電動商用車系統(tǒng)工程技術體系及關鍵技術研究

孫逢春，何洪文

（北京理工大學電動車輛國家工程實驗室，北京 100081）

一、前言

發(fā)展新能源汽車是世界共識。我國自“十五”計劃以來，穩(wěn)步推進新能源汽車整車和零部件的關鍵技術攻關，純電動客車總體技術處于國際先進水平，能耗指標國際領先[1]。2008年北京奧林匹克運動會（簡稱北京奧運會）期間，在奧運中心零排放區(qū)晝夜不間斷運行的50輛純電動公交車，成功完成“零故障運行”的國家目標，為“無與倫比的奧運會”做出了貢獻。2010年上海世界博覽會期間，在世博園區(qū)內運行的120輛純電動客車在半年內經受住了高溫、高濕環(huán)境的考驗，載客9 018萬人次，車輛完好率為99.8%。以國家新能源汽車“十城千輛”示范城市項目為牽引，25個示范城市成功推廣應用新能源客車、轎車和城市商用車3.98萬輛。2014年，我國新能源汽車應用規(guī)模加速提升，該年被稱為中國新能源汽車推廣元年，當年全國各種新能源車輛銷量就達74 763輛，其中純電動汽車占比為60.3%。截至2016年年底，我國新能源汽車保有量達到109萬輛，其中純電動汽車保有量為74.1萬輛，占比達到67.98%。截至2017年10月，累計推廣純電動商用車28.8萬輛，其中純電動客車19.4萬輛（大中輕型），純電動客車規(guī)模全球第一。以宇通集團有限公司、比亞迪股份有限公司為代表的中國客車企業(yè)，在50個國家和200個城市實現銷售或示范運營，已進入英國、法國、美國、日本、澳大利亞等發(fā)達國家的高端市場[1]。得益于純電驅動戰(zhàn)略的實施，我國新能源汽車和純電動汽車的應用規(guī)模呈幾何級數增長，新能源汽車發(fā)展已經進入快車道，已成為世界上新能源汽車保有量最大的國家。我國新能源汽車技術達到國際先進水平，純電動商用車平臺成套技術出口歐盟等國家和地區(qū)，我國純電動商用車走出了一條技術特色鮮明的道路。

二、電動商用車系統(tǒng)工程技術體系

（一）電動商用車系統(tǒng)工程技術體系的內涵

電動商用車產業(yè)的發(fā)展受到動力電池、成本控制、充電、運營模式等多方面的影響，有必要從系統(tǒng)工程的角度對其進行規(guī)劃、開發(fā)和推廣應用。如圖1所示，電動商用車系統(tǒng)工程體系主要包括三大子系統(tǒng)：電動商用車平臺、充/換電基礎設施以及運營實時監(jiān)控與管理系統(tǒng)。三大系統(tǒng)間相互支撐成為綜合解決電動汽車“續(xù)駛里程、充電時間、安全高效運行”等技術需求的關鍵。

電動商用車系統(tǒng)工程技術體系總體概念形成于2008年北京奧運園區(qū)純電動客車零排放示范運營工程。在奧運中心區(qū)（包括國家體育場、國家游泳中心等中心比賽場館區(qū)，奧運村、媒體村等核心區(qū)）使用零排放電動車輛是我國對國際奧林匹克委員會的承諾，使用具有自主知識產權的電動客車是“綠色、科技、人文”三大奧運理念的集中體現。北京理工大學電動車輛國家工程實驗室?guī)ьI相關合作單位，主持實施了奧運電動客車的研制、快速智能充/換電站的建設以及車輛示范運營監(jiān)控與管理等方面的技術攻關。團隊在整車設計理論與系統(tǒng)集成、核心關鍵技術、產業(yè)化技術和工程實施應用等方面進行了系統(tǒng)創(chuàng)新，通過北京奧運電動客車示范項目的成功實施,以及奧運會之后又將電動公交系統(tǒng)成功推廣應用到北京市電動環(huán)衛(wèi)、物流、出租車等電動汽車領域,我國電動商用車系統(tǒng)工程技術體系內涵得到了完善和應用。

如今北京奧運會已經過去將近10年，在這期間，我國電動商用車產業(yè)得到了快速發(fā)展，在系統(tǒng)工程技術的各個方面都取得了新的突破。其中，純電動商用車平臺在自動駕駛技術、輕量化技術、安全技術等前沿或關鍵技術方面取得進展，產品技術水平與應用規(guī)模保持世界領先地位；充/換電基礎設施建設工作持續(xù)全面推進，各運營商開始在全國范圍內布局公共充電設施，同時開始注重相互之間的互聯(lián)互通和平臺融合；車輛運營監(jiān)控與管理技術不斷完善，新能源汽車國家、地方政府、企業(yè)三級平臺的安全運行監(jiān)管體系已逐步形成。

圖1 電動商用車系統(tǒng)工程的三大技術子系統(tǒng)

（二）電動商用車平臺技術

近年來，我國純電動商用車發(fā)展持續(xù)保持國際領先優(yōu)勢，已形成較為完整的技術鏈和產業(yè)鏈，電動客車、物流、環(huán)衛(wèi)車、出租車、租賃車和卡車已全面進入產業(yè)化發(fā)展期。

以電動客車為例，我國電動商用車平臺關鍵技術攻關和突破情況主要表現在以下5個方面。

1.整車設計理論與系統(tǒng)集成技術

奧運電動客車項目團隊提出了高效節(jié)能的純電動客車構型方案，如圖2所示。突破了以改裝設計為主的傳統(tǒng)思路，建立和完善了純電動客車設計理論與系統(tǒng)集成體系，構建了整車及關鍵部件系統(tǒng)開發(fā)和動力系統(tǒng)匹配標定技術平臺。設計開發(fā)出電池箱可更換并分箱底置的電動化低地板底盤，集成了一體化動力傳動系統(tǒng)、一體化冷暖空調等系統(tǒng)，解決了整車輕量化、結構和高電壓安全、二次絕緣、系統(tǒng)可靠性、電磁兼容等核心技術?？傮w上形成了我國電動車輛自主創(chuàng)新、正向設計和開發(fā)的技術途徑。

作為對上述純電動客車動力系統(tǒng)構型的補充，近年來，適用于城市公交客車的無變速器單電機直驅動力系統(tǒng)構型以及適用于超低地板客車應用的分布式電機驅動系統(tǒng)構型[2,3]，也在一定范圍內得到了行業(yè)應用。

2. 整車數字化信息控制技術

國內電動商用車平臺已經形成了基于多路控制器局域網絡（CAN）總線的電動客車通信協(xié)議標準，開發(fā)了電動客車專用的數字化信息控制系統(tǒng)，如圖3所示，具體包括整車控制器、車身控制器及智能儀表等核心單元。實現了基于總線技術的信息共享及系統(tǒng)間協(xié)調控制，具備整車故障診斷、報警和分級保護等功能。

3. 動力電池成組應用與安全技術

圖2 高效節(jié)能的純電動客車動力系統(tǒng)構型

圖3 電動客車CAN網絡拓撲結構圖

奧運電動客車項目團隊提出了動力電池成組應用單體電池間特性不一致性對壽命影響的理論與分析方法[4]，發(fā)明并開發(fā)了鋰離子電池及模塊化封裝系統(tǒng)，實現了在電池箱快速更換過程中動力線、通信線的同步自動插接。突破了動力電池在純電動客車應用中的瓶頸技術，有效提高了續(xù)駛里程及電池成組使用壽命[5,6]。動力線插接后接觸電阻＜ 0.1 mΩ（額定電流100 A）。在一致性控制方面，通過電池單體容量、能量、電壓變化曲線正交化比較方法進行成組電池篩選，可長期保持成組電池一致性在0.03 V以內，如圖4所示。

4. 一體化動力傳動控制系統(tǒng)

奧運電動客車項目團隊開發(fā)了無離合器多擋電控機械自動變速箱（AMT）動力傳動系統(tǒng)，如圖5所示，實現了基于CAN總線的一體化動力傳動效率最優(yōu)控制，有效提高了整車的經濟性和動力性能[7～10]。該團隊還提出了基于空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制的逆變器死區(qū)補償方法，開發(fā)出高效全數字矢量控制交流電機驅動系統(tǒng)，提高了動力傳動的系統(tǒng)效率。攻克了系統(tǒng)懸浮狀態(tài)下二次絕緣、電磁兼容和靜電釋放等技術難題，并采用冗余控制和故障診斷技術提高了系統(tǒng)的可靠性。

5. 一體化冷暖電動空調技術

在國際上首次成功研制出采用渦旋式壓縮機的電驅動空調，如圖6所示，該空調通過直交逆變電源的模塊控制，實現電動渦旋式壓縮機無級變頻啟動、基頻制冷和降頻保持等過程，徹底改變了傳統(tǒng)大客車的空調控制模式，節(jié)能效果顯著；應用全封閉式渦旋壓縮機，采用全焊接連接方式組成整體全封閉式無漏點系統(tǒng)，徹底解決了車用空調的制冷劑泄漏和軸封技術難題，同時簡化了安裝，實現了大客車空調的一體化集成設計；應用熱泵循環(huán)原理，通過增加四通換向閥及調整相應的控制方式，方便地進行制冷、制熱模式切換，實現車用空調的冷暖一體化；采用兩臺“渦旋式壓縮機”、兩套冷凝器和蒸發(fā)器構成兩個獨立系統(tǒng)，可以同時啟動也可以單獨啟動，實現了空調效果與節(jié)能的有機結合。

（三）充/換電基礎設施

電動車輛充電時間長、車輛利用效率低、充電安全等問題長期以來都是電動車輛產業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前主要有快速充電和電池箱快速自動更換兩種技術解決方案。

1.充電和更換兼容的充/換電站

2008年,北京奧運會使用了當時國際上首創(chuàng)的規(guī)模最大的電動客車充/換兼容充電站，如圖7所示。在奧運會期間為50輛電動客車提供24 h充電、動力電池更換服務以及相應的整車和電池維護保養(yǎng)服務[11]，取得了巨大成功。車輛在快速更換區(qū)域通過自動更換機械實施電池分箱組合式快速更換，5 min左右可完成一輛車的電池更換工作。根據電動汽車的特點和奧運會的應用需求，設計了續(xù)駛時間和充電時間約束的車輛調度理論模型和方案，在充電站設置了調度監(jiān)控中心。

圖4 動力電池成組運用技術及系統(tǒng)

圖5 一體化自動變速電驅動部件

圖6 一體化冷暖電動空調系統(tǒng)

我國“十三五”新能源汽車重點專項規(guī)劃了整車技術指標，對所有新能源汽車提出了比能耗和續(xù)駛里程指標。合理的電/車質量比應該是15%～20%，特斯拉電動車因為電池系統(tǒng)能效比不高而在新加坡被罰款。新能源車輛續(xù)駛里程、充電時間與電池比能量或電池裝載多少有關，北京等大城市70%以上的車輛用戶沒有固定車位來安裝充電樁。這一系列的問題導致?lián)Q電模式成為新能源車推廣應用的技術路線之一。

2010年前后，國家電網提出以換電為主、充電為輔的充換電基礎設施建設技術路線。為了解決用地問題，我們對充換電站實施小型化，開發(fā)集裝箱式的充換電站。將奧運會占地5 000 m2左右的充換電站縮減至300 m2左右。我國出口波蘭的充換電站就是集裝箱模式（見圖8）。同時乘用車充換電站只需占地120 m2就可以服務120輛電動出租車或1 000輛私家乘用車。換電模式的技術關鍵，首先是規(guī)劃和建設，其次是互聯(lián)共享，然后是自動定位和交匯橋接，最后就是鎖緊技術。

圖7 北京奧運電動客車自動快速充/換電站

2.大功率充電

為了極大縮短動力電池的充電時間，目前很多大型跨國車企都提出了350 kW、1 000 V的大功率充電。電動商用車用戶對于大功率充電有著強烈需求，因為快速充電在貼合用車習慣、提高充電效率，降低車樁比等方面優(yōu)勢明顯。然而，大功率充電模式在我國的發(fā)展仍然在討論和探索中，選擇適合我國國情的充電功率十分重要。大功率充電對電動汽車的安全性、電網高效穩(wěn)定運行等都會造成一定影響，權衡功率和安全性之間的平衡是需要解決的難題之一；另一方面，高壓大功率的使用對于電池系統(tǒng)、高壓保護、高壓接口、電控單元、高壓傳輸回路等部件的耐壓與過流能力有了更高的要求，對成本控制會造成影響，預估會比當前成本增加約3倍。隨著技術的進步，電池的充電倍率特性、電池容量、續(xù)駛里程會逐漸增加，因此大功率快速充電需要謹慎探索，應該仔細分析和對比電動商用車快速充電與電池箱快速自動更換的優(yōu)勢及互補性。

圖8 集裝箱模式的充換電站

（四）運營監(jiān)控與管理技術

隨著新能源汽車運行規(guī)模的不斷擴大，在工業(yè)和信息化部等國家相關部委的領導下，啟動建設了新能源汽車運行國家、地方政府和企業(yè)三級監(jiān)控與管理體系，以實現“車輛運行安全可監(jiān)測，企業(yè)主體責任可監(jiān)管，車輛運行里程可追溯，財政補貼效益可評估，產品質量電耗可調查”等國家監(jiān)管目標。

根據自奧運會以來北京電動車輛運行實時監(jiān)控與管理的實踐與經驗，在國家工業(yè)和信息化部、財政部和北京市政府的領導和支持下，由北京理工大學牽頭建設了“北京市電動汽車運行監(jiān)控與服務中心”以及“新能源汽車國家監(jiān)測與管理中心”，并對地方政府監(jiān)管平臺、新能源汽車企業(yè)監(jiān)控平臺的開發(fā)和建設提供技術支撐。由國家、地方政府、企業(yè)三級平臺組成的新能源汽車安全運行監(jiān)管體系正在逐步形成。截至目前，約有400家新能源汽車生產企業(yè)申請接入國家監(jiān)控平臺，4 000多種新能源車型通過了標準體系符合性測試，并可按國家要求隨時接入國家監(jiān)測平臺。

三、電動商用車技術展望

當前，新一代通信技術、新能源、新材料等技術與汽車產業(yè)正在加快融合。2022年北京冬季奧林匹克運動會即將到來，電動商用車將在冬季奧林匹克運動會的交通服務保障中再次承擔重要角色。面對冬季奧林匹克運動會-25℃環(huán)境下的應用需求，電動商用車平臺的系統(tǒng)技術升級至關重要。

（一）突破低溫禁區(qū)，研究全天候動力電池及電動車輛系統(tǒng)技術

提升動力電池的能量密度、循環(huán)使用壽命、安全性及降低成本是關鍵。鋰離子動力電池的能量密度和功率性能在低溫下大大降低，嚴重限制了其在低溫環(huán)境中的應用。作為2022年北京冬季奧林匹克運動會舉辦地之一的河北省張家口地區(qū)，冬季平均溫度處于-10℃左右，而崇禮室外賽區(qū)在極寒時溫度將降至約-23℃。全氣候動力電池作為一種全新的電池技術（如圖9所示），革命性地突破了電池在低溫下的性能局限。全氣候電池通過在內部插入了一片鎳片，用很少量的電池能量能夠在低于0℃時進行電池“自加熱”，當電池溫度上升到可用范圍后，它又會自動停止加熱，以免造成更多的能量損失[12]。此項技術能將鋰離子動力電池在-30℃下的功率提高10倍以上，同時不減弱電池在常溫下的性能和壽命。北京理工大學、中信國安盟固利動力科技有限公司和美國EC Power公司，合作開發(fā)了超低溫區(qū)域應用帶自加熱技術的鋰離子動力電池系統(tǒng)產品并進行產業(yè)化量產，成功實現動力電池系統(tǒng)自加熱每分鐘升溫10℃以上且總加熱能耗不超過5%。“全氣候電池”將使得新能源汽車的推廣應用再無禁區(qū)。

（二）突破低溫禁區(qū)，研究高效熱泵空調技術

在冬季和夏季，車內空調系統(tǒng)是電動商用車主要的耗能部件之一。提高空調系統(tǒng)的制冷/制熱效率是整車節(jié)能和提升續(xù)駛里程的重要舉措。低溫增焓技術具有高效、節(jié)能的優(yōu)勢，并能在嚴寒條件下使性能得到提升，是新一代電動商用車平臺技術升級的一項關鍵技術。通過寬溫區(qū)變工況空氣源熱泵高效制冷/制熱循環(huán)理論、低溫環(huán)境下高制熱能效熱泵空調系統(tǒng)等技術突破以及采用低溫增焓、高效換熱器、高效的風扇電機、優(yōu)化的風罩設計等技術，低溫增焓空調低溫制熱能效比預期能達到1.6，在-15℃下制熱能力預期提高近20%～50%，在-25℃時也能正常工作，能完全滿足在嚴寒地區(qū)使用時的高效供暖需求。

圖9 全氣候動力電池

（三）提升整車動力性，研發(fā)高效電驅動系統(tǒng)

進一步提升整車的動力性能、降低能耗，對電機、電機控制器以及電驅動總成化集成提出了更高的要求。技術關鍵包括高效高密度電機和控制器、電機與傳動高密度一體化集成以及高壓集成控制器等，雙電機耦合無動力中斷自動變速電驅動系統(tǒng)、高效高集成度分布式電驅動系統(tǒng)成為可行的技術方案，如圖10所示。另外研發(fā)效率達雙90%（效率≥90%的工作區(qū)域占整個工作區(qū)域的百分比達到90%以上）的電機驅動系統(tǒng)也成為技術攻關的重點。

（四）提升整車的智能化水平，研究網聯(lián)整車控制器及整車智能駕駛技術

圖10 高效電驅動系統(tǒng)部件

智能化是新一代電動汽車的主要技術特征，也成為提升整車綜合性能的主要技術抓手。技術關鍵包括整車線控底盤[13]、整車網聯(lián)控制電氣架構、網聯(lián)整車控制器及信息安全、基于云端多源信息的融合/決策/控制標定、整車智能輔助駕駛等。北京冬季奧林匹克運動會河北賽區(qū)地形主要為山區(qū)，進入冬季，道路坡度與冰雪路面等將導致車輛行駛工況十分復雜，對整車智能輔助駕駛提出了更高的要求。急需對智能網聯(lián)控制技術、驅動電機與自動變速控制技術、系統(tǒng)智能控制技術等進行重新設計和開發(fā)，使整車達到更高的可靠性、安全性等綜合性能。

四、結語

本文提出并明確了“電動商用車系統(tǒng)工程”的內涵，就其三大核心組成要素“電動商用車平臺、充/換電站、運營實時監(jiān)控”及其關鍵技術，分別進行了研究分析和討論。面對2022年北京冬季奧林匹克運動會-25℃環(huán)境下的應用需求，突破目前純電動商用車的低溫應用禁區(qū)和提升整車動力性能、安全性等綜合性能至關重要，從自加熱全氣候鋰離子動力電池、低溫增焓高效空調、高效電驅動系統(tǒng)、整車智能控制四個方面討論了電動商用車平臺技術升級的途徑和關鍵技術。

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