压配电系统功能需求 12

2.3本章小结 13

第三章 高压配电系统硬件设计 14

3.1 整车高压配电系统设计原则 14

3.2 高压电气原理图设计 15

3.3 主要硬件高压电路设计 15

3.3.1 高压电系统简化物理模型 15

3.3.2 预充电电路设计 16

3.3.3 绝缘检测电路设计 18

3.3.4 高压互锁电路设计 21

3.4 本章小结 23

第四章 元器件选型与结构布置 24

4.1 主要元器件选型 24

4.1.1 直流接触器选型 24

4.1.2 直流熔断器选型 25

4.1.3 预充电阻选型 27

4.2 结构与线束布置 29

4.2.1 高压配电盒机械结构设计 29

4.2.2 高压配电系统线束布置 33

4.3 本章小结 34

第五章 高压配电系统控制策略研究 35

5.1 高压配电系统上电控制策略 35

5.2 高压配电系统下电控制策略 36

5.3 高压配电系统充电控制策略 37

5.4 本章小结 39

第六章 结论与展望 40

6.1 研究总结 40

6.2 研究展望 40

参考文献 41

致谢 42

第一章 引言

1.1 课题研究背景与意义

在经济快速发展的今天,环境问题和能源问题逐渐受到人们的重视。为了适应国际形势，越来越多的国家将目光从传统燃油车转移到新能源汽车上，并给予大量的资金投入与政策扶持，极大地推动了新能源汽车的发展。据统计，2018年全球电动车销量突破了200万辆。在这种形势下，中国也加大了新能源汽车的扶持力度，2019年第一季度，我国新能源汽车的产销量分别为30.4万辆和29.89万辆，比去年同期相比分别增长了1倍和1.1倍。可见，新能源汽车发展形势一片大好，未来新能源汽车必将在汽车行业占据重要的地位。

尽管新能源汽车具有高效、环保等优势，但相对传统燃油车，其安全性能还有待进一步的完善，特别是由于高压电气故障引发的事故数见不鲜。代表电动车最高水平的特斯拉，至今已发生近50起行驶、碰撞和充电导致的燃烧、自燃和爆炸事故。其他品牌，如Smart ED、宝马i3、欧蓝德PHEV等也先后发生过起火事故，并造成一定的人员伤亡。国内的情况更加不如人意，由于国家政策的吸引，越来越多的企业参与到新能源汽车的生产中，使得新能源汽车产销量激增的同时，市场上也出现鱼龙混杂的情况。近几年，国内新能源汽车起火事故呈明显上升的趋势，事故统计情况如图1.1所示。尽管起火事故的频发与销量的上涨有一定的关系，但究其深层次的原因，还在于高压安全控制策略、高压配电系统功能还不够完善和成熟，为此，有必要针对高压安全问题，对高压配电系统做进一步研究。

图1.1 国内新能源汽车起火事故统计

轮毂电机技术具有简化整车结构布置、转矩独立可控、可实现各种复杂的驱动形式、与新能源汽车匹配良好等突出优点，是目前电动汽车研究领域的一项重要课题。2017年，轮毂电机同轮边电机一起被列入战略性新兴产业重点产品，有学者将其评为“未来电动汽车发展的终极驱动模式”。目前，有部分学者在着重解决轮毂电机技术簧下质量大、散热困难、高温磁退等问题，有部分学者在主持制定国内轮毂电机行业标准，但都还处于研究阶段。除此之外，针对轮毂电机车辆的高压配电系统研究成果更是稀少，大多只是沿袭传统集中式驱动车辆的高压配电系统，而并未关注二者在电气架构、驱动结构等方面的差异。

围绕传统集中式驱动车辆与轮毂电机四轮独立驱动车辆高压配电系统的差异，以一款猛士越野车为研究对象，对轮毂电机高压配电系统的硬件电路、元器件选型、控制策略等进行研究，可以为轮毂电机高压配电系统的设计提供一定的参考，同时，完成高压配电盒机械结构的设计，也具有一定的实践意义。

1.2 轮毂电机驱动车辆研究现状

1.2.1 国内轮毂电机驱动车辆研究现状

国内，由于受到技术层面的限制，轮毂电机技术起步较晚，但由于其独特的优势，部分汽车厂商开始关注这一技术并投入研究。2010年的广州车展，广汽乘用车推出了新车型纯电传祺，该车采用了新型的轮毂电机驱动系统，两个后轮轮毂电机的输出功率可达到166KW，输出扭矩可达到1650N·M,拥有较长的续驶里程。2011年的上海车展，奇瑞公司推出了瑞麒XI-EV纯电动汽车，该车四个车轮均配备轮毂电机以实现四轮驱动，每个轮子的驱动力可通过调整供电方式独立调节。2013年，一汽大众展开了与美国Protean公司的合作，以Protean Drive^TM轮毂电机为驱动装置，以大众新宝来为基础车型，开始研发新型电力驱动系统，并运用于电动汽车。

近年来，分布式驱动成为新能源汽车研究的热点，相应地带动了轮毂电机技术的推广，国内部分汽车企业开始采用合资或收购的方式引入国外先进的轮毂电机技术。2015年12月，浙江亚太股份参股斯洛文尼亚Elaphe公司20%，并在中国建立了合资公司，其中浙江亚太股份以51%的股份控股，双方合作开发轮毂电机技术，这意味着亚太成为唯一可以使生产使用Elaphe技术轮毂电机产品的在华企业，2017年该公司基于宝马X6改装出一款轮毂电机样车，该车搭载了4个Elaphe L型轮内直驱电机，该车可输出440KW的纯动力，输出扭矩可达6000N·M,被评为业界最具性能的轮内直驱汽车。2016年，浙江万安科技投资成为美国Protean公司第二大股东，重点研究轮毂电机技术，以推进分布式驱动在国内的产业化，2017年4月，两者宣布联合开发轮毂电机产品PD16，以扩大轮毂电机市场份额。2016年9月，湖北泰特机电全资收购了荷兰e-Traction公司，推动轮毂电机国产化产品线布局，该公司于2017年5月推出了搭载轮毂电机的纯电动客车样车，其制造的轮毂电机产品输出扭矩可达6000-10200N·M，可满足低速大转矩的要求。2018年10月，华人运通召开了新闻发布会，开始进入大众的视野，并在发布会上推出了RE05工程车，这款外表类似卡丁车的工程车采用了四轮转向轮毂电机技术，通过仪表盘中央的3个旋钮，可切换多达14种具有实用性的驾驶模式。

2017年，国家发布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录2016》中重点提到了新能源汽车电机电控部分的轮毂电机，可以预料，未来很长的一段时间内，轮毂电机技术仍旧是研究的热点。目前，国内部分企业已开始制定轮毂电机行业标准，以推动轮毂电机技术的量产化。

1.2.2 国外轮毂电机驱动车辆研究现状

相较于国内，国外轮毂电机技术已取得不错的进展。2010年，日本SIM-Drive公司在清水浩教授的主持下，开始研制轮毂电机驱动车辆，并先后推出SIM-LEI、SIM-WIL、SIM-CEL和SIM-HAL四代电动车样车，其中，2014年开发出的第四代样车SIM-HAL采用直接驱动式轮毂电机，其输出功率可达260KW,续驶里程更是达到了404KM,该车型的推出也意味着SIM-Drive公司正式进入电动车行业。2013年，美国福特汽车公司在其嘉年华车型上搭配有舍弗勒的第二代e-Wheel Drive轮毂电机产品，并对其转向系统进行了全新的设计，能够实现汽车的侧方位停车。2016年，德国梅赛德斯奔驰推出了Urban eTruck纯电动卡车概念车，该车搭载有两套轮毂电动机，其动力系统的最大扭矩可达到10989N·M，并预计2020年投入生产。英国Protean公司致力于研究轮毂电机技术，从2010年开始，英国Protean公司与多家汽车厂商展开合作，推出轮毂电机样车和改装车，其中包括沃尔沃C30 EV四驱车、福特F-150 EV四驱车、沃克斯豪尔Vivaro PHEV混合动力车、奔驰E级纯电动四驱车和混合动力车等多款车型，2017年上海国际车展，Protean公司展示了两款装配有Protean Drive轮毂电机的车型，分别是北汽集团BJ80插电式混合汽车和万安科技英伦纯电动出租车，确定了其轮毂电机商业化的领导地位，2018年，美国汽车公司WorkHouse宣布量产轻型电动物流车NGEN-1000,其前轮安装的也是Protean公司生产的Pd18轮毂电机。斯洛文尼亚Elaphe公司也是一家著名的轮毂电机企业，截至目前已推出多款轮毂电机产品，包括用于乘用车的M700轮毂电机、用于商用车的M1100轮毂电机、用于轿车与SUV的L-type轮毂电机以及用于城市轻型电动汽车的LEV轮毂电机，不同轮毂电机产品作用于不同的电动汽车领域，可满足电动汽车不同的功率需求。

由此可见，包括日本、美国、德国、英国、斯洛文尼亚等国家，都在致力于轮毂电机技术的研究，并加深同整车企业的合作，以期早日实现轮毂电机驱动车辆的量产。目前，只有少部分物流车能实现量产，可以想象，未来轮毂电机在其他电动汽车领域的竞争会十分激烈。

1.3 电动汽车高压配电系统研究现状

1.3.1 国内高压配电系统研究现状

高压安全是电动汽车面临的一项重要课题，近几年，各高校围绕电动汽车智能高压管理系统展开了一系列的研究，其中，文献^[1]作者将智能高压管理系统分为了高压配电系统和高压智能控制单元两部分，并指出二者之间是执行机构和控制单元的关系，在实际研究中应全面、综合的考虑。而在实际的研究中，各学者的侧重点有所不同。文献^[2]作者对纯电动汽车智能高压管理系统进行了建模，并在此基础上完成了高压配电系统主要电路的硬件设计及软件开发。文献^[3]作者对纯电动汽车智能高压管理系统控制策略进行了阐述，并在此基础上设计了高压软启动电路，并设计出一种无源绝缘电阻检测方法。文献^[4]作者介绍了一款复合电源纯电动汽车的智能高压系统，并重点介绍了高压上电控制策略、动态高压检测策略和被动安全控制策略。文献^[5]作者基于一款四轮独立轮毂电机驱动电动汽车，对智能高压系统的绝缘故障状态进行了分析，并对绝缘防护进行了详细的介绍。文献^[6]作者基于传统纯电动车配置，提出高压智能系统在上电、运行、下电过程中面临的各种潜在故障，并提出了对应的控制策略。文献^[7]作者设计了一种纯电动汽车高压监控系统，通过高低压保护、环路互锁等硬件电路的来监测各种潜在的故障，并验证其可靠性。

除各高校的学者外，国内不同领域的学者也针对智能高压系统进行了研究、归纳与总结，部分研究成果可由表1-1给出。

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