B50EV低壓電氣系統改進設計

徐東平，白國軍，林菁,葛亮

(廣東省珠海市質量計量監督檢測所，廣東珠海 519000)

0 引言

B50EV是在傳統車基礎上，通過搭載驅動電機和動力電池面向北方“私人購車補助”計劃而開發的一款純電動轎車，滿足北方示范運行需求。

汽車電氣系統是現代汽車的重要組成部分，對整車電氣系統進行設計研究具有重要的實際意義及應用價值[1]。傳統車整車電氣系統主要包括：電源系統，點火系統，儀表系統，信號系統，照明系統，輔助系統，電子控制系統等子系統。純電動車整車電氣系統主要是在傳統車基礎上改進電源系統、儀表系統和電子控制系統，新增動力電池系統、動力電機系統、充電系統和整車控制系統，動力拓撲圖見圖1。

圖1 B50EV動力系統拓撲

電氣系統改進設計目標[2]：解決B50EV搭載車在試制試驗中出現的問題，建立完善的低壓電氣系統，匹配全新的電驅動系統，滿足各新增總成的配電需求及整車網絡通信需求，實現電氣高低壓產品自主、資源可控。

1 搭載車電氣問題解決

搭載車存在的主要電氣系統問題包括：慢充口蓋喚醒開關頻繁失效，導致充電喚醒繼電器無法吸合；或繼電器一直保持吸合狀態無法斷開，車輛無法Ready；充電時使用車載充電機通過二極管盒給低壓系統供電，方案存在問題等。

1.1 慢充口蓋喚醒開關接觸不良問題

1.1.1 問題描述

搭載方案的VCU充電喚醒是通過慢充口蓋喚醒開關驅動的繼電器給VCU輸入高電平信號使其喚醒并進入充電狀態(如圖2所示)。當喚醒開關機械結構失效保持彈出狀態無法收回時，繼電器始終吸合，VCU也進入充電狀態，點火開關啟動時車輛無法正常啟動。當喚醒開關無法彈出時，無法喚醒VCU，無法充電。

圖2 搭載方案充電喚醒示意

1.1.2 問題分析

應用碰頭開關的機械結構給VCU發送充電喚醒信號，會因開關本身故障或充電口蓋變形問題導致故障。因為充電口蓋的鈑金結構不是量產件，無法保證精度，因此導致問題出現頻率較高，且維修困難，無法徹底解決，只能通過插拔充電喚醒繼電器控制充電喚醒信號。因此將充電喚醒方案改為使用充電槍中的CC信號喚醒VCU，由于搭載方案VCU不由常電供電，因此將VCU供電方式改為常電供電;接收充電喚醒信號時，VCU可以自身吸合繼電器實現充電的喚醒功能(如圖3所示)。

圖3 改進方案充電喚醒示意

1.1.3 方案優化

(1)取消充電喚醒開關，通過充電插座和充電槍的連接，給VCU一個低電平的充電喚醒信號(CC信號)；(2)將VCU供電方式改為常電供電，具備控制繼電器實現充電的喚醒功能。

1.2 慢充狀態低壓系統供電問題

1.2.1 問題描述

搭載方案利用充電機的直流轉換功能，慢充時由車載充電機通過二極管盒給低壓系統輸出12 V電壓，為低壓系統供電(如圖4所示)，產生了以下問題：

(1)二極管盒防水性能較差，只能布置在駕駛室內，布置空間緊張。

(2)因充電機布置在行李箱中，線束需從行李箱連接至前機艙，線束長度較長，且需要增加車身線束與前部線束的對接連接器。

(3)因電流較大，使用小線徑的線束連接會導致壓降，并增加功率損耗；使用大線徑的線束連接會導致走線困難，增加了線束的質量及成本。

(4)裝配線束時需要將線束上的端子分別用螺栓緊固到接線柱上，影響生產效率。

圖4 搭載車充電狀態低壓系統供電示意

1.2.2 問題分析

(1)B50EV高壓系統中已經有DCDC為低壓系統供電，如慢充時DCDC工作，則充電機無需具備交流轉直流功能。

(2)B50EV搭載車方案中，DCDC由MCU供電并控制，因此如需DCDC工作，MCU也必須上電，充電時動力電池到MCU的主回路高壓上電，存在安全問題。因此需要改進高壓系統原理，DCDC和MCU正極由不同的高壓繼電器供電，兩個高壓繼電器由VCU控制；進入慢充狀態時，使DCDC正極繼電器處于吸合狀態，MCU正極繼電器處于斷開狀態。

1.2.3 方案優化

(1)優化高壓系統原理，分離動力電池DCDC和MCU的高壓回路，正極由高壓兩個繼電器分別控制，由VCU控制。

(2)優化控制策略，充電時DCDC工作為低壓系統供電并為蓄電池充電。

(3)取消了二極管盒及其大線徑的連接線束、連接器，降低了成本及質量。

2 整車電氣系統改進設計

2.1 蓄電池容量確定

蓄電池是儲存汽車行駛時由發電機產生電能的化學儲存器，也是啟動發動機和供給電氣系統各電器、電子部件電能所必需的[1，3]。傳統車的整車電氣系統電平衡是考核發電機、蓄電池以及用電設備之間匹配設計合理性的主要方法與手段；由于純電動車的特殊性，動力電機由動力電池供電并工作，無需起動機帶動，因此蓄電池不需要為大功率的起動機供電，根據靜態電流來確定蓄電池容量即可。整車靜態電流是指車輛點火開關關閉后，連接蓄電池常電的一些控制裝置仍然有電流消耗(休眠后)，電流數值通過優化可以調整但不可消除，這個電流稱為靜態電流，俗稱漏電流或暗電流。為了保證車輛在放置一段時間內能正常發動，所以對整車靜態電流進行了規定。設計整車電氣系統時，靜態電流按照式(1)進行計算：

Is×2 160 h/(A×0.5)<1.0

(1)

式中：Is為整車靜態電流(A)；A為蓄電池容量(A·h)；90天為調研數據參考值，折算成2 160 h。

整車靜態電流目標值要求小于10 mA，代入式(2)、式(3)進行計算：

0.01×2 160/(A×0.5)<1.0

(2)

A>2×0.01×2 160=43.2(A·h)

(3)

根據上面計算結果，當暗電流為10 mA時，選取容量為45 A·h的蓄電池可以滿足長時間停車時整車的供電需求?？紤]到當純電動車的高壓動力系統失效或DCDC發生故障時，DCDC停止工作無法為整車提供低壓電源，此時需要蓄電池為整車低壓系統供電，并保證能夠在持續1 min時間內提供停車熄火所需的電流，因此需要根據此時較大功率的電氣負載(如EPS)計算蓄電池容量。經計算需要容量28 A·h的蓄電池，根據靜態電流確定的蓄電池容量滿足此需求。使用45 A·h的蓄電池取代B50傳統車上使用的60 A·h蓄電池，體積減小，降低了成本，減輕了整車質量。

2.2 DCDC輸出電流確認

DCDC具有將DC330 V高壓轉換為DC14.5 V低壓的電壓轉換功能[4]，在任何駕駛工況下為低壓系統提供足夠的電量，并提供足夠的電流為蓄電池充電。傳統車發電機的電流輸出能力與發動機轉速等條件相關，而DCDC則可以不受這些條件的限制衡流輸出，因此DCDC的電流輸出特性優于發電機，且效率高于發電機。

根據負載實際使用的時間長短將負載分為三類：連續工作負載，如儀表、VCU等；長時間工作負載，如燈光、暖風電機等；短時間工作負載，如轉向燈等。在計算電平衡時，首先確定負載的加權系數，然后用加權系數對負載電流進行等價修正，修正結果作為負載的實際電流進行電平衡計算。

在B50EV優化設計工作中，暫不具備電平衡計算的條件，在目前A0EV項目工作中，作者將對整車負載電流進行計算，并通過功能樣車的試制和試驗進行驗證，形成規范的純電動車DCDC電流輸出電流計算方法。

2.3 配電盒方案設計

電源分配就是給整車各用電器分配所需要電流和電壓。B50EV電源配電在傳統車電源配電基礎上進行改進設計，以滿足新增低壓電氣部件配電要求。電源電路的設計要點是如何組成蓄電池周圍的電路。即以蓄電池為起點，所有用電設備如何以并聯形式組成電路。根據各用電設備選擇各自熔斷器和相關導線，從而完成整車電路中電源電路的設計，各個電氣裝置的電路連接在整車各個熔斷器線路的下游，電源電路的核心是配電盒。電源電路設計流程如圖5所示。

圖5 電源電路設計流程

按照電源系統對各個負載進行分類，確定整車電路中各個用電裝置(負載)屬于哪種電源，確定后將各用電裝置分配到各自相應電源之下。系統電源分為4種：蓄電池電源(常電)；點火開關“ON”檔電源；點火開關“ACC”檔電源；點火開關“START”檔電源。

在確定普通熔斷器分配方案之前，一般要根據電氣功能來確定熔斷器數量，然后對已確定的熔斷器進行合理分配。分配原則是：一個熔斷器帶一個負載。當一個熔斷器熔斷后，盡量不影響/少影響其他負載工作。目的是保護其下游導線。

由于蓄電池距離各個熔斷器之間的距離比較遠，為了保護這部分導線，在靠近蓄電池位置設置大電流熔斷器(在電源配電盒中)，大電流熔斷器將多個熔斷器匯總到一起承擔大電流。

熔斷器額定電流值確定公式(23 ℃)：

(1)普通熔斷器額定電流值：

IL/Irp≤0.7

(4)

式中：IL為熔斷器下游負載電流(A)；Irp為普通熔斷器額定電流(A)。

(2)大電流熔斷器額定電流值：

IL/Irb≤0.5

(5)

式中：Irb為大電流熔斷器額定電流(A)。

根據普通熔斷器的額定電流溫度變化率(0.15 %/℃)、大電流熔斷器額定電流溫度變化率(0.18 %/℃)，對熔斷器額定電流進行修正。

由熔斷電流和電源電壓計算容許導線電阻：

RT=V/If

(6)

式中：RT為容許導線電阻(Ω)；V為電源電壓；If為熔斷電流。

由該支路的導線電阻即可計算導線的理論長度。如果導線的實際長度大于要求的長度，要將導線截面加大一個等級。正常情況下，用以上方法選定熔斷器和導線截面積比較準確但方法相對復雜，表1為一般熔斷器與導線的選擇方法，然而原則上需要通過整車試驗測量各導線的溫升，在危險部位進行短路試驗來確認所選擇的導線的使用安全性。

表1 熔斷器與導線的選擇方法

備注：○表示推薦；△表示不推薦，但是使用上沒有問題；×表示不推薦。

經分析，決定保留原車前艙配電盒及駕駛室配電盒，取消發動機系統、變速箱系統、燃油泵、冷卻系統的配電功能，在前艙配電盒增加保險和繼電器。根據各用電裝置的功能將BMS、MCU、充電機、真空泵、高速風扇、低速風扇分配至常電電源，將其保險布置在前機艙配電盒中，并分別增加繼電器控制；將EPARK、空調控制器、防盜控制器分配至ON檔電源，將其保險布置在駕駛室配電盒中；整車控制器同時由常電和ON檔電供電，并使駕駛室配電盒中的原車主繼電器作為電驅動系統的主繼電器，由VCU控制為自身提供ON檔供電，主繼電器輸入端由常電供電，其保險布置在駕駛室配電盒中。

2.4 低壓電氣原理

根據B50EV各新增總成的電氣原理、各負載電源分配方案，全新設計低壓電氣是在B50傳統車的電氣原理基礎上，取消發動機、變速箱部分，增加了VCU、BMS、MCU、車載多媒體等部分，為電線束的設計奠定了基礎，也為試制樣車的調試工作提供了參考。

2.5 電線束設計

汽車電線束是實現汽車內部各電氣設備相互連接并發揮其功能的零件。它就像人的神經一樣在汽車中起著重要作用。特別是現代汽車工業的高速發展，電控系統的廣泛應用對汽車電線束的設計提出了更高更新的要求。汽車電線束在整車中的作用是為用電設備提供電源和地，同汽車上某些開關、繼電器及控制器結合起來實現對電氣設備的功能控制。

電線束設計原則見表2。

表2 電線束設計原則

B50EV低壓電線束主要改進內容見表3。

表3 低壓電線束主要改進內容

改進設計后的電線束，在美觀的同時加強了裝配性、安全性、可靠性，通過了樣車試制及道路試驗的驗證。

3 結論

通過B50EV電氣系統優化設計，完善了電氣配置及功能，解決了B50EV搭載方案出現的幾項問題，優化了電氣系統原理，滿足整車電平衡要求，通過試驗和分析，并通過了實車驗證。純電動汽車蓄電池容量可以根據靜態電流計算，并需要保證能夠在持續1 min時間內提供停車熄火所需的電流。本文作者提出了DC/DC工作電流計算方法，需要在未來的工作中進行驗證，最終形成純電動汽車的電平衡計算方法。通過低壓電氣原理圖和電線束的優化設計，增強了電氣系統的可靠性、安全性。在將來的工作中，還需要不斷完善細節，保證設計文件規范化、系統化、標準化，建立純電動汽車電源配電方案設計流程，讓純電動汽車的電氣系統設計逐漸走向成熟。