適用于新能源公交車平臺化的高壓電氣架構研究

朱正禮

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

新能源公交車車型繁多，按照動力類型分，有混合動力、純電動、燃料電池車型；按照充電速率分，有快充和慢充；按照米段，6～18m均有相應的車型。因此在新能源客車高壓電氣架構設計時，需要綜合考慮整車功能、安全、成本、裝配、維保等各個方面的影響［1-4］。相較于傳統高壓電氣架構，本文提出了一種新的平臺化高壓電氣架構方案。

1 公交車平臺化高壓電氣系統功能需求

高壓電氣架構設計面臨最大的挑戰是滿足功能的需求［5］，在此基礎上要保證整車高壓安全，優化高壓部件的集成設計及在整車上的布置，以實現整車成本的最優。公交車高壓電氣架構的功能主要是保證電能的輸出與輸入，確保駕乘人員和汽車部件的安全運行。與乘用車不同，公交車所需的電池電量比較高，動力電池通常采用標準箱，多個標準箱通過串、并聯方式連接后給整車供電。整車上連接的高壓模塊主要有：動力電池、慢充接口、快充接口、BDU（電池高壓盒）、PDU （高壓配電盒）、MCU （電機控制器）、驅動電機、DCDC、轉向DC／AC、轉向泵、空壓機DC／AC、空壓機、空調、除霜器、燃料電池堆 （Fuel Cell）。公交車充電時間較長，由專人負責，只需要DCDC工作，為電池系統及遠程監控終端提供低壓電能，表1是公交車高壓部件工況分析。

2 高壓電氣架構設計

2.1 公交車高壓電氣架構的設計原則

新能源公交車的驅動方式相對單一，如都是后驅，區別主要在于功率、配置、儲能系統的布置位置。但是作為公共交通工具，充電是在專門的停車場由專人負責，維保的頻率更頻繁，對安全性、可靠性的要求更高。因此，除了電動車高壓電氣架構設計需要共同遵循的一些設計原則［2］及安全標準外［6-7］，公交車平臺化的高壓電氣架構需要滿足：①能夠涵蓋6～18m不同米段的功率和配置需求；②能夠滿足純電動、混合動力及燃料電池車型的配置需求；③需要滿足能源部件不同安裝位置的要求，如動力電池頂置、底置、后艙布置等；④盡可能減少高壓電氣接口的數量；⑤在滿足充電安全的前提下，盡可能減少專業充電人員的操作；⑥高壓部件的檢修及更換需要便于維修人員操作。

表1 公交車高壓零件工況

2.2 公交車傳統高壓電氣架構分析

圖1是公交車傳統高壓電氣架構，動力電池標準箱通過串、并聯方式連接到BDU（電池高壓盒）后，電能通過PDU（高壓配電盒）分配到各個用電部件。優點是：高壓部件都采用獨立的部件，布置非常靈活，并可以實現獨立的診斷和控制。缺點是：①每次充電時，主接觸器和預充電路都需要工作，需要工作的低壓控制模塊更多，如整車控制器等，功耗更高，同時，主接觸器和預充電路壽命受到影響；②獨立部件占用的空間更大、高壓接口更多、高壓線束布置更復雜，裝配、維修更不方便，故障點更多，整車質量更大；③成本高，各獨立部件都需要熔斷絲保護，高壓連接器及高壓線束更多。

圖1 公交車傳統高壓電氣架構

2.3 公交車平臺化高壓電氣架構設計

圖2 為平臺化高壓電氣架構，與傳統高壓電氣架構的主要區別在于以下幾點。

圖2 公交車平臺化高壓電氣架構

1）獨立的充電控制策略。電能從BDU出來后，一路通過PDU分配給各個高壓部件，另一路連接到DCDC。整車充電時，DCDC接觸器和預充電路工作，DCDC給能源管理系統和遠程監控終端供電，整車上其他的電氣部件不工作，提高了主接觸器和預充電路壽命及整車充電安全性，降低了能耗。同時，充電工充電時，不需要閉合整車低壓電源總開關，減少了充電操作步驟，并避免了充電后遺忘斷開電源總開關而導致蓄電池虧電的風險。

2）高壓附件集成控制策略。PDU、DCDC、轉向DCAC和空壓DCAC集成為一個高壓部件ACU：占用空間更小、高壓接口更少、高壓線束布置更簡單，故障點更少，裝配、維修更方便，整車質量更輕，成本更低。

3）統一的安全監控策略。ACU采用一塊控制板加多塊功率板的方式集成設計，對外作為一個通信及網絡節點，降低了網絡復雜度；ACU控制主接觸器及預充電路、DCDC接觸器及預充電路，統一管理整車高壓電氣的上、下電流程，監控所有部件的主動放電過程。

圖3是采用平臺化高壓電氣架構后的整車后艙布置圖，主要高壓部件ACU、BDU和MCU布置在后艙，非常便于維護。ACU布置空間減小50%，高壓接點減少15個，減重40% （集成前獨立部件總質量為45kg左右，而ACU的質量為28kg），降本4300多元。同時，從原來裝配多個零件變為只需要裝配一個零部件，提升生產裝配效率300%。

圖3 優化后整車后艙布置圖

3 結束語

本文針對新能源公交車電氣架構的功能需求及高壓部件的運行工況，分析了公交車傳統高壓電氣架構存在的問題。通過獨立充電、高壓部件集成及統一安全監控等策略，設計了一種公交車平臺化高壓電氣架構。研究結果表明，該電氣架構從占用空間、質量、故障點、能耗、安全性、成本等方面都有很大的優點，非常適用于公交車平臺化推廣。