中通LCK6663EVG公交客車純電動技術(shù)解析

董海萍，劉華

（威海職業(yè)學(xué)院工業(yè)技術(shù)系，山東威海 264210）

中通LCK6663EVG公交客車純電動技術(shù)解析

董海萍，劉華

（威海職業(yè)學(xué)院工業(yè)技術(shù)系，山東威海 264210）

介紹中通LCK6663EVG公交客車純電驅(qū)動系統(tǒng)的組成、零部件、工作模式以及控制策略。

驅(qū)動系統(tǒng)；工作模式；控制策略

近年來，在國家相關(guān)鼓勵(lì)政策的大力支持下，純電動公交客車已開始大量進(jìn)入市場。據(jù)公安部交通管理局統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，2015年中國純電動客車上牌量為9.25萬輛（2014年僅為6 050輛），上牌量實(shí)現(xiàn)了超過15倍的巨幅增長。其中，6～8 m純電動客車2015年銷量同比增長了22倍。本文以中通LCK6663EVG純電動公交客車為例，詳細(xì)分析該車應(yīng)用的純電動技術(shù)。

1 中通LCK6663EVG公交客車純電驅(qū)動系統(tǒng)的組成

純電動公交客車是完全依靠儲能動力源（動力電池）為整車提供能量的一種電動客車。LCK6663EVG純電動公交客車采用了驅(qū)動電機(jī)直接驅(qū)動的結(jié)構(gòu)布置形式，該車純電驅(qū)動系統(tǒng)主要由電驅(qū)動子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)以及輔助子系統(tǒng)等3部分組成，見圖1。

圖1 LCK6663EVG純電動公交客車純電驅(qū)動系統(tǒng)組成示意圖

LCK6663EVG純電動公交客車的高壓系統(tǒng)電氣連接如圖2所示。

圖2 LCK6663EVG純電動公交客車高壓系統(tǒng)電氣連接示意圖

2 中通LCK6663EVG公交客車純電驅(qū)動系統(tǒng)主要零部件

2.1 動力電池

動力電池是純電動汽車行駛的能量來源。該型純電動公交客車采用合肥國軒高科動力能源有限公司生產(chǎn)的動力電池，類型為磷酸鐵鋰電池，額定電壓為518.4V，額定容量為107.5Ah，總電能55.728kWh。動力電池外觀見圖3。

動力電池系統(tǒng)主要由電池模塊組、箱體、電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）及高低壓線束等4部分組成。

動力電池模塊組由若干個(gè)單體電芯通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組裝而成，串聯(lián)用于提高電壓，并聯(lián)用于增加能量；單體電芯的型號為IFP20100140，額定電壓為3.2V，額定容量為21.5Ah；動力電池由2箱串聯(lián)而成，每箱由81個(gè)電池模塊組串聯(lián)而成（5并81串）。

圖3 動力電池

電池管理系統(tǒng)包括從機(jī)和主機(jī)兩個(gè)模塊。從機(jī)模塊安裝在動力電池的箱體內(nèi)，用于采集各個(gè)箱體中電池模塊組的電壓、溫度等信號；主機(jī)模塊集成在高壓配電箱內(nèi)，是動力電池系統(tǒng)的控制中心，其主要作用是接收從機(jī)模塊發(fā)送的信息，采樣總電流、電壓，計(jì)算荷電狀態(tài)SOC（State of Charge，俗稱剩余電量），向整車控制器發(fā)送動力電池信息，同時(shí)根據(jù)電池信息對電池進(jìn)行充放電管理。

高壓線束主要用于連接箱體中的電池模塊組，并與整車的高壓部件連接。低壓線束主要用于傳輸動力電池的電壓、電流、溫度等信號，以及為電池管理系統(tǒng)提供電源連接。

2.2 高壓配電箱

高壓配電箱的作用是將來自動力電池的直流高壓電分配給各高壓部件，連接暖風(fēng)、加熱及除霜，連接充電座，實(shí)現(xiàn)通信功能（整車通信、充電通信及主從機(jī)通信），并連接程序調(diào)試。高壓配電箱外觀圖見圖4。

圖4 電機(jī)控制器、高壓配電箱及輔助電源控制器

高壓配電箱主要由高壓接觸器（繼電器）、熔斷器、低壓控制線路等組成。該型純電動公交客車采用合肥國軒高科動力能源有限公司生產(chǎn)的高壓配電箱，型號為DK1537，動力電池參數(shù)為518.4V、107.5 Ah，控制電壓為24V。電池管理系統(tǒng)BMS的主機(jī)模塊集成在高壓配電箱內(nèi)。

2.3 驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)控制器

1）驅(qū)動電機(jī)該型純電動公交客車采用上海大郡動力控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的驅(qū)動電機(jī)，型號為ZTM60-350。該驅(qū)動電機(jī)為三相永磁同步電機(jī)，額定功率為60kW，峰值功率為100 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 910 r／min，最高轉(zhuǎn)速為3200r／min，額定轉(zhuǎn)矩350Nm，絕緣等級為H，防護(hù)等級為IP55，冷卻方式為液冷（≥14 L／min）。驅(qū)動電機(jī)上有U、V、W三相高壓線接頭（來自于電機(jī)控制器）以及用于散熱的冷卻液進(jìn)、出管接頭，并集成了旋變器及負(fù)溫度系數(shù)的溫度傳感器。旋變器的作用是精確測量驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)速，并將信號提供給電機(jī)控制器，用于對驅(qū)動電機(jī)的相序進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制以及電機(jī)驅(qū)動及發(fā)電的轉(zhuǎn)換。旋變器安裝在驅(qū)動電機(jī)的后端，由轉(zhuǎn)子及3組定子線圈組成，其轉(zhuǎn)子隨電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)，3組定子線圈分別為勵(lì)磁繞組、正弦繞組及余弦繞組。溫度傳感器的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的溫度，并將信號提供給電機(jī)控制器。

2）驅(qū)動電機(jī)控制器該型純電動公交客車采用上海大郡動力控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電機(jī)控制器，型號為ZTM60-90，額定輸入電壓為380V，額定輸出電壓為147V，額定輸入電流為136 A，額定輸出電流為200A，額定輸出容量為90kW，最大輸出容量為150 kW，最高輸出頻率為320Hz，防護(hù)等級IP67，冷卻方式為液冷（≥14L／min）。電機(jī)控制器的主要作用是接收整車控制器的指令，將直流高壓電轉(zhuǎn)化為交流高壓電，控制驅(qū)動電機(jī)的扭矩輸出；制動時(shí)，接受整車控制器的指令，控制驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)制動能量回饋給動力電池；將驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)控制器的狀態(tài)信息反饋給整車控制器。電機(jī)控制器外觀圖見圖4。

3）驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)控制器的冷卻為了維持驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)控制器的正常工作溫度，采用了獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)主要由儲液罐、散熱器（帶風(fēng)扇）、電動液泵、驅(qū)動電機(jī)及驅(qū)動電機(jī)控制器等組成。

2.4 三合一型輔助電源控制器

該型純電動公交客車采用武漢合康動力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的輔助電源控制器，型號為H1EG384-3YQD-0F-2T，采用風(fēng)冷。該輔助電源控制器為三合一型，一個(gè)箱體內(nèi)集成了DC／DC控制器、DC／AC電動液壓助力轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)控制器、DC／AC打氣泵電機(jī)控制器等3個(gè)控制器。DC／DC控制器主要為整車24V鉛酸蓄電池充電，滿足整車24V低壓電器的正常工作。輔助電源控制器外觀見圖4。

2.5 整車控制器

整車控制器VCU（Vehicle Control U-nit）的型號為HKVCU0N1－03，輸入電源為8～32V DC，防護(hù)等級為IP65，散熱方式為自然冷卻。整車控制器外觀見圖5。

圖5 整車控制器

整車控制器是純電動汽車的控制核心，通過采集油門踏板位置、制動踏板位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速和換擋面板的擋位等信號，判斷駕駛員的駕駛意圖，并計(jì)算出目標(biāo)牽引力矩，以電機(jī)耗電量最小為原則，同時(shí)參考電機(jī)外特性和儲能系統(tǒng)的各項(xiàng)邊界條件，對驅(qū)動電機(jī)的力矩進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)按照駕駛意圖驅(qū)動整車運(yùn)行。整車控制器具有駕駛員駕駛意圖解析、系統(tǒng)工作模式控制、車輛能量管理及優(yōu)化、智能化的整車故障識別和處理、車輛網(wǎng)絡(luò)管理、車輛狀態(tài)監(jiān)控、自診斷及保護(hù)等多項(xiàng)功能。整車控制器外部端口基本接線示意圖見圖6。

圖6 整車控制器外部端口基本接線示意圖

2.6 電動打氣泵

純電動公交客車當(dāng)采用氣壓制動時(shí)，必須安裝電動打氣泵（液壓制動的純電動公交客車，需安裝電動真空泵，以實(shí)現(xiàn)制動真空助力）。該型純電動公交客車采用耐力股份有限公司生產(chǎn)的電動打氣泵，型號為AZE1.5H，公稱容積流量為0.16 m3／min，公稱排氣壓力為1.0MPa。電機(jī)為三相異步電動機(jī)，其功率為1.5kW、轉(zhuǎn)速為1410r／min、電壓為220V、頻率為50Hz，最高工作溫度110℃，專用潤滑油加注量為1.35L。電動打氣泵外觀見圖7。

圖7 電動打氣泵

AZE1.5H電動打氣泵總成主要由空氣壓縮機(jī)、電機(jī)、冷卻器及固定底盤支架等4大部件組成?？諝鈮嚎s機(jī)為滑片式（葉片式）。

2.7 電動液壓助力轉(zhuǎn)向油泵

該型純電動公交客車采用全興精工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的電動液壓助力轉(zhuǎn)向油泵，型號為EHPS－1010R 1.5／16，電機(jī)的額定電壓為220V，額定電流6.86 A，額定功率1.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 440 r／min；油泵的最大壓力為10 MPa，進(jìn)油口直徑為M27×1.5，出油口直徑為M18×1.5。電動液壓助力轉(zhuǎn)向油泵的電機(jī)為三相異步電機(jī)，電動液壓助力轉(zhuǎn)向油泵外觀見圖8。

圖8 電動液壓助力轉(zhuǎn)向油泵

2.8 選擋面板

該型純電動公交客車的按鈕式選擋面板上有4個(gè)擋位按鈕，D（前進(jìn)擋）、N（空擋）、R（倒擋）及S（低速擋，未使用）。選擋面板的擋位信號（開關(guān)信號）通過整車CAN總線傳遞給整車控制器，選擋面板見圖9。

圖9 選擋面板

2.9 儀表

該型純電動公交客車采用了純電動車專用儀表（帶CAN總線），可顯示總電壓、總電流、SOC（剩余電量）、單體電芯的最高電壓、最低電壓、最高溫度、最低溫度、氣壓（柱狀，2個(gè)）、擋位等參數(shù)以及相關(guān)的報(bào)警信號。儀表見圖10。

圖10 儀表

2.10 電動除霜器

電動除霜器用于前擋風(fēng)玻璃除霜（屬于高壓部件），利用直流高壓電來加熱，然后利用24V的風(fēng)機(jī)將暖風(fēng)吹出，以達(dá)到除霜目的。電動除霜器的一擋為高速吹自然風(fēng)，二擋為高速吹熱風(fēng)。

2.11 充電插座

該型純電動公交客車的充電插座位于車輛右側(cè)最后方的設(shè)備艙內(nèi)，充電插座接口共9針（國標(biāo)，圖11），其針腳定義見表1。

圖11 充電插座

3 中通LCK6663EVG純電動公交客車的工作模式

中通LCK6663EVG純電動公交客車有純電驅(qū)動、制動能量回饋及外接充電等3種工作模式。

1）純電驅(qū)動整車控制器通過接收反映駕駛意圖的油門踏板輸出信號（0～5V電壓信號）、擋位信號以及相應(yīng)的其它傳感器信號，經(jīng)過標(biāo)定程序轉(zhuǎn)換為油門踏板開度比例，經(jīng)過一定函數(shù)運(yùn)算，向電機(jī)控制器輸出油門踏板對應(yīng)的加速力矩。綜合考慮動力系統(tǒng)狀態(tài)信息，對駕駛員期望轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，最后由驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出。驅(qū)動電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過后橋傳遞至輪胎，驅(qū)動車輛行駛。

2）制動能量回饋車輛制動時(shí)，整車控制器根據(jù)制動踏板和油門踏板信息、車輛狀態(tài)、電池工作狀態(tài)和蓄電池電量狀態(tài)等信息，計(jì)算制動減速度及電機(jī)制動力矩并向電機(jī)控制器輸出指令，電機(jī)控制器根據(jù)上述指令控制驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，電機(jī)通過制動過程中產(chǎn)生電流回收到動力電池中，從而實(shí)現(xiàn)制動能量回饋。

3）外接充電當(dāng)動力電池系統(tǒng)能量不足時(shí)，需要利用外部電源進(jìn)行充電，充電時(shí)整車高壓零部件停止工作。

表1 充電插座接口針腳定義

4 中通LCK6663EVG純電動公交客車的控制策略

4.1 電池管理系統(tǒng)BMS高壓上電控制

BMS上高壓電需要電機(jī)控制器允許上高壓請求，再通過儀表CAN數(shù)據(jù)通信檢測到鑰匙Start信號，整車控制器得到儀表啟動信號后，發(fā)送上高壓指令給BMS，BMS再根據(jù)自身邏輯判斷當(dāng)前是否能上高壓電，整車控制器等待BMS反饋高壓接觸器狀態(tài)后，進(jìn)入主程序運(yùn)行。

4.2 電池管理系統(tǒng)BMS高壓下電控制

電池管理系統(tǒng)BMS下高壓電控制有2種控制方式。第1種是當(dāng)駕駛員將點(diǎn)火開關(guān)從ON擋關(guān)閉后，整車控制器立即向三合一輔助電源控制器發(fā)送指令，然后延時(shí)200ms發(fā)送BMS高壓下電指令；第2種是當(dāng)電池管理系統(tǒng)BMS或電機(jī)控制器出現(xiàn)最高級故障，此時(shí)整車控制器向電機(jī)控制器發(fā)送0扭矩指令，控制驅(qū)動電機(jī)無輸出扭矩，并發(fā)送BMS高壓下電指令。

4.3 驅(qū)動電機(jī)控制

整車控制器通過電機(jī)控制器對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制。若電機(jī)反饋狀態(tài)為準(zhǔn)備就緒，整車控制器控制電機(jī)運(yùn)行；若電機(jī)反饋狀態(tài)為未準(zhǔn)備好，整車將停止電機(jī)驅(qū)動。在BMS功率上限范圍內(nèi)，通過采集加速踏板與車速等信息來計(jì)算當(dāng)前電機(jī)所需的扭矩并用來驅(qū)動車輛運(yùn)行，同時(shí)，通過采集制動踏板與車速等信息來計(jì)算電機(jī)制動扭矩并用來對車輛進(jìn)行制動。

4.4 三合一型輔助電源控制器控制

三合一型輔助電源控制器供電部件有電動氣泵、電動液壓助力轉(zhuǎn)向油泵以及蓄電池。在整車控制過程中，需要電池管理系統(tǒng)BMS反饋高壓接觸器狀態(tài)，若為吸合狀態(tài)，電動液壓助力轉(zhuǎn)向泵與蓄電池控制電路開始處于工作狀態(tài)。當(dāng)儲氣筒氣壓低于0.65 MPa時(shí)儀表輸出高電平信號，電動打氣泵工作；在達(dá)到0.8MPa時(shí)儀表輸出低電平信號，電動打氣泵停止工作。

4.5 電動液泵控制

電動液泵主要作用是給驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器提供冷卻液循環(huán)，給驅(qū)動電機(jī)以及電機(jī)控制器提供良好的散熱環(huán)境。電動液泵控制策略：只要檢測到點(diǎn)火開關(guān)位于ON擋位置，電動液泵將開始工作；若檢測不到ON擋位置信號，電動液泵將關(guān)閉。

4.6 散熱風(fēng)扇控制

散熱風(fēng)扇主要作用是控制驅(qū)動電機(jī)與電機(jī)控制器在一定的溫度范圍內(nèi)工作。當(dāng)電機(jī)控制器溫度大于50℃或驅(qū)動電機(jī)溫度大于110℃，風(fēng)扇將開啟；當(dāng)電機(jī)控制器溫度小于46℃并且驅(qū)動電機(jī)溫度小于105℃時(shí)，風(fēng)扇停止工作。

4.7 車輛停止行駛控制

當(dāng)車輛處于駐車制動、充電、儀表未顯示READY、儀表顯示嚴(yán)重故障以及電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)過流狀態(tài)時(shí)，車輛無法行駛。

4.8 能量控制

在冬季寒冷地區(qū)由于氣溫的下降，根據(jù)磷酸鐵鋰動力電池的特性，在電池電量低的情況下，如果驅(qū)動電機(jī)大功率工作，將會導(dǎo)致電池的單體電壓瞬間大幅下降到保護(hù)電壓，從而導(dǎo)致車輛急加速斷電，車輛不能正常行駛。為解決上述問題并適當(dāng)延長行駛里程，中通公司對驅(qū)動電機(jī)的功率采用的控制策略為：①當(dāng)動力電池電量＞50%時(shí)，驅(qū)動電機(jī)功率不受限制；②當(dāng)電池電量≤50%時(shí)，電機(jī)功率為60 kW；③當(dāng)電池電量≤40%時(shí)，電機(jī)功率為55kW；④當(dāng)電池電量≤30%時(shí)，電機(jī)功率為45kW；⑤當(dāng)電池電量≤20%時(shí)，電機(jī)功率為30kW。

控制功率時(shí)扭矩不會受到影響，直接影響表現(xiàn)為車輛油門響應(yīng)慢，車輛加速度較原來遲緩，但不影響車輛爬坡能力。

4.9 失效保護(hù)控制

①當(dāng)車輛出現(xiàn)一級故障時(shí)，只報(bào)警不限功率；②當(dāng)出現(xiàn)二級故障時(shí)，限制電機(jī)功率為50%；③當(dāng)出現(xiàn)三級故障時(shí)，根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)，車輛未停止時(shí)，限制電機(jī)功率為20%，待車輛停止后，再將停止電機(jī)輸出，但高壓保持閉合；④當(dāng)出現(xiàn)四級故障時(shí)，整車控制器發(fā)送CAN指令控制電機(jī)停止輸出扭矩，待車輛靜止后，整車控制器先停止三合一型輔助電源控制器使能輸出，然后發(fā)送斷開高壓接觸器指令。如果上電時(shí)存在四級故障，則不允許下發(fā)上電指令。

（編輯 陳程）

Technical Analysis to Zhong Tong Pure-electrical Bus LCK6663EVG

DONG Hai-ping，LIU Hua（Department of Industrial Technology，WeihaiVocational College，Weihai 264210，China）

Focusing on Zhong Tong Bus LCK6663EVG，this article the mainly introduces pure－electrical driving system，including its components，spare parts，working mode and control strategies.

driving system；working mode；control strategy

U469.72

A

1003－8639（2016）11－0006－05

2016－03－09

董海萍，女，副教授；劉華，男，教授，高級工程師，研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)。