淺析純電動重型載貨汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計

純電動重型載貨汽車相對燃油重型載貨汽車，整車動力域取消了發(fā)動機，增加了動力電池、驅(qū)動電機和輔機電源等。整車動力域由整車控制器來完成上層協(xié)調(diào)控制。電氣線束作為汽車的大動脈，為整車上所有電器件供電，傳輸各控制器的通信信號，保證了整車各項功能的正常運行。高壓電氣系統(tǒng)實現(xiàn)了高壓上下電、動力電池充放電傳輸、人員觸電防護等功能。本文將就純電動重型載貨汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計展開介紹。
1 電動汽車部件組成
首先對電動汽車增加的部件加以說明，見表1。

表1 電動汽車常用部件
目前電動汽車有兩個電壓平臺，分別是低壓電平臺和高壓電平臺。低壓電平臺和燃油車電平臺一致，額定電壓24 V。高壓電平臺是電動汽車特有的，純電動重型載貨汽車高壓電平臺電壓一般為600 V。電動汽車中驅(qū)動電機系統(tǒng)、電源變換器、電動空調(diào)、PTC都是在高壓電平臺下工作。
2 低壓線束設(shè)計
純電動重型載貨汽車低壓線束總成分為三大塊：駕駛室線束總成、車架線束總成和底盤線束總成。電動汽車電氣系統(tǒng)復(fù)雜，集成度高，涉及高壓、低壓電器件，電磁環(huán)境惡劣。純電動重型載貨汽車的低壓線束設(shè)計過程中，除了考慮重型載貨汽車運行中的苛刻路況條件（載重、震動、灰塵等）外，還應(yīng)重點關(guān)注電動汽車的EMC問題。
2.1　電源分配設(shè)計
低壓線束設(shè)計中，合理進行系統(tǒng)電源分配能提高汽車安全性。首先是常電配電設(shè)計，常電配電是將電器部件電源接口引至蓄電池直接取電，這類部件是在點火鑰匙從點火開關(guān)拔下后還需要進行數(shù)據(jù)記憶存儲、高壓下電流程執(zhí)行和常電工作負(fù)載待機。例如：整車控制器、電池管理系統(tǒng)、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(shè)計要求≤3 mA。
其次是ON擋配電設(shè)計，點火開關(guān)打到ON擋時，全車大部分電器部件都可以工作。在這個擋位，通常有IG1和IG2兩個觸點，兩個觸點的區(qū)別在于ST擋的時候IG1有電，IG2無電，燃油重型載貨汽車這種設(shè)計可以在起動發(fā)動機的時候?qū)⑿铍姵氐碾娏考泄┙o起動機。在設(shè)計純電動重型載貨汽車的時候定義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型蓄電池，進一步降低蓄電池成本。
2.2　搭鐵分配設(shè)計
搭鐵分配設(shè)計在線束設(shè)計中是非常重要的，一旦搭鐵點分配不合理，就會導(dǎo)致電器件正常功能受到干擾失效。駕駛室搭鐵點采用的是焊接螺母，底盤車架搭鐵點是車架孔，通過鋸齒墊和專用搭鐵螺栓進行搭鐵。
選擇搭鐵點時，弱信號傳感器應(yīng)單獨就近搭鐵，以保證信號正常傳輸；各ECU應(yīng)單獨搭鐵，重要安全件要進行復(fù)式搭鐵，防止ECU被干擾；阻性負(fù)載和感性負(fù)載盡量分開搭鐵。
2.3　三維線束布置
三維布線原則：①凡穿越金屬件孔或金屬棱角，線束必須有彈性護套管保護；②線束布置應(yīng)沿邊、沿槽，防止線束直接承受壓力；③線束必須可靠固定，不允許有大于300 mm的懸空布線；④線束走向應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高溫發(fā)熱物體，避免傳導(dǎo)熱和輻射熱的傷害；⑤運動件、開閉件間的線束要留足最低開度的長度；⑥線束布線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無法實現(xiàn)雙手操作空間的部位，應(yīng)將插接件一側(cè)做固定安裝，以便于單手操作。
3　高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計
目前純電動重型載貨汽車的高壓電平臺為DC 600 V左右。高壓電氣系統(tǒng)是電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車一個最為顯著的區(qū)別。高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計有兩個重要點，一是高壓配電箱，二是高壓線束。高壓配電箱進行車輛高壓電源分配，而高壓線束設(shè)計要考慮到大電流的流經(jīng)。
3.1　高壓配電箱
整車高壓電氣系統(tǒng)中，為了起到電源濾波作用，電機控制器會在直流母線端并聯(lián)電容。由于電容并聯(lián)在母線正負(fù)極兩端，當(dāng)高壓電源接通時，電容上無電荷或只有很低的殘留電壓。當(dāng)無預(yù)充電時，主接觸器KM+、KM-直接與電容接通，此時動力電池組電壓有600 V高壓，而負(fù)載電容上電壓接近0，相當(dāng)于瞬間短路，負(fù)載電阻僅僅是導(dǎo)線和接觸器觸點的電阻，一般小于20 mΩ。根據(jù)歐姆定律，瞬間電流為600/0.02=30000 A。接觸器KM+和KM-必?fù)p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(jié)構(gòu)為預(yù)充電電路。典型的預(yù)充電電路如圖1［1］所示。

圖1　預(yù)充電電路
圖1中F為高壓熔斷器，KM+為母線正極主接觸器，KM-為母線負(fù)極主接觸器，KMp為預(yù)充電接觸器，R為預(yù)充電阻。預(yù)充電過程為：首先控制KM-接通，然后控制預(yù)充電接觸器KMp接通，整車控制器判斷預(yù)充電完成后接通主接觸器KM+，斷開預(yù)充電接觸器KMp，這時高壓上電完成。還有一種簡化的預(yù)充電電路，即圖1中沒有KMp接觸器。預(yù)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，以保護電器件不會因電容器瞬間的短路電流而損壞。
電壓上升表現(xiàn)為指數(shù)上升直到預(yù)充電過程完成，典型時長約為1～2 s。圖2是實車預(yù)充電過程。由圖2可看出，電池使能后綠色信號線從0變?yōu)?之后，開始預(yù)充電，黃色的母線電壓緩慢上升至檢測線時與電池電壓基本一致（有誤差存在）。從圖2中下方時間軸可看出預(yù)充電過程時間不到0.5 s。

圖2　實車預(yù)充電過程
3.2　高壓線束設(shè)計
高壓線束主要是用于從動力電池組到高壓配電箱，高壓配電箱到各電力系統(tǒng)負(fù)載的動力電傳輸回路連接，必須滿足電力系統(tǒng)負(fù)載的長期載流量需求。以車輛額定電壓600 V、驅(qū)動電機的額定功率為100 kW為例，電流大小約為100 kW/600 V=167 A。
目前，在高壓線束的設(shè)計和選型時，應(yīng)根據(jù)長期載流量需求來選定合適的電纜截面積。由于純電動重型載貨汽車電力系統(tǒng)負(fù)載的功率比較大，高壓線束選取的都是大線徑電纜。大線徑電纜柔韌性較差，會加大高壓線束在車輛上布置的難度。這就對高壓線束用的電纜選擇提出了更高的要求，在滿足車輛大電流通過需求時，線纜直徑要盡可能地小，以提高高壓線束的柔韌性，同時減小質(zhì)量和成本。
根據(jù)國際銅業(yè)協(xié)會（中國）編著的有關(guān)《銅芯電線電纜載流量標(biāo)準(zhǔn)》推薦的載流量計算公式
I = A×Sm-B×Sn
式中：I——載流量，A；S——導(dǎo)體的標(biāo)稱截面積，mm2；A、B——系數(shù)，視電纜類型和敷設(shè)方式而定；m、n——指數(shù)，視電纜類型和敷設(shè)方式而定。
此處以驅(qū)動電機控制器到動力電機的3根母線為例進行選型和計算。根據(jù)電纜基材選用聚乙烯基，截面積為50 mm2，3根電纜的敷設(shè)方式為在自由空氣中3根水平并列（室溫25℃），電纜最高工作溫度為70℃。據(jù)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(jù)動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足電機母線上流過的電流需求。
4 車輛網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，首先要明確車輛上都有哪些CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，比如哪些是基礎(chǔ)車型就有配置的且不能取消，哪些是電動汽車需要增加的。陜汽燃油車車型，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般包括發(fā)動機控制器、ABS、儀表以及天行健（陜汽開發(fā)的監(jiān)控終端）。電動汽車必不可少的有驅(qū)動電機、動力電池以及一些輔機系統(tǒng)。電動汽車取消發(fā)動機，為了保證動力控制更可靠性能，將整車分為兩個網(wǎng)段，即動力網(wǎng)段和車身網(wǎng)段，通信速率都為250 kb/s。根據(jù)GB/T 32960.3—2016電動汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范的要求，主機廠要獲得車輛的生產(chǎn)資質(zhì)，車輛還應(yīng)配備有遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，因此車輛網(wǎng)絡(luò)上還應(yīng)有遠(yuǎn)程監(jiān)控終端節(jié)點。車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />
表2 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點及地址分配
車輛通信網(wǎng)絡(luò)涉及的通信節(jié)點及地址分配見表2。
圖3中，整車控制器有兩路CAN，作為BCAN和PCAN的網(wǎng)關(guān)。監(jiān)控終端有兩路CAN，兩條CAN網(wǎng)段上的節(jié)點信息監(jiān)控終端都可以直接采集。PCAN2上只有驅(qū)動電機和整車控制器兩個節(jié)點，避免了其他節(jié)點的發(fā)送報文的影響。監(jiān)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有，可以直接忽略。
5 結(jié)束語
本文主要介紹了純電動重型載貨汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中幾個重要的方面，是本人在設(shè)計過程中的淺見，希望專業(yè)人士提出寶貴意見。