一種新型純電動客車充電配電控制系統

劉景凱, 張景濤, 裴崇利, 韓經魯, 李明超

(中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000)

目前純電動相關技術日趨成熟[1],純電動客車充電過程的配電控制方案有多種形式,加之海外市場為非國標充電接口,這使得電動客車充電的控制方案更加多樣化[2]。本文在分析純電動客車現有充電配電控制方案的基礎上,介紹一種新型的充電配電控制系統。該系統不僅能解決目前純電動客車充電過程中存在的問題,還能兼容國標及非國標充電接口,保證整車用電安全,為純電動客車充電配電控制設計提供一種思路。

1 純電動客車充電配電控制的典型形式

純電動客車一般都有手動機械電源開關,車輛在無人使用時,手動機械電源開關應為斷開狀態,從而將整車供電電路切斷,所有部件均為斷電狀態,確保用電安全可控[3-4]。

1.1 純電動客車充電時電器部件工作描述

根據國標要求和從安全角度考慮,純電動客車在充電時,遠程監控終端應從車輛上采集整車及各個部件的有關數據[5],這些數據包含車輛狀態、充電狀態、運行模式、車速、累計里程等[6]。根據以上數據采集需求,充電過程中需工作的部件應有組合儀表、遠程監控終端、整車控制器、集成電源、電池管理系統(BMS)等。其主要工作內容如下:組合儀表發送車速、里程等信息給CAN網絡;遠程監控終端記錄并存儲整車的數據;整車控制器發送整車信息(車輛狀態、運行模式等)報文給CAN網絡;集成電源帶DC/DC模塊,可將高壓電池高壓直流電轉為低壓24 V直流電,給整車提供24 V電源[7-8];BMS發送高壓電池狀態報文給CAN網絡,同時,BMS也帶小型DC/DC模塊[9],一般用于喚醒BMS及高壓配電箱工作。

國標充電槍具備低壓輔助充電電源[10],高壓電池與充電槍充電連接確認后,此輔助充電電源有輸出。歐標充電槍不具備輔助充電電源,一般需外設充電開關,用于控制充電狀態。

目前市場上的充電配電控制技術方案繁多,各有利弊,典型的方案主要有以下2種。

1.2 方案一及其優缺點

車輛充電時,手動機械電源開關開啟,鑰匙處于ON擋,整車所有電器部件均處于工作狀態,完成充電后,再由人員關閉ON擋及手動機械電源開關。

該方案的優點是結構簡單,無需額外設置配電線路及控制模塊,缺點是需要專人現場維護。因夜間電價便宜,電動客車夜間充電可節省電費,獲得較大經濟效益[11]。但該方案需專人進行充電的實時監管,無法滿足人性化要求,充電過程中工作部件較多,需要靠人員經常巡檢來控制充電安全,無法有效規避安全隱患,一旦發生故障,難以及時發現,且有潛在風險,如在充電過程中誤操作啟動鑰匙,可能會損壞高壓接觸器,從而影響整車安全。

1.3 方案二及其優缺點

該方案不需要人為操控手動電源開關及ON擋開關,手動電源斷開即可實現充電控制,但需配置單獨的充電模式控制模塊來控制充電過程。

如圖1所示,充電模式控制模塊在收到充電信號時,通過對整車報文信息及充電信息的判斷,內置DC/DC變換器將高壓電池高壓電轉換為24 V低壓電,進而輸出電源喚醒充電時需要工作的部件。

圖1 帶充電控制模塊充電系統簡圖

該方案的優點是控制方便可靠,充電后自動斷開電路,無需人工管理。缺點是需要設置單獨的控制模塊及線路,整車成本增加;整個系統結構復雜,不易檢修,成本高,可靠性差,可配置性差,維修時需整體更換模塊,使用成本較高。

2 一種新型的充電配電控制系統

為解決目前技術方案多、運營維護繁瑣、結構復雜、不夠人性化、造價成本高等問題,本文特提出一種新型技術方案,可替代以上方案,實現更優化的控制。

2.1 新型充電控制系統架構

該新型架構(如圖2所示)以簡單實用的繼電器、保險等電路構建配電控制模塊,充分利用純電動客車部件的工作特點及優勢,實現配電過程中精確有效的配電管理。

圖2 新型充電控制系統架構

該系統以配電控制模塊為核心,進行充電過程中的配電控制,國標充電槍輔助電源或歐標充電槍充電開關只控制高壓電池自帶DC/DC模塊,高壓電池正常充電后才輸出24 V低壓電,避免充電槍輔助電源因輸出電壓低或功率小而無法喚醒部件問題,實現更精確的充電控制。同時結構簡單明了,便于檢修維護,性價比高。

2.2 新型充電控制系統工作原理

如圖3所示,設置以上配電盒部分,DC/DC設置在手動機械開關后;蓄電池正極設置在手動機械開關前;歐標充電開關設置在手動機械開關前,與蓄電池正極線并接;在集成電源工作電路上設置繼電器K1,在儀表工作電路上設置繼電器K2,在遠程終端工作電路上設置繼電器K3,在整車控制器喚醒電路上設置繼電器K4,將點火電源與繼電器K4連接,實現整車控制器喚醒電與點火電源的連接。

圖3 新型充電控制系統工作原理

1) 純電動客車在充電過程中,手動機械開關S1是處于斷開狀態,即低壓電池與整車供電斷開,保證車輛在無人值守且高壓充電中,車輛其他設備不工作,降低能耗的同時,確保整車用電安全。

2) 車輛處于高壓啟動狀態時,手動機械開關S1處于閉合狀態,集成電源DC/DC給整車提供電源,同時給低壓電池進行充電。此時,繼電器K1、K2、K3、K4均為常閉觸點,集成電源、儀表、遠程終端、整車控制器等均可進行正常工作。

3) 由國標充電槍對車輛進行充電時,國標充電槍輸出的輔助電源進入電池管理系統,由電池管理系統的DC/DC模塊輸出24 V電源給充電電源D11供電;歐標充電槍對車輛進行充電時,由于歐標充電槍不具備輔助電源輸出功能,此時,需閉合單獨設置的充電開關,由24 V低壓電池提供電源給高壓電器箱,再由電池管理系統的DC/DC模塊輸出24 V電源給充電電源D11供電。

4) 車輛正常充電后, K1、K2、K3繼電器吸合,由D11給集成電源工作電D4、儀表工作電D5、遠程終端工作電D6、整車控制器工作電D7、整車控制器喚醒電D8供電,通過充電電源D11給儀表充電喚醒電D9、遠程終端充電喚醒電D10供電,儀表、遠程終端、整車控制器的工作電和喚醒電有電,此3個部件均正常工作;集成電源的工作電D4有電,集成電源DC/DC正常工作,可為整車提供24 V電源[12]。

2.3 新型充電控制系統優缺點

2.3.1 新型充電控制系統優點

1) 結構簡易可靠,既可集成也可單獨設置在配電盒中,通過繼電器回路即可實現復雜的充電過程控制,節省人工,安全有效,維護維修簡單。

2) 集成了國標充電、歐標充電槍充電配電控制,形成了統一的技術路線,實現了充電過程低壓配電控制系統的兼容適應性。

3) 規范了高壓電池充電過程中各電器部件的工作狀態,有效利用了各電器部件的工作性能及特點,實現了充電狀態信息的有效保存,有利于車輛安全狀態的維護。

4) 定義了充電過程中的低壓配電控制邏輯,提供了一種標準化的充電過程控制技術路線,實現了電器部件的集中精確有效控制。

2.3.2 新型充電控制系統缺點

1) 無法實時判斷充電過程中各部件的工作狀態,需經常檢查繼電器及線路是否正常。

2) 充電過程過度依賴于高壓電池自帶DC/DC模塊,若DC/DC模塊損壞或功率輸出不足,將無法正常充電。

3)該控制系統無自檢功能,如損壞需逐個排查線路板、繼電器等,耗時耗力。

3 結束語

本文提出了一種新型純電動客車充電控制系統方案,該方案結構簡單且便于維護保養,無需增加更多額外的成本,可根據實際需求集成或單獨設置在配電盒中,可實現與不同配電要求的匹配兼容,更大地發揮了通用性、復合性。