「电子电气」架构先进性是否真能决定汽车的智能化程度？

1. 概述

1.1 增程式电动车高压系统定义与边界

增程式电动汽车（EREV, Extended-Range Electric Vehicle）是一种串联式混合动力构型，其核心特征是：内燃机（增程器）与车轮无机械连接，仅作为发电机驱动源，车辆始终由电机驱动。这种构型决定了其高压电气架构的特殊性：

• 能量流路径： 增程器 → 发电机 → 整流器 → 高压直流母线 → 逆变器 → 驱动电机 → 车轮
• 储能路径： 高压直流母线 ↔ 动力电池（双向，但不能同时充放电）
• 附件路径： 高压直流母线 → DC/DC → 12V低压系统；高压直流母线 → PTC/压缩机等高压附件

增程式电动车的高压系统边界包括：动力电池包、电池断路单元（BDU）、高压配电单元（PDU）、增程器发电机组（含整流器）、驱动电机及逆变器（MCU）、车载充电机（OBC）、DC/DC转换器、高压空调压缩机、PTC加热器、高压线束与连接器，以及整车控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）等控制单元。

1.2 高压电气架构核心设计目标

1.3 行业标准与法规概览

详见附录，核心标准包括：

• 电气安全： ISO 6469（电动汽车安全）、GB 18384、UN R100
• 功能安全： ISO 26262:2018（2024更新版）
• 电磁兼容： CISPR 25、GB 34660、GB/T 18655、GB/T 18387、ECE R10
• 绝缘配合： IEC 60664-1:2020
• 高压部件测试： GB/T 18488（驱动电机）、GB 38031（电池安全）
• 环境可靠性： ISO 16750 系列

2. 高压电气架构设计过程

2.1 整车高压拓扑设计

增程式电动车的高压拓扑设计是架构设计的起点，决定能量流的路径与效率。

2.1.1 典型拓扑结构

┌─────────────┐
                    │   增程器     │
                    │ (内燃机)    │
                    └──────┬──────┘
                           │ 机械连接
                    ┌──────▼──────┐
                    │   发电机     │
                    │ (PMSG/ISG)  │
                    └──────┬──────┘
                           │ 三相交流
                    ┌──────▼──────┐
                    │  整流器     │
                    │ (AC/DC)    │
                    └──────┬──────┘
                           │
         ┌─────────────────┼─────────────────┐
         │                 │                  │
   ┌─────▼─────┐    ┌──────▼──────┐    ┌─────▼─────┐
   │ 动力电池   │    │  高压直流   │    │  OBC      │
   │ + BDU    │◄───►│  母线(Bus)  │◄───►│ (AC/DC)  │
   └───────────┘    └──────┬──────┘    └───────────┘
                           │
         ┌─────────────────┼─────────────────┬──────────────┐
   ┌─────▼─────┐    ┌──────▼──────┐    ┌─────▼─────┐  ┌─────▼─────┐
   │ 逆变器     │    │  DC/DC     │    │ 电动压缩机 │  │ PTC加热器 │
   │ (DC/AC)  │    │ (HV→12V)  │    │ (HVAC)   │  │           │
   └─────┬─────┘    └────────────┘    └───────────┘  └───────────┘
         │
   ┌─────▼─────┐
   │ 驱动电机   │
   │ (PMSM)   │
   └─────┬─────┘
         │
       车轮

能量流逻辑（核心原则：电池不能同时充放电）：

1. 轻载巡航： 增程器发电 → 高压直流母线 → 逆变器 → 电机驱动车轮，余电存入电池
2. 大功率需求： 增程器满发 + 电池放电 → 双路汇入直流母线 → 逆变器 → 电机
3. 纯电模式： 电池放电 → 高压直流母线 → 逆变器 → 电机，增程器停机
4. 能量回收： 车轮 → 电机（发电模式）→ 逆变器（AC/DC）→ 电池充电

2.1.2 增程式特有的设计考量

与纯电（BEV）和并联混动（PHEV）相比，增程式高压拓扑设计需额外关注：

• 发电机-整流器与母线的接口：发电机输出为无稳压交流电，需经过整流器转为高压直流，整流器的纹波和谐波含量对高压母线EMC有直接影响
• 增程器启停瞬态管理：增程器启动/停机时发电机输出电压从0突变，需软启动策略和母线电容预充电管理
• 双能量源协调：电池和增程器同时向母线供电时，需保证母线电压稳定（由电池钳位或整流器稳压）

2.2 高压电压等级确定

2.2.1 400V vs 800V平台对比

选型依据：

• 400V平台： 适合成本敏感的入门/中端车型，供应链成熟
• 800V平台： 适合高端车型及追求快充体验的车型，2025年后逐渐成为主流趋势
• 趋势： 行业正向800V甚至900V演进（如蔚来900V、华为智擎800V），增程式车型也开始全域800V化

2.2.2 电压等级对设计的影响

• 爬电距离和电气间隙：800V系统基本绝缘爬电距离约 8mm（PD2，材料组 IIIa），400V系统约 4mm
• 绝缘测试电压：800V系统耐压测试约 2500V AC / 3500V DC（60s）；400V系统约 1700V AC
• 安全防护等级：两者均属 ISO 6469 B级电压（60V < U ≤ 1500V DC）

2.3 高压配电架构设计

2.3.1 PDU与BDU的分工

动力电池包
    │
    ▼
┌─────────────────────────────────────────────┐
│                  BDU (电池断路单元)           │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌───────────┐  │
│  │主正继电器 │  │预充继电器 │  │主负继电器  │  │
│  │+ 熔断器  │  │+ 预充电阻│  │+ 分流器   │  │
│  └────┬─────┘  └────┬─────┘  └─────┬─────┘  │
│       │              │              │        │
│       └──────────────┼──────────────┘        │
│                      │                       │
│              ┌───────▼──────┐                │
│              │  电流传感器   │                │
│              └───────┬──────┘                │
└──────────────────────┼───────────────────────┘
                       │ 高压直流母线
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────┐
│                  PDU (高压配电单元)           │
│                                              │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌───────────┐  │
│  │ MCU支路  │  │ OBC支路  │  │ DC/DC支路 │  │
│  │ 熔断器+  │  │ 熔断器+  │  │ 熔断器+   │  │
│  │ 继电器   │  │ 继电器   │  │ 继电器    │  │
│  └──────────┘  └──────────┘  └───────────┘  │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐                 │
│  │ 压缩机支路│  │ PTC支路  │                 │
│  │ 熔断器+  │  │ 熔断器+  │                 │
│  │ 继电器   │  │ 继电器   │                 │
│  └──────────┘  └──────────┘                 │
└─────────────────────────────────────────────┘

2.3.2 关键器件选型

继电器/接触器：

• 主正/主负继电器：额定电流 200-500A（持续），短路耐受 5-10kA
• 预充继电器：额定电流 10-20A，预充电时间 < 400ms
• 快充继电器：额定电流 150-300A
• 主流供应商：松下、TE、宏发

熔断器：

• 主回路熔断器：额定电压 ≥ 系统最大电压的 1.2倍，分断能力 ≥ 10kA
• 支路熔断器：按负载电流 1.5-2倍选型
• 类型：高压直流熔断器（陶瓷管），响应时间需与线束热容匹配

预充电阻计算：

• 示例：C = 850μF, t < 400ms → R < 157Ω
• 预充能量：（一次预充约75J）
• 电阻功率需满足连续预充要求（含降额）

铜排设计：

• 材质：T2紫铜，截面积按 4-6A/mm² 载流密度计算
• 表面处理：镀锡/镀镍防氧化
• 短时过载能力：可承受 10倍额定电流数秒

2.4 高压安全架构设计

2.4.1 高压互锁（HVIL）

原理： 在所有高压连接器中增加低压监测回路，实现：

• 连接器插合时：高压端子先接通，互锁端子后接通
• 连接器断开时：互锁端子先断开（BMS检测到开路），高压端子后断开

安全响应策略：

设计要点：

• 互锁回路电流：通常 10-20mA（12V供电）
• 需覆盖所有高压连接器（电池包、MCU、OBC、DC/DC、压缩机、PTC、PDU各支路）
• 互锁回路可为串联或分组并联拓扑

2.4.2 主动放电与被动放电

法规要求（ISO 6469 / GB 18384）：

• 高压回路断开后，5s内电压降至 60V DC以下（主动放电）
• 与外接电源断开后，2min内降至 60V DC以下（被动放电）

2.4.3 绝缘监测

• 在线监测：BMS通过注入低频交流信号或切换桥臂电阻，实时计算高压正/负对地绝缘电阻
• 报警阈值：直流 ≥ 100Ω/V，交流 ≥ 500Ω/V
• 绝缘监测需覆盖所有高压回路（含充电状态）

2.5 高压功能安全设计（ISO 26262）

2.5.1 危害分析与风险评估（HARA）

增程式高压系统主要危害事件：

2.5.2 安全目标与安全机制

ASIL分解示例（ASIL D → ASIL C(D) + ASIL A(D)）：

• 主功能路径（MCU扭矩控制）：ASIL C(D)
• 冗余监控路径（独立监控MCU）：ASIL A(D)

2.6 热管理架构协同设计

增程式高压系统热管理需要同时考虑：

• 电池热管理： 液冷/直冷方案，工作温度 15-40°C
• 增程器散热： 发动机冷却系统 + 发电机冷却
• 电力电子冷却： MCU、OBC、DC/DC的液冷或风冷
• PDU/BDU散热： 继电器焦耳热 + 铜排焦耳热，需散热冷板或通风

热仿真工具见第五章。

3. 接入高压系统的设备系统性要求

3.1 动力电池包

增程式特有要求：

• 需承受增程器频繁启停的电压波动（±10-15%）
• 需适应发电机输出的纹波电流叠加
• 大电池方案（如 60-80kWh）正成为增程式趋势，对电池包体积能量密度提出更高要求

3.2 驱动电机及逆变器（MCU）

SiC逆变器特别注意：

• 开关速度更快（dv/dt可达50-100V/ns），轴电流和共模EMI更严重
• 需在逆变器输出端加装共模磁环和dV/dt滤波器
• 电机轴承需有绝缘处理（陶瓷球轴承或绝缘涂层）

3.3 车载充电机（OBC）与DC/DC转换器

3.4 增程器/发电机系统

增程器系统特有的电气要求：

设计要点：

• 整流器直流侧需配置大容量母线电容（数百μF）平滑电压
• 增程器与电池同时向母线供电时，由电池钳位母线电压
• 发电机-整流器是增程式特有的EMI源，需重点滤波处理

3.5 高压配电单元（PDU/BDU）

详细结构见 2.3 节，补充系统性要求：

3.6 高压线束与连接器

3.6.1 高压线束

3.6.2 高压连接器

3.7 电动压缩机与PTC加热器

4. 接地、屏蔽、滤波协同设计

4.1 整车接地拓扑

高压系统的接地策略需要平衡 安全接地（PE） 和 EMC接地（RF参考面） 的需求：

4.1.1 接地方式对比

4.1.2 增程式推荐方案

┌──────────────┐
                    │  车身主接地  │
                    │  (电池负极)  │
                    └──────┬───────┘
                           │
         ┌─────────────────┼─────────────────┐
         │                 │                  │
   ┌─────▼─────┐    ┌──────▼──────┐    ┌─────▼─────┐
   │ 电池包PE  │    │  MCU PE    │    │ 增程器PE  │
   │ (铜排)   │    │ (编织带)   │    │ (铜排)   │
   └───────────┘    └─────────────┘    └───────────┘

关键原则：

• 高压部件外壳需通过低阻抗路径（铜编织带/铜排，≥ 16mm²）连接至车身主接地
• 接地连接电阻 ≤ 10mΩ（电位均衡要求 ≤ 0.1Ω）
• 高压与低压接地系统在电池负极处单点汇接，避免地环路
• 信号地、功率地、屏蔽地分层管理

4.2 等电位连接网络设计

目的： 确保所有可触及的导电部件（高压部件外壳、车身）在故障状态下保持等电位，防止接触电压伤害。

设计要求（ISO 6469 / GB 18384）：

• 等电位连接电阻 ≤ 0.1Ω（导电部件之间）
• 连接线截面积：≥ 6mm²（铜）
• 连接点需防松防腐蚀（螺栓 + 弹垫 + 导电膏）
• 所有高压部件金属外壳必须接入等电位网络

测试方法：

• 使用四端子毫欧表（如 Hioki RM3548-50）
• 测试电流 ≥ 1A（ECE R100要求）

4.3 高压线缆屏蔽层设计

4.3.1 屏蔽层结构与材料

推荐采用 铝箔 + 镀锡铜编织网 双层结构：

4.3.2 屏蔽层接地方式

推荐双端接地（360°环接）：

实测案例： 某车型三相线屏蔽层电机端悬空 → 磁场辐射超标 → 改为双端360°接地 → 辐射发射下降 10-20dB，通过 GB/T 18387 测试。

4.3.3 360°环接实现

• 连接器端：屏蔽编织层通过金属压接环 360°压接在连接器尾盖上
• 设备端：连接器金属壳体通过导电衬垫与设备机箱 360°接触
• 接触电阻：≤ 5mΩ（DC），转移阻抗 ≤ 10mΩ/m（@1MHz）
• 禁止使用”猪尾”引线接地（寄生电感大，高频屏蔽效能急剧下降）

4.4 共模/差模滤波器设计

4.4.1 高压系统EMI滤波器拓扑

三级滤波架构（参考TDK CarXield方案）：

高压母线 HV+  ──┬── L_cm1 ──┬── L_cm2 ──┬── L_cm3 ──┬── 负载
                │           │           │           │
               Cx1         Cy1         Cy2         Cx2
                │           │           │           │
高压母线 HV-  ──┴── L_cm1 ──┴── L_cm2 ──┴── L_cm3 ──┴── 负载
                              │
                             PE (屏蔽地)

元件选型指南：

Y电容容量的安全约束：

• 漏电流限制：I_leak ≤ 3.5mA（交流侧）/ 根据安规确定（直流侧）
• 对于 800V 系统：Y电容总容量通常 ≤ 470nF（考虑绝缘电阻要求）
• 需在EMC性能和安全之间平衡

4.4.2 滤波器布局原则

1. 滤波器件紧贴高压端口放置，减小未滤波段的辐射
2. 接地路径短直：Y电容和共模扼流圈接地端尽量短（< 10mm）连接至金属壳体
3. 输入输出隔离：滤波器前后段需物理隔离，防止耦合
4. 360°壳体接地：滤波器金属壳体与设备机箱/车身需 360°低阻抗连接

4.5 屏蔽-滤波-接地三者协同原理

┌─────────────────────────────────┐
                    │        EMC 三层协同防护          │
                    │                                  │
                    │  ① 源头抑制（滤波）              │
                    │     ├─ 共模扼流圈抑制共模电流     │
                    │     ├─ X/Y电容旁路噪声           │
                    │     └─ 软开关降低 dv/dt          │
                    │              │                   │
                    │              ▼                   │
                    │  ② 路径阻断（屏蔽）              │
                    │     ├─ 线束360°屏蔽防止辐射泄漏  │
                    │     ├─ 连接器屏蔽连续性           │
                    │     └─ 设备金属壳体法拉第笼       │
                    │              │                   │
                    │              ▼                   │
                    │  ③ 回流控制（接地）              │
                    │     ├─ 低阻抗接地网络            │
                    │     ├─ 等电位连接消除地电位差     │
                    │     └─ 混合接地避免地环路         │
                    └─────────────────────────────────┘

协同设计准则：

1. 滤波不屏蔽 = 浪费： 滤波器抑制了传导噪声，但若线束未屏蔽，噪声会通过辐射耦合到其他系统
2. 屏蔽不滤波 = 转移： 屏蔽将噪声约束在线束内，但噪声会沿导线传导到设备端，需滤波器吸收
3. 接地不良 = 全部失效： 接地阻抗高时，屏蔽层和滤波器的Y电容都无法有效旁路噪声电流
4. 设计顺序： 先确定接地方案 → 再设计屏蔽结构 → 最后配置滤波器参数

5. 系统性分析计算

5.1 高压绝缘配合计算

5.1.1 标准依据：IEC 60664-1:2020

绝缘配合计算流程：

确定工作电压 → 确定过电压类别 → 确定污染等级 → 
确定材料组别 → 查表确定电气间隙/爬电距离 → 海拔修正

5.1.2 电气间隙计算

步骤：

1. 确定系统最大工作电压（含瞬态过电压）
2. 确定过电压类别（OVC）：高压主回路 → OVC III
3. 查表确定额定冲击耐受电压
4. 查表确定基本绝缘电气间隙
5. 海拔修正（> 2000m）

示例（800V DC系统）：

5.1.3 爬电距离计算

步骤：

1. 确定工作电压有效值
2. 确定污染等级（PD）：电池包内部 → PD3
3. 确定材料组别（按CTI）
4. 查表确定最小爬电距离

示例（800V DC系统，PD2，材料组 IIIa）：

爬电距离不受海拔影响。

5.1.4 加强绝缘要求

加强绝缘 = 2 × 基本绝缘（电气间隙和爬电距离均翻倍）

800V系统示例：

• 加强绝缘电气间隙（5000m）：8 × 1.48 × 2 = 23.68mm
• 加强绝缘爬电距离：8 × 2 = 16mm

5.1.5 材料组别与CTI

设计建议： 在空间紧张处选用 CTI ≥ 600V 的材料，可降低爬电距离 30-40%。

5.2 短路电流与保护协调计算

5.2.1 短路电流估算

电池包短路电流：

其中：

• ：电池开路电压
• ：电池内阻（典型 50-200mΩ，含连接阻抗）
• ：外部短路回路阻抗

示例（400V，100mΩ内阻）：

• 预期短路电流：400V / 100mΩ = 4000A

5.2.2 保护协调原则

熔断器 I²t < 线束热容 I²t < 继电器短路耐受 I²t

保护层级：

5.3 电磁兼容（EMC）仿真分析

5.3.1 传导发射仿真

分析内容：

• 高压母线上共模/差模噪声电流频谱
• 滤波器插入损耗评估
• LISN端噪声电压预测

方法：

1. 建立逆变器/DC-DC的开关模型（SPICE/Simplorer）
2. 提取母线和线束的高频寄生参数（RLCG）
3. 加入滤波器模型，计算LISN端口电压
4. 与 CISPR 25 / GB/T 18655 限值对比

5.3.2 辐射发射仿真

分析内容：

• 高压线束的辐射电场/磁场（150kHz-2.5GHz）
• 屏蔽效能评估
• 近场耦合到低压线束/天线的干扰

方法：

1. 建立整车/子系统3D电磁模型（CAD导入）
2. 定义激励源（实测或仿真的噪声电流）
3. 全波求解（FEM/MoM/FDTD）
4. 场点探头评估辐射电平

5.3.3 辐射抗扰度仿真

分析内容：

• 外部强场（雷达、基站）对高压线束/PCB的耦合
• 敏感电路（传感器、通信线）的感应电压

5.3.4 所用软件工具

5.4 共模电流路径与寄生参数分析

5.4.1 共模噪声的传播机理

逆变器开关 dv/dt
       │
       ▼
  电机绕组-机壳寄生电容 (Cp_winding, 典型 1-10nF)
       │
       ▼
  共模电流 → 电机机壳 → 接地 → 电池负极 → 直流母线 → 逆变器
       │
       ▼
  途径线束屏蔽层 / 车身地 → 辐射 / 耦合到低压系统

5.4.2 关键寄生参数

分析工具： ANSYS Q3D Extractor（寄生参数提取）、CST（3D电磁场）

5.5 高压线束串扰与耦合分析

5.5.1 串扰类型

• 容性耦合： 高压线对邻近低压线的电场耦合 → 感应电压
• 感性耦合： 高压线大电流产生的磁场在低压回路中感应电流
• 共阻抗耦合： 共享接地路径导致的电压耦合

5.5.2 设计准则

分析工具： ANSYS EMC Plus / CST Cable Studio（线束耦合仿真）

5.6 热仿真与温升计算

5.6.1 关键热源

5.6.2 仿真方法

1. CFD热仿真： ANSYS Fluent / Icepak
2. 电路-热联合仿真： Simulink + Simscape
3. 电-热耦合： ANSYS Maxwell + Icepak（电机/磁元件）

5.7 软件工具汇总

6. 测试验证

6.1 电气安全测试

6.1.1 绝缘电阻测试

测试位置：

• 电池包正极对地
• 电池包负极对地
• 各高压部件高压端子对壳体
• 整车高压回路对车身地

6.1.2 耐压测试（介电强度）

示例（800V系统）：

• I类部件（有金属外壳+等电位）：(2×800+1000) = 2600V AC / 60s
• 等效直流测试：2600 × √2 ≈ 3675V DC / 60s

6.1.3 电位均衡测试

6.1.4 高压互锁测试

6.1.5 主动/被动放电测试

6.2 EMC测试

6.2.1 测试标准与项目

6.2.2 核心测试设备

6.2.3 增程式特有EMC测试项

• 增程器启动/停机瞬态传导发射
• 增程器发电状态下的整车辐射发射（增程器运行 + 驱动电机运行双噪声源）
• 增程器-发电机-整流器链路的谐波发射（低频 9-150kHz）

6.3 高压功能测试

6.4 环境与可靠性测试

6.5 整车级高压安全验证

6.6 测试设备清单汇总

7. 总结与设计建议

7.1 设计流程建议

阶段1: 架构定义
├── 确定电压等级（400V/800V）
├── 设计高压拓扑（单母线/分段母线）
├── 完成HARA分析（ISO 26262）
└── 确定ASIL等级分配

阶段2: 部件设计
├── 各高压部件电气规格定义
├── 绝缘配合计算（IEC 60664-1）
├── 保护协调计算（熔断器、继电器）
└── PDU/BDU结构设计

阶段3: EMC协同设计
├── 整车接地拓扑确定
├── 线束屏蔽方案设计
├── 滤波器参数设计
└── EMC仿真验证（HFSS/CST）

阶段4: 验证
├── 部件级DV测试（电气安全+EMC+环境）
├── 系统级集成测试
├── 整车级PV测试
└── 公告认证测试

7.2 关键技术要点

1. 电压平台选择： 800V是趋势，但需评估SiC成本与供应链成熟度。2025年后新车型建议优先考虑800V。
2. 接地优先： EMC设计的根本是接地——先确定整车接地拓扑，再设计屏蔽和滤波，三者不可分割。
3. 仿真前移： 在硬件样件出来前完成EMC仿真、热仿真、绝缘配合计算，可减少 2-3 轮实物整改。
4. 双端屏蔽接地： 高压线束必须双端360°接地，单端接地在磁场屏蔽上严重不足。
5. 滤波器就近安装： 滤波器离高压端口越近越好，接地路径越短越好（< 10mm）。
6. SiC的EMC挑战： 800V SiC方案 dv/dt 可达 50-100V/ns，需加强滤波和屏蔽措施，并在电机端加装轴电流防护。
7. 增程式特有的双源EMC： 增程器运行时增程器+驱动电机双噪声源叠加，整车辐射发射裕量建议 ≥ 10dB。
8. 安全冗余设计： BMS绝缘监测、HVIL、主动放电均需设计冗余路径，满足ASIL D的硬件架构度量。

7.3 行业发展趋势

• 全域800V化： 从纯电蔓延至增程，小鹏X9、问界M9、零跑D19已率先采用
• 集成化： 采埃孚eRE Plus四合一、赛力斯14合一——增程器+发电机+驱动+电控高度集成
• SiC普及： 混合SiC方案平衡性能与成本，碳化硅用量减少60%仍保持效率优势
• AI赋能EMC： AI辅助滤波器参数优化、EMC故障诊断
• 功能安全升级： ISO 26262:2024版加强高压安全与网络安全融合

附录：标准与法规清单

电气安全

功能安全

电磁兼容

绝缘配合与测试