增程式電動公交電氣系統設計

鄒利寧，唐鍵

（西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司，陜西 西安 710043）

增程式電動公交電氣系統設計

鄒利寧，唐鍵

（西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司，陜西 西安 710043）

本文從低壓電氣、高壓電氣和CAN總線設計三方面對增程式電動公交電氣系統設計做簡要分析。

增程式電動客車；電氣系統；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上，增加一套增程器，綜合了純電動車零污染和混合動力車續駛里程長的優點。增程式電動公交電氣系統作為整車核心系統之一，設計是否合理直接影響整車電器裝置功能、控制通信質量和電安全性。

1、低壓電氣系統設計

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中具有舉足輕重的作用，是整個低壓電源系統的核心零部件。圖1表明DCDC在整車低壓電氣系統中的位置。歸納起來，DC/DC主要實現以下功能：

（1）高壓系統上電后，DC/DC為整車低壓負載供電；

（2）DC/DC與24V蓄電池并聯，為蓄電池充電，保證車輛正常啟動；

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

根據車輛行駛過程中電氣設備用電時間長短和使用頻率計算總功率：

式中：P——整車低壓用電設備總功率，kW；

Pi——第i個用電設備功率，kW；

μi——第i個用電設備的使用頻度系數。

某12米增程式電動公交客車整車電器設備用功率如表1所示。

根據式（1）中的分析計算，整車電器設備總功率為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計表

1.2 低壓線束設計

如果把汽車的機械結構必做骨架，那么線束無疑就是汽車的神經網絡系統。線束設計的好壞直接影響汽車各個電器設備工作狀態，同時也影響著整車的工作可靠性和經濟性。對于增程式電動車而言，增加了ISG電機和輪邊電機系統，同時還有冷卻系統ECU等控制器，因此線束設計更多的要考慮控制器之間信號傳遞的可靠性，因此線束設計要考慮密封性和電磁屏蔽性能。

1.2.1 基本原則

電動車低壓線束設計與傳統車輛線束設計類似，需要遵循以下基本原則：

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

（2）用電設備并聯連接；并聯連接，可保證每個用電設備獨立正常工作。

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

1.2.2 低壓線束結構設計

為了便于線束的設計、加工和布置裝配，增程式電動公交線束設計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，以實現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，可以總結出增程式電動汽車線束結構設計的幾個顯著特點：

（1）依據電器裝置和總成位置進行模塊設計，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）依據系統功能進行設計，如ABS系統線束為獨立的線束，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行對接。

2、高壓電氣系統設計

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

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，結合表2-1可以看出高壓配電箱包括高壓熔斷器、預充電電阻和接觸器等部件，是高壓系統的控制和安全核心，歸納起來主要實現以下幾個方面的功能：

（1）根據車輛運行狀態或駕駛員操作指令，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，轉向助力和制動助力高壓回路，以及空調暖風回路。

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

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

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

2.2 絕緣監測儀

2.2.1 電動汽車高壓絕緣問題

電動汽車的高壓電系統與底盤之間沒有直接的電氣連接，即高壓用電設備與底盤之間是絕緣的，這是一種不接地系統。不接地系統的優點：系統發生單點對地故障時，系統電力供應不會中斷。 直流高壓系統的電纜絕緣介質老化或受潮濕環境等因素影響都會導致高壓電氣系統和車輛底盤之間的絕緣性能下降，電源正極或負極引線將通過絕緣層和底盤之間構成漏電回路，使車輛底盤電位上升，影響低壓電氣和電機控制器的正常工作，危機駕乘人員的人身安全。當車輛高壓電路和底盤之間出現發生多點絕緣性能下降時，會產生熱量積聚效應，嚴重時會引起電氣火災。

因此實時監測高壓電氣系統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的核心內容，對乘客安全和車輛安全運行具有重要的意義。在整車設計時必須考慮對高壓絕緣監測進行專門設計！

2.2.2 絕緣監測設備設計原則

（1）絕緣監測設備連接在高壓系統和地之間，應能實時在線動態監測系統對地絕緣阻值。

（2）當系統對地的絕緣阻值降至預先設定的響應值時，絕緣監視設備應能輸出報警信。

（3）絕緣故障可能發生在任何位置，絕緣檢測設備應可以響應發生在任何位置絕緣故障。

3、CAN總線網絡設計

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，并結合經CAN總線取得的電機、電池組狀態參數，進行轉矩、能量管理計算，通過CAN總線向電機發送轉矩等操作指令。電池管理系統(BMS)將動力電池的溫度、電壓、充放電電流、SOC等參數通過CAN總線發給總線儀表，總線儀表實時顯示SOC、電壓、電流等參數。

如表3-1和圖3-1，為增程式公交CAN總線網絡拓撲結構圖表。為了保證CAN總線通信質量和效率，CAN網絡設計時應該考慮以下原則：

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

（2）為了保證通信質量，降低錯誤幀數量。節點分布應考慮子網通信負載率，合理負載率應不超過40%；

（3）CAN總線物理線束應采用屏蔽雙絞線制作，屏蔽層應合理接地。

表3-1 CAN總線網絡節點匯總表

4、結束語

本文從低壓電氣、高壓電氣和CAN總線網絡三個方面對增程式電動公交電氣系統設計進行簡要分析。重點討論了低壓系統電源設計、DCDC電源變換器選型設計和線束設計的一般原則和方法；高壓電氣系統高壓配電箱設計和與安全相關的絕緣監測儀設計以及CAN總線網絡設計中應該遵循的一般原則。

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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開發有限公司，從事汽車電氣設計工作。