鄒利寧，唐鍵

（西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710043）

增程式電動公交電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒利寧，唐鍵

（西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710043）

本文從低壓電氣、高壓電氣和CAN總線設(shè)計(jì)三方面對增程式電動公交電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)做簡要分析。

增程式電動客車；電氣系統(tǒng)；汽車線束；CAN總線

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-69-03

前言

增程式電動公交是在純電動公交基礎(chǔ)上，增加一套增程器，綜合了純電動車零污染和混合動力車?yán)m(xù)駛里程長的優(yōu)點(diǎn)。增程式電動公交電氣系統(tǒng)作為整車核心系統(tǒng)之一，設(shè)計(jì)是否合理直接影響整車電器裝置功能、控制通信質(zhì)量和電安全性。

1、低壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 DC/DC選型

DC/DC是直流電源變換器的簡稱，在增程式客車低壓電源系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，是整個低壓電源系統(tǒng)的核心零部件。圖1表明DCDC在整車低壓電氣系統(tǒng)中的位置。歸納起來，DC/DC主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）高壓系統(tǒng)上電后，DC/DC為整車低壓負(fù)載供電；

（2）DC/DC與24V蓄電池并聯(lián)，為蓄電池充電，保證車輛正常啟動；

（3）當(dāng)整車低壓負(fù)載超出DC/DC功率極限時，與蓄電池并聯(lián)，共同為整車供電。

根據(jù)車輛行駛過程中電氣設(shè)備用電時間長短和使用頻率計(jì)算總功率：

式中：P——整車低壓用電設(shè)備總功率，kW；

Pi——第i個用電設(shè)備功率，kW；

μi——第i個用電設(shè)備的使用頻度系數(shù)。

某12米增程式電動公交客車整車電器設(shè)備用功率如表1所示。

根據(jù)式（1）中的分析計(jì)算，整車電器設(shè)備總功率為1715W，一般按照用電功率的1.5～3倍選擇DCDC，同時考慮DCDC需要預(yù)留部分功率為蓄電池充電，再加上成本、體積和散熱等因素，因此綜合考慮，選擇功率4000W的DCDC。

表1-1 整車低壓電器功率統(tǒng)計(jì)表

1.2 低壓線束設(shè)計(jì)

如果把汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)必做骨架，那么線束無疑就是汽車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。線束設(shè)計(jì)的好壞直接影響汽車各個電器設(shè)備工作狀態(tài)，同時也影響著整車的工作可靠性和經(jīng)濟(jì)性。對于增程式電動車而言，增加了ISG電機(jī)和輪邊電機(jī)系統(tǒng)，同時還有冷卻系統(tǒng)ECU等控制器，因此線束設(shè)計(jì)更多的要考慮控制器之間信號傳遞的可靠性，因此線束設(shè)計(jì)要考慮密封性和電磁屏蔽性能。

1.2.1 基本原則

電動車低壓線束設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)車輛線束設(shè)計(jì)類似，需要遵循以下基本原則：

（1）蓄電池與DCDC雙電源系統(tǒng)。DCDC在電動車中的功能與發(fā)電機(jī)在常規(guī)燃油汽車上的功能一致。車輛啟動（高壓系統(tǒng)上電）時，蓄電池為整車提供穩(wěn)定的24V電源；完成啟動后，DCDC開始工作。DCDC為整車低壓系統(tǒng)主電源。

（2）用電設(shè)備并聯(lián)連接；并聯(lián)連接，可保證每個用電設(shè)備獨(dú)立正常工作。

（3）單線制。所謂單線制/負(fù)極搭鐵，就是用電設(shè)備的正極與電源相連，負(fù)極與車身相連，車身作為用電器的公共負(fù)極。這種設(shè)計(jì)可以明顯減少整車線束導(dǎo)線用量，便于線束布置、連接，也便于故障的查找和排除。

1.2.2 低壓線束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于線束的設(shè)計(jì)、加工和布置裝配，增程式電動公交線束設(shè)計(jì)一般分為車身線束和底盤線束兩大模塊。兩模塊分別有一個主線束，底盤主線束和駕駛室主線束總成。兩組模塊線束之間通過插接器對接，以實(shí)現(xiàn)底盤和駕駛室電器功能。從圖2-1可以看出車身線束和底盤線束又可以拆分為幾個子線束。各子線束一端通過插接器與駕駛室主線束或底盤主線束連接，另一端與分布在駕駛室和底盤的各電器裝置對接。通過以上分析，可以總結(jié)出增程式電動汽車線束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個顯著特點(diǎn)：

（1）依據(jù)電器裝置和總成位置進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，以便于線束布置和安裝為原則，如前照燈線束、車門線束和駕駛室線束總成。

（2）依據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，如ABS系統(tǒng)線束為獨(dú)立的線束，包括底盤和駕駛室兩部分；底盤部分與ABS電磁閥和傳感器連接，駕駛室部分與ABS控制器連接，兩部分線束通過專用插接器進(jìn)行對接。

2、高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高樂電氣系統(tǒng)是電動客車與傳統(tǒng)客車的最顯著區(qū)別之一，增程式電動客車高壓主電路電壓一般都在500 V以上，因而高壓電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最重要的是高壓電氣安全管理設(shè)計(jì)。 高壓電安全主要包括兩個關(guān)鍵總成：高壓配電箱和絕緣檢測儀。下面對這兩個關(guān)鍵總成零部件進(jìn)行詳細(xì)介紹。

表2-1 高壓配電箱元器件匯總表

2.1 高壓配電箱

圖2-1為高壓配電箱原理示意圖，結(jié)合表2-1可以看出高壓配電箱包括高壓熔斷器、預(yù)充電電阻和接觸器等部件，是高壓系統(tǒng)的控制和安全核心，歸納起來主要實(shí)現(xiàn)以下幾個方面的功能：

（1）根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)或駕駛員操作指令，控制接觸器動作，適時接通和切斷高壓回路，包括高壓主回路，轉(zhuǎn)向助力和制動助力高壓回路，以及空調(diào)暖風(fēng)回路。

（2）內(nèi)置熔斷器，對高壓零部件進(jìn)行過流、短路保護(hù)，防止瞬時大電流對電器設(shè)備造成損壞。

（3）內(nèi)置預(yù)充電電阻，按照整車控制策略對電機(jī)控制器及其他需要進(jìn)行預(yù)充電的控制器進(jìn)行預(yù)充電，防止高壓瞬間加載到電機(jī)控制器造成內(nèi)部IGBT等元器件損壞。

（4）緊急停車功能。在出現(xiàn)諸如撞擊、絕緣故障等較為嚴(yán)重的故障時，可通過駕駛室的急停開關(guān)，切斷配電箱中的高壓主接觸器。

2.2 絕緣監(jiān)測儀

2.2.1 電動汽車高壓絕緣問題

電動汽車的高壓電系統(tǒng)與底盤之間沒有直接的電氣連接，即高壓用電設(shè)備與底盤之間是絕緣的，這是一種不接地系統(tǒng)。不接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)對地故障時，系統(tǒng)電力供應(yīng)不會中斷。 直流高壓系統(tǒng)的電纜絕緣介質(zhì)老化或受潮濕環(huán)境等因素影響都會導(dǎo)致高壓電氣系統(tǒng)和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正極或負(fù)極引線將通過絕緣層和底盤之間構(gòu)成漏電回路，使車輛底盤電位上升，影響低壓電氣和電機(jī)控制器的正常工作，危機(jī)駕乘人員的人身安全。當(dāng)車輛高壓電路和底盤之間出現(xiàn)發(fā)生多點(diǎn)絕緣性能下降時，會產(chǎn)生熱量積聚效應(yīng)，嚴(yán)重時會引起電氣火災(zāi)。

因此實(shí)時監(jiān)測高壓電氣系統(tǒng)相對于車輛底盤的電氣絕緣性能是電動汽車電氣安全技術(shù)的核心內(nèi)容，對乘客安全和車輛安全運(yùn)行具有重要的意義。在整車設(shè)計(jì)時必須考慮對高壓絕緣監(jiān)測進(jìn)行專門設(shè)計(jì)！

2.2.2 絕緣監(jiān)測設(shè)備設(shè)計(jì)原則

（1）絕緣監(jiān)測設(shè)備連接在高壓系統(tǒng)和地之間，應(yīng)能實(shí)時在線動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對地絕緣阻值。

（2）當(dāng)系統(tǒng)對地的絕緣阻值降至預(yù)先設(shè)定的響應(yīng)值時，絕緣監(jiān)視設(shè)備應(yīng)能輸出報警信。

（3）絕緣故障可能發(fā)生在任何位置，絕緣檢測設(shè)備應(yīng)可以響應(yīng)發(fā)生在任何位置絕緣故障。

3、CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

增程式電動車采用CAN總線通信，整車控制器通過傳感器獲取駕駛員的駕駛意圖和車況參數(shù)，并結(jié)合經(jīng)CAN總線取得的電機(jī)、電池組狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、能量管理計(jì)算，通過CAN總線向電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)矩等操作指令。電池管理系統(tǒng)(BMS)將動力電池的溫度、電壓、充放電電流、SOC等參數(shù)通過CAN總線發(fā)給總線儀表，總線儀表實(shí)時顯示SOC、電壓、電流等參數(shù)。

如表3-1和圖3-1，為增程式公交CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖表。為了保證CAN總線通信質(zhì)量和效率，CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時應(yīng)該考慮以下原則：

（1）合理設(shè)置通信波特率，對APU、MCU和BMS對通信速率要求較高的節(jié)點(diǎn)可以配置速率為500kbps，對位速率要求不高的節(jié)點(diǎn)，如DCDC和DCAC可配置為250kbps位速率；

（2）為了保證通信質(zhì)量，降低錯誤幀數(shù)量。節(jié)點(diǎn)分布應(yīng)考慮子網(wǎng)通信負(fù)載率，合理負(fù)載率應(yīng)不超過40%；

（3）CAN總線物理線束應(yīng)采用屏蔽雙絞線制作，屏蔽層應(yīng)合理接地。

表3-1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)匯總表

4、結(jié)束語

本文從低壓電氣、高壓電氣和CAN總線網(wǎng)絡(luò)三個方面對增程式電動公交電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要分析。重點(diǎn)討論了低壓系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)、DCDC電源變換器選型設(shè)計(jì)和線束設(shè)計(jì)的一般原則和方法；高壓電氣系統(tǒng)高壓配電箱設(shè)計(jì)和與安全相關(guān)的絕緣監(jiān)測儀設(shè)計(jì)以及CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中應(yīng)該遵循的一般原則。

[1]王芳榮等.汽車電工電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社，2009.

[2]王文偉 畢榮華.電動汽車技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]朱武喜，孫立清.增程式電動公交客車控制策略研究，2013.

[4]斐春松.純電動汽車電安全分析與設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2012.

[3]王黎明，夏立等. CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Program by electric bus electrical system design

Zou Lining, Tang Jian
（Xi'an Rand new energy vehicle technology Development Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710043）

This article from the low-voltage electrical, high-voltage electrical and CAN bus designthree aspects to the stroke increasing electric bus electric system design to make the brief analysis.

extended range electric vehicle; electrical systems; automotive wiring harness; CAN bus.

U463.6

A

1671-7988(2015)04-69-03

鄒利寧，助理工程師，就職于西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，從事汽車電氣設(shè)計(jì)工作。