純電動低速物流重型汽車電氣系統的開發

秦振海，李司光，李雋杰

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710043；2.總裝備部車船軍代局陜汽軍代室）

低速物流重型汽車 （傳統內燃機）運行工況為頻繁起步、停車，運輸里程短，停靠時間短暫，工作周期比較頻繁，再因車速低而發動機運轉處于非經濟區，造成能源的浪費。純電動低速物流重型汽車使用電容作為能量源，是一種節約資源、無污染的零排放汽車。另外，電動機驅動噪聲小、易于控制，可以獲得良好的穩態特性和實現四象限 （再生制動）的運轉，沒有復雜的傳動系統和機械式的逆轉裝置。

1 總體方案

1.1 設計方案

低速物流重型汽車的運行工況特點是車速低、頻繁起步停車、運輸里程短、工作周期比較頻繁，因此樣車的設計采用純電動。其能源系統采用超級電容；傳動系統除了去掉變速器，采用大速比驅動橋外，與傳統車無區別；驅動系統采用永磁同步電機。整車整體布置情況如圖1所示。

1.2 整車技術指標參數 （表1）

表1 整車技術指標參數

2 電氣系統

2.1 電氣系統的組成

該電動汽車的電氣系統主要包括低壓電氣系統、高壓電氣系統和整車網絡化控制系統。高壓電氣系統主要由動力電容、驅動電機和功率變換器等大功率、高電壓電氣設備組成，根據車輛行駛的功率需求，實現從動力電容到驅動電機的能量變換與傳輸過程。低壓電氣系統采用24V電源，一方面為燈光、刮水器等車輛的常規低壓電器供電，另一方面為整車控制器、高壓電器設備的控制電路和輔助部件供電。各種電器設備的工作統一由整車控制器協調控制。其電氣系統的結構原理如圖2所示。

2.2 電氣系統的設計

2.2.1 驅動電機選擇原則

驅動電機是整個車輛的核心部分，電機性能的好壞直接影響整車的性能。驅動電機選擇的原則是滿足車輛控制技術 （牽引力控制技術），確保電機具有足夠的驅動力矩和最緊湊的結構尺寸。

2.2.2 驅動電機參數選擇

1）驅動電機功率的選擇

車輛行駛所需的功率全部由電動機提供，驅動電機的功率選擇必須滿足最高車速的需求。車輛以一定車速在水平路面上行駛時所需功率的計算公式為

式中:f——在良好路面上的滾動系數，f取0.014；CD——空氣阻力系數，CD取0.7；A——迎風面積，A為6.58；vm——最高車速，vm為60；m——整車質量，m為25000； ηT——傳動效率， ηT=0.98×0.92×0.85。

計算得電動機功率Pe1=91.65 kW，即當車輛以60 km/h的速度行駛在水平路面上所需要的功率為91.65kW。

車輛以一定速度在一定坡度上行駛時所需功率的計算公式為

式中:f=0.014；CD=0.7；A=6.58；vm——在αmax坡度上的最高車速，取vm=15；m=25000；αmax——最大爬坡度， αmax=5.71； ηT=0.98×0.92×0.85。

計算得電動機功率Pe2=151.35 kW，即當車輛以15 km/h的速度爬10%的坡度時所需要的功率為151.35kW。

因此，驅動電機的功率需要滿足如下關系:P≥max{Pe1， Pe2}。

2）驅動電機轉矩的選擇

驅動電機的最大轉矩通常根據車輛的最大爬坡度來進行計算，根據設計指標，車輛以15km/h的速度爬10%的坡度，其所需轉矩的計算公式為

式中: f=0.014； CD=0.7； A=6.58； vm=15； m=25000； αmax=5.71；r——輪胎滾動半徑，r=0.517；i0——驅動橋的速比，i0=9.49。

計算得電動機轉矩為Ttq=1978.87Nm，即當車輛以15 km/h的速度爬10%的坡度時所需要的轉矩為1978.87Nm，因此驅動電機的轉矩應滿足T≥Ttq。

2.2.3 驅動電機型號選擇

根據以上計算結果，選用一款滿足性能要求的永磁同步電機，其電機外特性曲線如圖3所示，基本參數見表2。

表2 電機基本參數

2.2.4 整車電氣系統耗電量的計算

1）勻速法

按照國家標準GB/T 18386—2005《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》的要求，電機百公里耗電量的計算公式為

根據上述計算公式，車速在20、30、40、50、60 km/h時，電機百公里耗電量分別為:127、131、135、 144、 153度。

考慮外部設備5kW，百公里耗電量分別為:25、16.5、 12.5、 10、 8.3度， 再考慮電機效率0.85， 所以，整車在20、30、40、50、60km/h時，百公里耗電量分別為:156、150、150、156、163度。折合成為整車需要8公里的續駛里程時，在20、30、40、50、60km/h時所消耗的電量分別為12、12、12、12、13度。

2）工況法 （6工況法）

根據國家標準規定的由4個市區循環和2個市郊循環組成典型的試驗循環進行計算，典型的工況法見圖4。

根據工況法，計算百公里電機耗電量為123度。

注意:計算加速時，考慮到加速引起的慣性及旋轉慣量因素；減速時未考慮此項，也未考慮到能量回收，考慮外部設備和電機效率，百公里耗電156度。折合成為整車需要8公里的續駛里程所消耗的電量為12度。

因此，根據上述兩種典型的方法進行計算，所需動力電池的儲能輸出能量為12度電便可滿足設計續駛里程。

2.2.5 動力電池的選型

根據該車型自重大、使用頻度高、大電流充放電、充放電的頻繁性以及要求充電時間短的特點，通過與鋰離子電池的特性相對比，超級電容器是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈沖功率的物理二次電源。它是一種電化學元件，在電極與電解液接觸面間具有極高的比電容和非常大的接觸表面積，但其儲能的過程并不發生化學反應，并且這種儲能過程是可逆的，反復充放電數十萬次。充電10s～10min即可達到其額定容量的95%以上。基于以上優勢，該車采用上海奧威科技公司開發的具有完全自主知識產權的UCE15V80000F能量型超級電容器作為動力源。所選能量型超級電容器的參數見表3。

表3 超級電容的相關參數

3 電路原理及附件

3.1 高、低壓電路原理

該型電動汽車低壓系統主要由24 V蓄電池 （低壓電源）、儀表系統、刮水器和各種控制器等組成。其24V蓄電池 （低壓電源）則由超級電容通過DC/DC功率變換器來充電。為了節省能源，對于大功率的電器子系統 （如轉向油泵動力電機、空氣壓縮機動力電機、空調壓縮機動力電機）均采用高壓供電。

圖5為高、低壓電路原理圖。24V低壓電氣系統由高壓超級電容通過DC/DC功率變換器為其充電，而高壓動力超級電容通過充電弓進行充電。

3.2 電線設計原則

3.2.1 高壓直流電線的設計

1）電流熱效應

對于組裝成電線束的高壓直流絕緣電線，應考慮電流熱效應和散熱因素，其允許電流與溫度，散熱阻力有如下關系，即流過導體的電流熱效應應小于導體本身的散熱能力

式中:I——允許電流，A；r—— 導體電阻，Ω/cm；T1——導體最高工作溫度，℃；T2——環境溫度， ℃；R——熱阻， ℃/（W/cm）。

在溫度為T1時的導體電阻rT1=r20[1+0.00393（T1-20）]， 其中r20為20℃時導體電阻。

熱阻R按下式計算:R=R1+R2，其中R1為絕緣體熱阻；R2為表面散熱阻力。

式中:P1——特性熱阻 （乙烯基的P1值為600；聚乙烯的P1值為450）， ℃/（W/cm）；d1——導體外徑，mm；d2——絕緣體外徑，mm。

式中:P2——電線表面散熱阻力熱阻 （d2≤12.5mm時， P2=300+32d2；d2＞12.5mm時， P2=700） ，℃/（W/cm）。

現高壓主回路選用70 mm2聚乙烯電線，根據上述公式進行核算， R1=（P1/2 π）l o g（d2/d1）， 其中P1=450、 d1=18 mm、 d2=19.6 mm， 計算得到R1=2.65；R2=10 P2/πd2， 其中P2=700、 d2=19.6 mm， 計算得到R2=113.68。 則根據R=R1+R2， 得到R=116.33。

電線最高工作溫度為70℃，其導體電阻rT1=r20[1+0.00393（T1-20）]， 其中r20=0.00000277Ω/cm、 T1=70℃， 計算得到rT1=0.0000033Ω/cm。

經驗算， 0.0769＜0.3868， 所選電線滿足使用要求。

3.2.2 高壓交流電線載流量的計算

此處以動力電機控制器到動力電機的3根母線為例進行選型和計算。根據電線基材選用聚乙烯基，截面積為50mm2，3根電線的敷設方式為:在自由空氣中3根水平并列 （室溫25℃），電線最高工作溫度為70℃。

根據國際銅業協會 （中國）編著的有關 《銅芯電線電纜載流量標準》推薦的載流量計算公式，電線載流量的公式為

式中:I——載流量，A；S——導體的標稱截面積，mm2；A、B——系數，視電線類型和敷設方式而定；m、n——指數，視電線類型和敷設方式而定。

根據上述條件， 查表知， A=22， B=2.8×10-13，m=0.58， n=5.9， 計算得到I=212A。

根據動力電機的額定功率為100 kW，額定電壓為600 V，計算得額定電流為167 A。因此，所選電線的載流量可以滿足電機母線上流過的電流需求。

3.3 熔斷器設計、選型原則

熔斷器又稱保險絲，它主要用一種低熔點的金屬絲或金屬薄片支撐，將它串在被保護的電路中，在正常情況下，它相當于一根導線，在發生過載或短路時，電流過大，金屬絲 （或薄片）便因過熱熔化而把電路切斷。因此，在回路中安裝熔斷器是必要的。熔斷器選擇應滿足如下條件。

1）電壓要求

安裝熔斷器的回路，其額定線電壓Uex不應超過熔斷器的額定電壓Uer， 即Uex≤Uer， 可知， Uer≥600V。

2）電流要求

熔體額定電流應按照回路的正常運行情況和起動情況選擇，并按照短路電流校驗其靈敏度。

按照回路的正常運行情況，熔體額定電流Ier不應小于回路計算電流Ic，即Ier≥Ic，可知Ier≥167 A。

按照回路的起動情況，熔體額定電流Ier不應小于回路起動過程中的電流Iq，即

式中:Ier——熔體額定電流；Iq——回路中的起動電流，Iq=333A；a——系數，決定于起動狀況和熔斷器的特性，a=3.5；Kp——熔斷器的靈敏度，Kp=4。

計算得到Ier≥381 A。根據以上參數的計算，選擇Bussmann公司的FWP型的400A熔斷器，其耐電壓最高為700V。

3.4 直流接觸器

直流接觸器是一種適用于遠距離頻繁接通和分斷、額定電壓為1200 V及以下的直流主電路及大容量控制電路的電器。該直流接觸器由電磁機構、觸點系統和滅弧裝置三大部分組成。

1）電磁機構

直流接觸器電磁機構由鐵心、線圈和銜鐵等組成，多采用繞棱角轉動的拍合式結構。由于線圈中通的是直流電，正常工作時，鐵心中不會產生渦流，鐵心不發熱，沒有鐵損耗，因此鐵心常用鑄鋼制成。由于鐵心中磁通恒定，因此鐵心極面上也不需要短路環。為了保證銜鐵能可靠釋放，常需要在鐵心與銜鐵之間加非磁性墊片，以減小剩磁的影響。該直流接觸器采用串聯雙繞組線圈，如圖6所示，接觸器的一個常閉觸點與保持線圈并聯。在電路剛接通瞬間，保持線圈被常閉觸點短路，可使啟動線圈獲得較大的電流和吸力。當接觸器動作后，常閉觸點斷開，啟動線圈和保持線圈串聯通電，由于電壓不變，因此電流較小，仍可保持銜鐵被吸合，達到省電和延長線圈使用壽命的目的。

2）觸點系統

直流接觸器有主觸點和輔助觸點。主觸點為單極，由于觸點接通或斷開的電流較大，故采用滾動接觸的指形觸點。輔助觸點的通斷電流較小，采用點接觸的雙斷點橋式觸點。

3）滅弧裝置

由于直流電弧不像交流電弧有自然過零點，直流接觸器的主觸點在分斷大電流 （直流電路）時，滅弧更困難，往往會產生強烈的電弧，容易燒傷觸點和延時斷電。為了迅速滅弧，采用永久磁鐵磁吹式滅弧裝置，并裝有隔板和陶土滅弧罩。

本車設計中采用美國Tyco公司的EV200和EV100型直流接觸器，其具體參數見表4。

表4 EV200和EV100型直流接觸器的參數

4 CAN網絡設計

CAN網絡的整體設計主要是節點及各節點所需的通信內容的確定。這是CAN網絡設計的第1步。只有CAN網絡節點及通信內容確定之后才能進行協議的選擇、ID的分配等步驟。CAN節點的確定是基于純電動重型汽車總體結構設計的，取決于在整體設計中確定的功能部件。節點確定之后要繪制出各節點的信息圖，即各節點要往總線上發送的信息、收到的信息及所收信息的源節點。表5給出了該純電動重型汽車各節點的收發信息。當所有節點的收發信息都確定好之后，估算出所需CAN信息幀的數目。

表5 該純電動重型汽車各節點之間的發送和接收信息

4.1 網絡拓撲結構

該純電動重型汽車網絡主要由整車控制器VMS、電機控制器MCS、電容控制器CPS、車身控制器CU、組合儀表IC組成 （圖7）。VMS接收各個ECU的工作參數，根據這些參數計算出當前經濟的工作模式和各個ECU的目標工作參數，并把這些打包成控制命令發送給各個ECU。同時，該網絡還具備較強的錯誤診斷功能，對錯誤進行分級，并采取相應措施。

整車通信網絡涉及的通信節點源地址分配見表6。

表6 通信節點源地址分配表

4.2 傳輸速率與位定時

1）動力A子網 總線傳輸速率:250kb/s；采樣位置:75%；同步跳轉寬度:3；填充格式:Intel。

2）車身B子網 總線傳輸速率:250kb/s；采樣位置:75%；同步跳轉寬度:3；填充格式:Intel。

4.3 網絡報文結構圖

該純電動重型汽車通信協議是以SAEJ1939為基礎制定的，形成本單位自己的通用編碼系統。表7為29位標識符 （ID）的分配表。

其中，優先級為3位，可以有8個優先級；R一般固定為0；DP現固定為0；8位的PF為報文的代碼；8位的PS為目標地址或組擴展；8位的SA為發送此報文的源地址。特定PDU （PS），其具體意義由PF域的值決定: 若PF域的值在0到239之間 （PDU1），PS域中包含的是目的地址；若PF域的值在240到255之間（PDU2），PS域中包含的是PF的群擴展。

表7 29位標識符 （ID）的分配表

4.4 報文信息格式詳解

鑒于該純電動重型汽車各節點之間通信協議報文信息量較大，現以具有代表性的電容控制器（CPS）為例，說明各個字節中每一位所代表的信息，如表8所示。

表8 每一個字節中的每一位代表的含義

1）報文數據信息 刷新率:100 ms；數據長度:8字節；數據頁:0；PF:255；GE:227；優先級: 6； PGN: 65507。

2）SPN523780～523787超限報警狀態類型 00-:正常 （不報警）；01-:超限報警激活；10-:保留；11-:信號不可信 （監測回路故障）；位長:2位；類型:狀態值。

3）SPN523788最高溫度或SPN523789最低溫度的狀態值 長度:1字節；分辨率:1℃／b，從-40℃開始計算；范圍:-40～85℃；類型:測量值。

4）SPN523790詳細溫度的狀態值 長度:2字節；分辨率:0.1℃／b，從-40℃開始計算；范圍:-40～85℃；類型:測量值。

5）SPN523791詳細電壓的狀態值 長度:2字節；分辨率:1mV／b，從0開始計算；范圍:0～8V；類型:測量值。

該純電動重型汽車實車圖如圖8所示。通過對該車路試及可靠性測試，其各電氣子系統工作運行良好，未出現電線過熱，熔斷器意外熔斷等現象。對CAN節點進行了總線網絡仿真分析和實車測試，結果表明:網絡節點功能分配合理，網絡負載率不超過35%，實現報文可靠、實時地進行傳輸，誤碼率不到2‰，使測控系統的準確性、可靠性、實時性以及測試效率得到很大的提高。

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