12 m城市客車電氣系統(tǒng)設計

郭 紅， 李國輝

（中國第一汽車股份有限公司技術中心汽車電子部電氣研究室， 吉林 長春 130011）

近幾年， 我國城市發(fā)展迅速， 車輛排放對大氣影響日益嚴重， 據(jù)統(tǒng)計， 由汽車排放造成的城市空氣污染約占60%以上。 為了改變這種狀況， 各國政府都對交通污染源的限制提出了嚴格要求。 這樣一來， 12 m歐Ⅳ排放的城市客車已經(jīng)成為主流產(chǎn)品，適應大中城市的交通及環(huán)保要求。 下面就一款12 m CAN總線歐Ⅳ城市客車電氣系統(tǒng)設計進行介紹。

1 客車CAN總線系統(tǒng)應用的必要性

近年來， 汽車電子電氣功能大量增加， 信息交換量驟增， 可靠性要求日益提升， 原來的常規(guī)設計已經(jīng)不能滿足要求， 因此有必要采用一種實現(xiàn)多路傳輸方式的車載網(wǎng)絡系統(tǒng)。 這種網(wǎng)絡系統(tǒng)采用串行總線結構， 通過總線達到信息共享， 減少線束的數(shù)量， 通信速率最大可達到1Mb/s。

本文介紹的12 m客車采用CAN總線系統(tǒng)， 具體分為2路： 一路是負責各車身模塊通信內(nèi)部控制的CAN總線， 稱車身CAN， 它執(zhí)行CAN2.0B技術規(guī)范，總線驅動與控制器通過光電耦合器隔離， 驅動器選用Philips 82C250， 總線通信速率為250 kb/s； 另一路是對實時性和通信速率要求高的動力CAN， 如發(fā)動機ECU控制、 ABS、 ASR等， 都需要實時傳輸和處理， 該總線通信速率為500 kb/s。

2 輸入條件分析

本車配置為大柴BF6M1013-26E4 FEUP電控發(fā)動機， SCR系統(tǒng)， 6檔變速器， 4檔電渦流緩速器，獨立空調， 暖風電加熱器， ABS， CAN總線模塊，CAN總線儀表， 帶GPS功能的行車記錄儀， 駕駛員助手等。

根據(jù)整車配置及汽車行業(yè)相關法規(guī)要求， 對車輛所有用電設備進行統(tǒng)計， 列出電氣清單， 明確各用電設備的數(shù)量、 電氣參數(shù)、 工作條件及工作狀況等。 部分用電設備如表1所示。

表1 用電設備列表

3 電氣系統(tǒng)技術設計方案

根據(jù)上述電氣配置功能， 需要對車輛所需各個模塊進行邏輯功能定義、 通信報文規(guī)范定義等。 本車使用4個CAN控制模塊， 分別是CAN儀表模塊、前控制模塊、 頂控制模塊、 后控制模塊， 滿足車身用電設備的控制要求， 使線束最優(yōu)化設計， 達到最短， 減小成本以及不必要的電壓降。 對總線上的模塊定義控制邏輯， 來實現(xiàn)對整車的控制。 通過CAN通信與整車其它控制模塊通信， 各模塊在整車上布置如圖1所示。

各CAN模塊詳細功能如下。

1） 儀表模塊 喚醒端口在此模塊， 負責喚醒整個系統(tǒng)的其它模塊， 負責整車信息的實時顯示，給駕駛員提供實時車輛狀態(tài)信息。 由于要采集組合開關、 功能開關等信號輸入， 模塊帶有20路開關信號輸入端口， 9路高低功率輸出端口， 有電流和故障檢測等功能。 儀表模塊提供車速里程傳感器12 V直流電源， 車速里程傳感器的模擬量信號通過儀表模塊處理后， 在儀表上顯示車速和里程信息。

2） CAN前控制模塊 負責實現(xiàn)前部燈光和刮水系統(tǒng)的控制。

3） CAN頂控制模塊 負責頂棚電氣設備控制，如頂燈、 揚聲器、 電視等。

4） CAN后控制模塊 負責底盤各傳感器信號的采集和電氣設備控制， 如采集燃油傳感器信號、儲氣筒的氣壓信號等， 各個信號都是通過CAN報文同其它總線的設備通信， 控制電源總開關、 側部及后部燈光控制等。

由于本車排放可達到國Ⅳ， 匹配一汽自主開發(fā)的FEUP-SCR電控系統(tǒng)。 SCR就是我們所說的選擇性催化還原技術， 利用尿素將尾氣中的氮氧化物、硫化物等中和， 以達到規(guī)定的尾氣排放標準。 此系統(tǒng)采用DCU尿素噴射控制單元來采集各傳感器信息和控制各執(zhí)行器工作等。 DCU有CAN通信功能， 需要同發(fā)動機ECU、 儀表通信， 它控制尿素噴射和尾氣的排放等。 后處理系統(tǒng)的零件包括尿素輸送與噴射控制模塊、 尿素噴嘴、 大氣溫度傳感器、 尿素箱及傳感器模塊、 氮氧傳感器、 冷卻液電磁閥、 進氣溫度傳感器等。 本套后處理系統(tǒng)帶有CAN標定口，可以對系統(tǒng)進行診斷， 帶有OBD診斷口， 診斷口連接器定義采用國際標準ISO 15031-3—2004， 整車連接器類型采用B型。 診斷插座的安裝位置在整車的儀表板， 方便檢測及標定。 DCU與儀表及發(fā)動機ECU的診斷插座如圖2所示。

4 整車網(wǎng)絡拓撲

整車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲如圖3所示。

高速CAN為動力CAN， 即外網(wǎng)的通信CAN線；低速CAN為車身CAN， 即內(nèi)網(wǎng)的通信CAN線。 終端各設有120 Ω電阻， 保證通信正常， 其中儀表模塊是客車CAN網(wǎng)絡的網(wǎng)關。

整車網(wǎng)絡物理連接如圖4所示。

5 電平衡計算

整車電氣系統(tǒng)電平衡是考核發(fā)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， 保證發(fā)電機在滿足用電設備使用的同時還為蓄電池充電。 而在極限用電高峰時， 允許蓄電池向用電設備提供一定大小的放電電流。 一般發(fā)電機的發(fā)電使用率為75%～80%[1]。 我們根據(jù)負載實際使用時間的長短， 將負載分為3類： ①連續(xù)工作負載， 如儀表、 發(fā)動機ECU等； ②長時間工作負載， 如暖風電動機等； ③短時間工作負載， 如轉向燈等。 計算采用頻度系數(shù)加權法。 頻度系數(shù)是一個經(jīng)驗和試驗得出來的值。

另外， 整車電氣負載在不同時間不同季節(jié)的用電量也是不同的， 如冬季頻繁使用暖風， 夏季頻繁使用刮水電動機、 空調等， 設計時選取用電量最大的工況， 并留有15%～20%I加權的充電電流。 另外，發(fā)電機在不同轉速下輸出的電流能否滿足不同工況下的用電需求， 需根據(jù)發(fā)電機的性能指標衡量。 本車根據(jù)整車配置， 電平衡計算結果為121.23 A， 故選擇28 V、 150 A交流發(fā)電機。

6 確定蓄電池容量

蓄電池在發(fā)動機停機時提供給起動機起動所需的大電流， 在極限用電高峰時也提供一定大小的放電電流。 另一個作用是平抑電氣系統(tǒng)的峰值電壓，保護對電壓敏感的電子器件， 因此蓄電池容量匹配直接影響到整車的可靠性。 蓄電池容量按EN 60095－1標準， 20 h的放電時間和達到10.5 V規(guī)定的放電電壓時的放電電流的乘積， 單位為Ah。 蓄電池容量的確定方法有2種： 一種是經(jīng)驗方法， 一種是通過試驗來驗證的公式。 因為國內(nèi)鉛酸蓄電池供應商開發(fā)能力有限， 產(chǎn)品品質限制產(chǎn)品的選擇， 蓄電池只有幾種標稱容量， 所以蓄電池容量我們一般采用經(jīng)驗計算法。

此方法是根據(jù)經(jīng)驗總結出來的， 計算方式簡單， 但是結果存在一定的偏差。 公式為

式中： P——起動機功率， kW； U——蓄電池電壓， V； Q——蓄電池容量， Ah。

本客車起動機額定功率為5.5 kW， 經(jīng)過計算，Q=103～138 Ah。 考慮到城市公交車的工況， 經(jīng)常在怠速情況下工作， 且發(fā)動機轉速有限， 發(fā)電機發(fā)電受限， 另外考慮到東北的低溫氣候， 蓄電池容量要選擇余量范圍大一些的， 故選擇容量為24 V、 150 Ah的鉛酸蓄電池。

7 整車漏電流規(guī)定

漏電流指的是常電供電的設備在不工作時內(nèi)部電路消耗的電流， 也稱暗電流。 如果漏電流數(shù)值過大， 使蓄電池耗電過大， 將會影響車輛起動和蓄電池的使用壽命， 設計時必須規(guī)定漏電流的最大值，最大值必須滿足漏電流要求。

需要對在整車常電供電的各個用電設備進行漏電流核算， 必須滿足要求， 否則視為不合格， 設備必須重新選型。 經(jīng)過計算， 得出本車漏電流最大值為35 mA。 經(jīng)過測量核算， 本車滿足漏電流要求。

8 電源電路設計

整車的供電系統(tǒng)由蓄電池和發(fā)電機供電， 根據(jù)不同的用電設備的工作性質、 工作原理和整車電氣性能的要求， 將用電設備的供電系統(tǒng)分成幾部分：常電 （蓄電池直接供電）、 電源總開關電源、 點火開關ACC檔電源、 點火開關ON檔電源、 點火開關START電源。

本車的電源分配如下： ①常電供電的設備， 由蓄電池直接供電的用電設備， 包括車門門鎖控制系統(tǒng)， 即門泵、 閃光器、 組合儀表、 CAN模塊、 行車記錄儀、 發(fā)動機ECU等。 ②點火開關ACC檔的用電設備， 該檔位是給整車附件供電的電源， 如駕駛員助手等車載娛樂系統(tǒng)都使用這個電源。 ③點火開關ON檔的用電設備， 該檔位是行車時的點火開關的檔位，該檔位下的用電設備是行車時需要的， 如刮水系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、 控制器電源等用電設備都使用這個電源。④點火開關START檔的用電設備， 該檔位只是在起動瞬間使用， 用它來給起動機繼電器線圈供電。

為了防止線束磨損意外短路或用電設備內(nèi)部短路燒毀線束， 除起動機外每個用電器電源到用電器之間都要有熔斷器保護， 本車使用平板式、 片式熔斷器。 我們把各個熔斷器以及和配電有關的小功率繼電器都放在一個熔斷絲盒里， 這樣所有用電設備所需的電源都是從這里提供的。 由于本車為發(fā)動機后置， 為降低起動大電流線上的壓降， 并結合車身的布置， 蓄電池在車后側， 靠近發(fā)動機。 但是這樣一來， 蓄電池離各個設備熔斷器的距離較遠， 所以在靠近蓄電池處也要設置一些熔斷器， 這些熔斷器包括常電電路的、 電源總開關電路的、 預熱電路的， 因為這些都是各個設備熔斷器的上游， 是匯聚電流的大電流熔斷器， 發(fā)電機以及緩速器都需要大電流熔斷器的保護。 因為是電源的源頭， 所以這些大熔斷器能起到保護從這段到各熔斷器之間的線束。 熔斷器分布如圖5所示。

1） 大電流熔斷器的選擇 （30 A以上）

大電流熔斷器采用平板式熔斷器， 保護整車常電、 電源總開關電、 預熱繼電器、 起動繼電器之間的導線， 這些熔斷器被集成安裝在電源配電盒里。為使電源到起動、 預熱繼電器之間的距離盡量短，故這2個繼電器也固定在這個配電盒里。 電源配電盒安裝在蓄電池艙里。

熔斷器保護下游用電設備的額定電流一般低于所選大電流熔斷器額定電流的50%。 熔斷器也受溫度變化的影響， 受相應的溫度系數(shù)制約。 溫度高，相應的溫度系數(shù)就減小， 熔斷器電流要選擇大一些的， 有相應的公式， 這里就不再詳細說明。 總之，要根據(jù)實際車載設備工作環(huán)境以及周圍環(huán)境來選擇熔斷器的額定電流。

2） 普通片式熔斷器的選擇 （30 A以下）

本車采用了一個前熔斷絲盒和一個后熔斷絲盒。 將5～30 A的熔斷器以及小功率繼電器都集成在里面。 前熔斷絲盒安裝在儀表板靠近車門側， 并開檢修口， 方便維修； 后熔斷絲盒安裝在蓄電池艙里。 熔斷器容量根據(jù)受保護用電設備的額定電流來選擇， 熔斷器保護的電氣負載額定電流一般低于所選熔斷器額定電流的75%。 熔斷器也受溫度變化的影響， 受相應的溫度系數(shù)制約。 選擇的外界條件同大電流熔斷器。

熔斷器要先于導線發(fā)煙時熔斷， 所以需核對一下導線發(fā)煙時的電流是否高于熔斷器熔斷電流。 它們之間的響應關系如圖6所示[4]。

9 電線束設計

9.1 搭鐵設計

搭鐵設計是電氣系統(tǒng) （電線束） 設計中比較重要的一部分， 也是容易被忽視的部分。 因受周圍電場、 磁場疊加的影響， 所以線束是干擾耦合的途徑。 本車汽車電路都采用雙線制， 改變從前因搭鐵不良導致設備工作不正常的現(xiàn)象。 用電設備通過電源線和搭鐵線構成回路。 客車搭鐵線一般是從蓄電池負極搭鐵線， 通過齒墊、 螺栓螺母固定到車架上實現(xiàn)搭鐵， 車架就是一個 “搭鐵”， 即低電位。 要求就近搭鐵， 以便減小回路電阻。

我們將各個用電設備根據(jù)負載類型分類， 分為大功率大電流感性負載、 小功率敏感性負載。 大功率大電流負載易引起低電位的偏移， 故應將其與敏感性負載搭鐵點隔離開， 即不共用一個搭鐵點。 對于控制器類的重要模塊， 如發(fā)動機ECU， 前、 頂、后控制模塊， ABS等， 與各類傳感器要單獨搭鐵。搭鐵點的方式有如下幾種。

1） 星形連接 這種搭鐵見圖7。 結構最簡單，也最容易實現(xiàn)。

2） 并聯(lián)搭鐵 這種結構見圖8。 優(yōu)點是各負載之間相互影響較小。

3） 單獨搭鐵 這種結構見圖9。 是最理想的結構， 但由于用電設備太多， 這種方式很難達到。 只有重要的、 影響安全的、 不可以受其它用電器干擾的控制模塊類采用這一連接方式， 如發(fā)動機ECU、組合儀表、 ABS、 各模塊等。

9.2 電線束設計原則

電線束是整車電氣連接的樞紐， 其設計和制作的關鍵是連接固定可靠， 減小線路電阻， 抗外界干擾和對外界減小干擾。 線束設計是將各個用電設備和電源、 搭鐵用導線連接起來， 構成工作的回路，來實現(xiàn)各個用電設備的正常工作。 結合整車的布置確定走向及分布， 有效固定在車架或者車身結構上。 在特殊部位考慮做防護。 分支的原則是使每段線束盡可能短并且能夠有效固定。 線束由導線、 連接器、 保護膠帶、 波紋管等構成。 根據(jù)用電設備的電氣原理及接線圖， 來確定該設備線束端用導線的線芯截面積， 需要參照導線載流量， 考慮用電設備的工作時間以及工作環(huán)境、 溫度等因素， 綜合選取合適的線芯截面積導線。 本車所用電線采用聚氯乙烯薄壁電線， 按VW 603 06， 具體載流量如表2所示。

表2 QBV（AVS）導線容許電流A

在同一護套內(nèi)的同一線芯截面積、 導線顏色要有差異， 導線選擇單色優(yōu)先、 雙色次之。 將導線的功能、 線芯截面積、 顏色、 導線類型做成列表標出。

護套與用電設備線束對接， 根據(jù)需要與設備廠家溝通， 不同防護要求選用不同防護等級護套， 如底盤上的用電設備盡量使用防水、 防塵的護套， 如制動開關、 加速踏板等。 將護套內(nèi)各個孔位的線號標出， 按照出線端視圖方向表示出來。 有分支的導線焊點要離用電設備盡量近， 如CAN前、 頂、 后控制模塊的電源線， 焊點要離各模塊盡量近。

9.3 線束設計中的電磁兼容

隨著科技的發(fā)展和用戶對舒適以及安全性能的要求增加， 車載電子產(chǎn)品增多， 如發(fā)動機ECU、ABS控制器、 行車記錄儀等， 這是科技進步的產(chǎn)物，但是隨之也出現(xiàn)一個問題， 就是電磁兼容。 電磁兼容是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作， 且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

1） 對于零部件來說， 如電機類的刮水電動機等， 容易產(chǎn)生噪聲， 干擾其它敏感型的器件正常工作， 這就需要對內(nèi)部加抑制電路減少噪聲輸出， 這是零部件廠商需要做的工作， 或者盡量就近搭鐵，減小耦合回路。

2） 對于敏感型的器件 （如模塊、 傳感器等），需要對內(nèi)部加濾波電路消除干擾信號， 這也是由零部件廠商來處理的， 電氣部件出廠前必須滿足電磁兼容的要求。

3） 對于線束來說， 需要對線束特殊處理， 對車上一些較敏感的傳感器信號應增加防干擾措施。如發(fā)動機轉速信號等需要加雙絞線、 屏蔽線； 對CAN通信線等要消除外界干擾， 采用雙絞線， 終端匹配120 Ω電阻， 雙絞線采用了一對互相絕緣的金屬導線互相絞合的方式來抵御一部分外界電磁干擾， 也降低自身信號的對外干擾； 對于易受外界干擾的傳感器信號線束采用屏蔽線， 屏蔽可減小外界的干擾。 屏蔽線采用單端搭鐵[2]。

9.4 電線束布置原則

按照整車布置的三維圖紙以及各個部件的安裝位置， 來確定線束的走向和分支位置， 要求做到主干線束每隔300 mm有一個固定點， 固定牢靠； 避開熱源及腐蝕液； 不與燃油管路、 制動管路固定在一起； 不布置在車架下翼面上， 避免油污、 雨水侵蝕； 線束與固定零件的邊角等尖銳部位不應發(fā)生干涉， 不得因振動等原因發(fā)生摩擦干涉； 過孔過梁處要有橡膠護套保護。 固定后線束不應繃得太直， 否則會對導線有潛在損害。 所選用固定線束的支架要符合線束走向的要求， 做到輕量化、 高可靠性。 值得注意的是， 緩速器和發(fā)動機處靠近熱源的線束要加隔熱防護。

10 整車調試

重要的部分還有整車整備之后首車的調試， 底盤和整車具備了可以起動的條件， 一切準備工作已經(jīng)做好后， 開始電氣調試。 因為車輛起動與否一般與發(fā)動機ECU和電氣系統(tǒng)有關。 傳統(tǒng)的電氣設計基本問題不大， 但是CAN總線涉及模塊編程， 調試的時候可能需要耗費點時間。 調試之前做好前期準備， 把需要滿足的電氣功能列表， 現(xiàn)場一一調試。對調試時出現(xiàn)的問題做好記錄， 及時總結反饋。

［1］ 魏春源.汽車電氣與電子[M]. 北京：北京理工大學出版社,2004，（3）：135.

［2］ 鄭希俊， 李偉權.汽車電磁兼容綜述[J]. 中國科技博覽，2010，（30）： 346－348.

［3］ 饒運濤， 鄒繼軍， 王迸宏， 等.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社， 2007：20－35.

［4］JASO D609—2001， 低壓電線電流容量［S］.