纯电动低速物流重型汽车电气系统的开发

秦振海，李司光，李隽杰

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710043；2.总装备部车船军代局陕汽军代室）

低速物流重型汽车 （传统内燃机）运行工况为频繁起步、停车，运输里程短，停靠时间短暂，工作周期比较频繁，再因车速低而发动机运转处于非经济区，造成能源的浪费。纯电动低速物流重型汽车使用电容作为能量源，是一种节约资源、无污染的零排放汽车。另外，电动机驱动噪声小、易于控制，可以获得良好的稳态特性和实现四象限 （再生制动）的运转，没有复杂的传动系统和机械式的逆转装置。

1 总体方案

1.1 设计方案

低速物流重型汽车的运行工况特点是车速低、频繁起步停车、运输里程短、工作周期比较频繁，因此样车的设计采用纯电动。其能源系统采用超级电容；传动系统除了去掉变速器，采用大速比驱动桥外，与传统车无区别；驱动系统采用永磁同步电机。整车整体布置情况如图1所示。

1.2 整车技术指标参数 （表1）

表1 整车技术指标参数

2 电气系统

2.1 电气系统的组成

该电动汽车的电气系统主要包括低压电气系统、高压电气系统和整车网络化控制系统。高压电气系统主要由动力电容、驱动电机和功率变换器等大功率、高电压电气设备组成，根据车辆行驶的功率需求，实现从动力电容到驱动电机的能量变换与传输过程。低压电气系统采用24V电源，一方面为灯光、刮水器等车辆的常规低压电器供电，另一方面为整车控制器、高压电器设备的控制电路和辅助部件供电。各种电器设备的工作统一由整车控制器协调控制。其电气系统的结构原理如图2所示。

2.2 电气系统的设计

2.2.1 驱动电机选择原则

驱动电机是整个车辆的核心部分，电机性能的好坏直接影响整车的性能。驱动电机选择的原则是满足车辆控制技术 （牵引力控制技术），确保电机具有足够的驱动力矩和最紧凑的结构尺寸。

2.2.2 驱动电机参数选择

1）驱动电机功率的选择

车辆行驶所需的功率全部由电动机提供，驱动电机的功率选择必须满足最高车速的需求。车辆以一定车速在水平路面上行驶时所需功率的计算公式为

式中:f——在良好路面上的滚动系数，f取0.014；CD——空气阻力系数，CD取0.7；A——迎风面积，A为6.58；vm——最高车速，vm为60；m——整车质量，m为25000； ηT——传动效率， ηT=0.98×0.92×0.85。

计算得电动机功率Pe1=91.65 kW，即当车辆以60 km/h的速度行驶在水平路面上所需要的功率为91.65kW。

车辆以一定速度在一定坡度上行驶时所需功率的计算公式为

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

计算得电动机功率Pe2=151.35 kW，即当车辆以15 km/h的速度爬10%的坡度时所需要的功率为151.35kW。

因此，驱动电机的功率需要满足如下关系:P≥max{Pe1， Pe2}。

2）驱动电机转矩的选择

驱动电机的最大转矩通常根据车辆的最大爬坡度来进行计算，根据设计指标，车辆以15km/h的速度爬10%的坡度，其所需转矩的计算公式为

式中: f=0.014； CD=0.7； A=6.58； vm=15； m=25000； αmax=5.71；r——轮胎滚动半径，r=0.517；i0——驱动桥的速比，i0=9.49。

计算得电动机转矩为Ttq=1978.87Nm，即当车辆以15 km/h的速度爬10%的坡度时所需要的转矩为1978.87Nm，因此驱动电机的转矩应满足T≥Ttq。

2.2.3 驱动电机型号选择

根据以上计算结果，选用一款满足性能要求的永磁同步电机，其电机外特性曲线如图3所示，基本参数见表2。

表2 电机基本参数

2.2.4 整车电气系统耗电量的计算

1）匀速法

按照国家标准GB/T 18386—2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》的要求，电机百公里耗电量的计算公式为

根据上述计算公式，车速在20、30、40、50、60 km/h时，电机百公里耗电量分别为:127、131、135、 144、 153度。

考虑外部设备5kW，百公里耗电量分别为:25、16.5、 12.5、 10、 8.3度， 再考虑电机效率0.85， 所以，整车在20、30、40、50、60km/h时，百公里耗电量分别为:156、150、150、156、163度。折合成为整车需要8公里的续驶里程时，在20、30、40、50、60km/h时所消耗的电量分别为12、12、12、12、13度。

2）工况法 （6工况法）

根据国家标准规定的由4个市区循环和2个市郊循环组成典型的试验循环进行计算，典型的工况法见图4。

根据工况法，计算百公里电机耗电量为123度。

注意:计算加速时，考虑到加速引起的惯性及旋转惯量因素；减速时未考虑此项，也未考虑到能量回收，考虑外部设备和电机效率，百公里耗电156度。折合成为整车需要8公里的续驶里程所消耗的电量为12度。

因此，根据上述两种典型的方法进行计算，所需动力电池的储能输出能量为12度电便可满足设计续驶里程。

2.2.5 动力电池的选型

根据该车型自重大、使用频度高、大电流充放电、充放电的频繁性以及要求充电时间短的特点，通过与锂离子电池的特性相对比，超级电容器是一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源。它是一种电化学元件，在电极与电解液接触面间具有极高的比电容和非常大的接触表面积，但其储能的过程并不发生化学反应，并且这种储能过程是可逆的，反复充放电数十万次。充电10s～10min即可达到其额定容量的95%以上。基于以上优势，该车采用上海奥威科技公司开发的具有完全自主知识产权的UCE15V80000F能量型超级电容器作为动力源。所选能量型超级电容器的参数见表3。

表3 超级电容的相关参数

3 电路原理及附件

3.1 高、低压电路原理

该型电动汽车低压系统主要由24 V蓄电池 （低压电源）、仪表系统、刮水器和各种控制器等组成。其24V蓄电池 （低压电源）则由超级电容通过DC/DC功率变换器来充电。为了节省能源，对于大功率的电器子系统 （如转向油泵动力电机、空气压缩机动力电机、空调压缩机动力电机）均采用高压供电。

图5为高、低压电路原理图。24V低压电气系统由高压超级电容通过DC/DC功率变换器为其充电，而高压动力超级电容通过充电弓进行充电。

3.2 电线设计原则

3.2.1 高压直流电线的设计

1）电流热效应

对于组装成电线束的高压直流绝缘电线，应考虑电流热效应和散热因素，其允许电流与温度，散热阻力有如下关系，即流过导体的电流热效应应小于导体本身的散热能力

式中:I——允许电流，A；r—— 导体电阻，Ω/cm；T1——导体最高工作温度，℃；T2——环境温度， ℃；R——热阻， ℃/（W/cm）。

在温度为T1时的导体电阻rT1=r20[1+0.00393（T1-20）]， 其中r20为20℃时导体电阻。

热阻R按下式计算:R=R1+R2，其中R1为绝缘体热阻；R2为表面散热阻力。

式中:P1——特性热阻 （乙烯基的P1值为600；聚乙烯的P1值为450）， ℃/（W/cm）；d1——导体外径，mm；d2——绝缘体外径，mm。

式中:P2——电线表面散热阻力热阻 （d2≤12.5mm时， P2=300+32d2；d2＞12.5mm时， P2=700） ，℃/（W/cm）。

现高压主回路选用70 mm2聚乙烯电线，根据上述公式进行核算， R1=（P1/2 π）l o g（d2/d1）， 其中P1=450、 d1=18 mm、 d2=19.6 mm， 计算得到R1=2.65；R2=10 P2/πd2， 其中P2=700、 d2=19.6 mm， 计算得到R2=113.68。 则根据R=R1+R2， 得到R=116.33。

电线最高工作温度为70℃，其导体电阻rT1=r20[1+0.00393（T1-20）]， 其中r20=0.00000277Ω/cm、 T1=70℃， 计算得到rT1=0.0000033Ω/cm。

经验算， 0.0769＜0.3868， 所选电线满足使用要求。

3.2.2 高压交流电线载流量的计算

此处以动力电机控制器到动力电机的3根母线为例进行选型和计算。根据电线基材选用聚乙烯基，截面积为50mm2，3根电线的敷设方式为:在自由空气中3根水平并列 （室温25℃），电线最高工作温度为70℃。

根据国际铜业协会 （中国）编著的有关 《铜芯电线电缆载流量标准》推荐的载流量计算公式，电线载流量的公式为

式中:I——载流量，A；S——导体的标称截面积，mm2；A、B——系数，视电线类型和敷设方式而定；m、n——指数，视电线类型和敷设方式而定。

根据上述条件， 查表知， A=22， B=2.8×10-13，m=0.58， n=5.9， 计算得到I=212A。

根据动力电机的额定功率为100 kW，额定电压为600 V，计算得额定电流为167 A。因此，所选电线的载流量可以满足电机母线上流过的电流需求。

3.3 熔断器设计、选型原则

熔断器又称保险丝，它主要用一种低熔点的金属丝或金属薄片支撑，将它串在被保护的电路中，在正常情况下，它相当于一根导线，在发生过载或短路时，电流过大，金属丝 （或薄片）便因过热熔化而把电路切断。因此，在回路中安装熔断器是必要的。熔断器选择应满足如下条件。

1）电压要求

安装熔断器的回路，其额定线电压Uex不应超过熔断器的额定电压Uer， 即Uex≤Uer， 可知， Uer≥600V。

2）电流要求

熔体额定电流应按照回路的正常运行情况和起动情况选择，并按照短路电流校验其灵敏度。

按照回路的正常运行情况，熔体额定电流Ier不应小于回路计算电流Ic，即Ier≥Ic，可知Ier≥167 A。

按照回路的起动情况，熔体额定电流Ier不应小于回路起动过程中的电流Iq，即

式中:Ier——熔体额定电流；Iq——回路中的起动电流，Iq=333A；a——系数，决定于起动状况和熔断器的特性，a=3.5；Kp——熔断器的灵敏度，Kp=4。

计算得到Ier≥381 A。根据以上参数的计算，选择Bussmann公司的FWP型的400A熔断器，其耐电压最高为700V。

3.4 直流接触器

直流接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断、额定电压为1200 V及以下的直流主电路及大容量控制电路的电器。该直流接触器由电磁机构、触点系统和灭弧装置三大部分组成。

1）电磁机构

直流接触器电磁机构由铁心、线圈和衔铁等组成，多采用绕棱角转动的拍合式结构。由于线圈中通的是直流电，正常工作时，铁心中不会产生涡流，铁心不发热，没有铁损耗，因此铁心常用铸钢制成。由于铁心中磁通恒定，因此铁心极面上也不需要短路环。为了保证衔铁能可靠释放，常需要在铁心与衔铁之间加非磁性垫片，以减小剩磁的影响。该直流接触器采用串联双绕组线圈，如图6所示，接触器的一个常闭触点与保持线圈并联。在电路刚接通瞬间，保持线圈被常闭触点短路，可使启动线圈获得较大的电流和吸力。当接触器动作后，常闭触点断开，启动线圈和保持线圈串联通电，由于电压不变，因此电流较小，仍可保持衔铁被吸合，达到省电和延长线圈使用寿命的目的。

2）触点系统

直流接触器有主触点和辅助触点。主触点为单极，由于触点接通或断开的电流较大，故采用滚动接触的指形触点。辅助触点的通断电流较小，采用点接触的双断点桥式触点。

3）灭弧装置

由于直流电弧不像交流电弧有自然过零点，直流接触器的主触点在分断大电流 （直流电路）时，灭弧更困难，往往会产生强烈的电弧，容易烧伤触点和延时断电。为了迅速灭弧，采用永久磁铁磁吹式灭弧装置，并装有隔板和陶土灭弧罩。

本车设计中采用美国Tyco公司的EV200和EV100型直流接触器，其具体参数见表4。

表4 EV200和EV100型直流接触器的参数

4 CAN网络设计

CAN网络的整体设计主要是节点及各节点所需的通信内容的确定。这是CAN网络设计的第1步。只有CAN网络节点及通信内容确定之后才能进行协议的选择、ID的分配等步骤。CAN节点的确定是基于纯电动重型汽车总体结构设计的，取决于在整体设计中确定的功能部件。节点确定之后要绘制出各节点的信息图，即各节点要往总线上发送的信息、收到的信息及所收信息的源节点。表5给出了该纯电动重型汽车各节点的收发信息。当所有节点的收发信息都确定好之后，估算出所需CAN信息帧的数目。

表5 该纯电动重型汽车各节点之间的发送和接收信息

4.1 网络拓扑结构

该纯电动重型汽车网络主要由整车控制器VMS、电机控制器MCS、电容控制器CPS、车身控制器CU、组合仪表IC组成 （图7）。VMS接收各个ECU的工作参数，根据这些参数计算出当前经济的工作模式和各个ECU的目标工作参数，并把这些打包成控制命令发送给各个ECU。同时，该网络还具备较强的错误诊断功能，对错误进行分级，并采取相应措施。

整车通信网络涉及的通信节点源地址分配见表6。

表6 通信节点源地址分配表

4.2 传输速率与位定时

1）动力A子网 总线传输速率:250kb/s；采样位置:75%；同步跳转宽度:3；填充格式:Intel。

2）车身B子网 总线传输速率:250kb/s；采样位置:75%；同步跳转宽度:3；填充格式:Intel。

4.3 网络报文结构图

该纯电动重型汽车通信协议是以SAEJ1939为基础制定的，形成本单位自己的通用编码系统。表7为29位标识符 （ID）的分配表。

其中，优先级为3位，可以有8个优先级；R一般固定为0；DP现固定为0；8位的PF为报文的代码；8位的PS为目标地址或组扩展；8位的SA为发送此报文的源地址。特定PDU （PS），其具体意义由PF域的值决定: 若PF域的值在0到239之间 （PDU1），PS域中包含的是目的地址；若PF域的值在240到255之间（PDU2），PS域中包含的是PF的群扩展。

表7 29位标识符 （ID）的分配表

4.4 报文信息格式详解

鉴于该纯电动重型汽车各节点之间通信协议报文信息量较大，现以具有代表性的电容控制器（CPS）为例，说明各个字节中每一位所代表的信息，如表8所示。

表8 每一个字节中的每一位代表的含义

1）报文数据信息 刷新率:100 ms；数据长度:8字节；数据页:0；PF:255；GE:227；优先级: 6； PGN: 65507。

2）SPN523780～523787超限报警状态类型 00-:正常 （不报警）；01-:超限报警激活；10-:保留；11-:信号不可信 （监测回路故障）；位长:2位；类型:状态值。

3）SPN523788最高温度或SPN523789最低温度的状态值 长度:1字节；分辨率:1℃／b，从-40℃开始计算；范围:-40～85℃；类型:测量值。

4）SPN523790详细温度的状态值 长度:2字节；分辨率:0.1℃／b，从-40℃开始计算；范围:-40～85℃；类型:测量值。

5）SPN523791详细电压的状态值 长度:2字节；分辨率:1mV／b，从0开始计算；范围:0～8V；类型:测量值。

该纯电动重型汽车实车图如图8所示。通过对该车路试及可靠性测试，其各电气子系统工作运行良好，未出现电线过热，熔断器意外熔断等现象。对CAN节点进行了总线网络仿真分析和实车测试，结果表明:网络节点功能分配合理，网络负载率不超过35%，实现报文可靠、实时地进行传输，误码率不到2‰，使测控系统的准确性、可靠性、实时性以及测试效率得到很大的提高。

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[6]SAE J1939-71-2006，道路车辆-车辆 应用层[S].