淺析純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)電氣系統設計

純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)相對燃油重型載貨汽車(chē)，整車(chē)動(dòng)力域取消了發(fā)動(dòng)機，增加了動(dòng)力電池、驅動(dòng)電機和輔機電源等。整車(chē)動(dòng)力域由整車(chē)控制器來(lái)完成上層協(xié)調控制。電氣線(xiàn)束作為汽車(chē)的大動(dòng)脈，為整車(chē)上所有電器件供電，傳輸各控制器的通信信號，保證了整車(chē)各項功能的正常運行。高壓電氣系統實(shí)現了高壓上下電、動(dòng)力電池充放電傳輸、人員觸電防護等功能。本文將就純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)的電氣系統設計展開(kāi)介紹。
1 電動(dòng)汽車(chē)部件組成
首先對電動(dòng)汽車(chē)增加的部件加以說(shuō)明，見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)汽車(chē)常用部件
目前電動(dòng)汽車(chē)有兩個(gè)電壓平臺，分別是低壓電平臺和高壓電平臺。低壓電平臺和燃油車(chē)電平臺一致，額定電壓24 V。高壓電平臺是電動(dòng)汽車(chē)*的，純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)高壓電平臺電壓一般為600 V。電動(dòng)汽車(chē)中驅動(dòng)電機系統、電源變換器、電動(dòng)空調、PTC都是在高壓電平臺下工作。
2 低壓線(xiàn)束設計
純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)低壓線(xiàn)束總成分為三大塊：駕駛室線(xiàn)束總成、車(chē)架線(xiàn)束總成和底盤(pán)線(xiàn)束總成。電動(dòng)汽車(chē)電氣系統復雜，集成度高，涉及高壓、低壓電器件，電磁環(huán)境惡劣。純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)的低壓線(xiàn)束設計過(guò)程中，除了考慮重型載貨汽車(chē)運行中的苛刻路況條件（載重、震動(dòng)、灰塵等）外，還應重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)汽車(chē)的EMC問(wèn)題。
2.1　電源分配設計
低壓線(xiàn)束設計中，合理進(jìn)行系統電源分配能提高汽車(chē)安全性。首先是常電配電設計，常電配電是將電器部件電源接口引至蓄電池直接取電，這類(lèi)部件是在點(diǎn)火鑰匙從點(diǎn)火開(kāi)關(guān)拔下后還需要進(jìn)行數據記憶存儲、高壓下電流程執行和常電工作負載待機。例如：整車(chē)控制器、電池管理系統、電機控制器、儀表、危險報警燈、防盜控制器等。常電配電部件休眠待機后的靜態(tài)功耗一般設計要求≤3 mA。
其次是ON擋配電設計，點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打到ON擋時(shí)，全車(chē)大部分電器部件都可以工作。在這個(gè)擋位，通常有IG1和IG2兩個(gè)觸點(diǎn)，兩個(gè)觸點(diǎn)的區別在于ST擋的時(shí)候IG1有電，IG2無(wú)電，燃油重型載貨汽車(chē)這種設計可以在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機的時(shí)候將蓄電池的電量集中供給起動(dòng)機。在設計純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)的時(shí)候定義ST擋為高壓上電擋位，高壓上電不需要蓄電池提供大電流，這樣就可以降低蓄電池的選型容量，或者用儲能型蓄電池替換起動(dòng)型蓄電池，進(jìn)一步降低蓄電池成本。
2.2　搭鐵分配設計
搭鐵分配設計在線(xiàn)束設計中是非常重要的，一旦搭鐵點(diǎn)分配不合理，就會(huì )導致電器件正常功能受到干擾失效。駕駛室搭鐵點(diǎn)采用的是焊接螺母，底盤(pán)車(chē)架搭鐵點(diǎn)是車(chē)架孔，通過(guò)鋸齒墊和搭鐵螺栓進(jìn)行搭鐵。
選擇搭鐵點(diǎn)時(shí)，弱信號傳感器應單獨就近搭鐵，以保證信號正常傳輸；各ECU應單獨搭鐵，重要安全件要進(jìn)行復式搭鐵，防止ECU被干擾；阻性負載和感性負載盡量分開(kāi)搭鐵。
2.3　三維線(xiàn)束布置
三維布線(xiàn)原則：①凡穿越金屬件孔或金屬棱角，線(xiàn)束必須有彈性護套管保護；②線(xiàn)束布置應沿邊、沿槽，防止線(xiàn)束直接承受壓力；③線(xiàn)束必須可靠固定，不允許有大于300 mm的懸空布線(xiàn)；④線(xiàn)束走向應盡量遠離高溫發(fā)熱物體，避免傳導熱和輻射熱的傷害；⑤運動(dòng)件、開(kāi)閉件間的線(xiàn)束要留足低開(kāi)度的長(cháng)度；⑥線(xiàn)束布線(xiàn)考慮工藝裝配順序和裝配的方便性；⑦需要考慮插接件的占用空間和對接操作空間；⑧無(wú)法實(shí)現雙手操作空間的部位，應將插接件一側做固定安裝，以便于單手操作。
3　高壓電氣系統設計
目前純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)的高壓電平臺為DC 600 V左右。高壓電氣系統是電動(dòng)汽車(chē)與傳統燃油汽車(chē)一個(gè)為顯著(zhù)的區別。高壓電氣系統設計有兩個(gè)重要點(diǎn)，一是高壓配電箱，二是高壓線(xiàn)束。高壓配電箱進(jìn)行車(chē)輛高壓電源分配，而高壓線(xiàn)束設計要考慮到大電流的流經(jīng)。
3.1　高壓配電箱
整車(chē)高壓電氣系統中，為了起到電源濾波作用，電機控制器會(huì )在直流母線(xiàn)端并聯(lián)電容。由于電容并聯(lián)在母線(xiàn)正負極兩端，當高壓電源接通時(shí)，電容上無(wú)電荷或只有很低的殘留電壓。當無(wú)預充電時(shí)，主接觸器KM+、KM-直接與電容接通，此時(shí)動(dòng)力電池組電壓有600 V高壓，而負載電容上電壓接近0，相當于瞬間短路，負載電阻僅僅是導線(xiàn)和接觸器觸點(diǎn)的電阻，一般小于20 mΩ。根據歐姆定律，瞬間電流為600/0.02=30000 A。接觸器KM+和KM-必損壞。高壓配電的核心思想就是電流緩沖以防止瞬間大電流對電器件造成損壞，因此其主要結構為預充電電路。典型的預充電電路如圖1［1］所示。

圖1　預充電電路
圖1中F為高壓熔斷器，KM+為母線(xiàn)正極主接觸器，KM-為母線(xiàn)負極主接觸器，KMp為預充電接觸器，R為預充電阻。預充電過(guò)程為：首先控制KM-接通，然后控制預充電接觸器KMp接通，整車(chē)控制器判斷預充電完成后接通主接觸器KM+，斷開(kāi)預充電接觸器KMp，這時(shí)高壓上電完成。還有一種簡(jiǎn)化的預充電電路，即圖1中沒(méi)有KMp接觸器。預充電電路在這里起到了限制電源接通瞬間對電容器充電電流的作用，以保護電器件不會(huì )因電容器瞬間的短路電流而損壞。
電壓上升表現為指數上升直到預充電過(guò)程完成，典型時(shí)長(cháng)約為1～2 s。圖2是實(shí)車(chē)預充電過(guò)程。由圖2可看出，電池使能后綠色信號線(xiàn)從0變?yōu)?之后，開(kāi)始預充電，黃色的母線(xiàn)電壓緩慢上升至檢測線(xiàn)時(shí)與電池電壓基本一致（有誤差存在）。從圖2中下方時(shí)間軸可看出預充電過(guò)程時(shí)間不到0.5 s。

圖2　實(shí)車(chē)預充電過(guò)程
3.2　高壓線(xiàn)束設計
高壓線(xiàn)束主要是用于從動(dòng)力電池組到高壓配電箱，高壓配電箱到各電力系統負載的動(dòng)力電傳輸回路連接，必須滿(mǎn)足電力系統負載的長(cháng)期載流量需求。以車(chē)輛額定電壓600 V、驅動(dòng)電機的額定功率為100 kW為例，電流大小約為100 kW/600 V=167 A。
目前，在高壓線(xiàn)束的設計和選型時(shí)，應根據長(cháng)期載流量需求來(lái)選定合適的電纜截面積。由于純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)電力系統負載的功率比較大，高壓線(xiàn)束選取的都是大線(xiàn)徑電纜。大線(xiàn)徑電纜柔韌性較差，會(huì )加大高壓線(xiàn)束在車(chē)輛上布置的難度。這就對高壓線(xiàn)束用的電纜選擇提出了更高的要求，在滿(mǎn)足車(chē)輛大電流通過(guò)需求時(shí)，線(xiàn)纜直徑要盡可能地小，以提高高壓線(xiàn)束的柔韌性，同時(shí)減小質(zhì)量和成本。
根據銅業(yè)協(xié)會(huì )（中國）編著(zhù)的有關(guān)《銅芯電線(xiàn)電纜載流量標準》推薦的載流量計算公式
I = A×Sm-B×Sn
式中：I——載流量，A；S——導體的標稱(chēng)截面積，mm2；A、B——系數，視電纜類(lèi)型和敷設方式而定；m、n——指數，視電纜類(lèi)型和敷設方式而定。
此處以驅動(dòng)電機控制器到動(dòng)力電機的3根母線(xiàn)為例進(jìn)行選型和計算。根據電纜基材選用聚乙烯基，截面積為50 mm2，3根電纜的敷設方式為在自由空氣中3根水平并列（室溫25℃），電纜高工作溫度為70℃。據上述條件，查表知，A=22，B=2.8×10-13，m=0.58，n=5.9，計算得到I=212 A。
根據動(dòng)力電機的額定功率為100 k W ，額定電壓為600 V，計算得額定電流為167 A。因此，所選電纜的載流量可以滿(mǎn)足電機母線(xiàn)上流過(guò)的電流需求。
4 車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )設計
網(wǎng)絡(luò )設計時(shí)，首先要明確車(chē)輛上都有哪些CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，比如哪些是基礎車(chē)型就有配置的且不能取消，哪些是電動(dòng)汽車(chē)需要增加的。陜汽燃油車(chē)車(chē)型，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般包括發(fā)動(dòng)機控制器、ABS、儀表以及天行?。兤_(kāi)發(fā)的監控終端）。電動(dòng)汽車(chē)*的有驅動(dòng)電機、動(dòng)力電池以及一些輔機系統。電動(dòng)汽車(chē)取消發(fā)動(dòng)機，為了保證動(dòng)力控制更可靠性能，將整車(chē)分為兩個(gè)網(wǎng)段，即動(dòng)力網(wǎng)段和車(chē)身網(wǎng)段，通信速率都為250 kb/s。根據GB/T 32960.3—2016電動(dòng)汽車(chē)遠程服務(wù)與管理系統技術(shù)規范的要求，主機廠(chǎng)要獲得車(chē)輛的生產(chǎn)資質(zhì)，車(chē)輛還應配備有遠程監控終端，因此車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )上還應有遠程監控終端節點(diǎn)。車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )拓撲如圖3所示。

圖3 車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )拓撲

表2 網(wǎng)絡(luò )通信節點(diǎn)及地址分配
車(chē)輛通信網(wǎng)絡(luò )涉及的通信節點(diǎn)及地址分配見(jiàn)表2。
圖3中，整車(chē)控制器有兩路CAN，作為BCAN和PCAN的網(wǎng)關(guān)。監控終端有兩路CAN，兩條CAN網(wǎng)段上的節點(diǎn)信息監控終端都可以直接采集。PCAN2上只有驅動(dòng)電機和整車(chē)控制器兩個(gè)節點(diǎn)，避免了其他節點(diǎn)的發(fā)送報文的影響。監控終端由于只有接收報文且優(yōu)先級都比較低，因此不良影響幾乎沒(méi)有，可以直接忽略。
5 結束語(yǔ)
本文主要介紹了純電動(dòng)重型載貨汽車(chē)的電氣系統設計過(guò)程中幾個(gè)重要的方面，是本人在設計過(guò)程中的淺見(jiàn)，希望專(zhuān)業(yè)人士提出寶貴意見(jiàn)。