B50EV低壓電氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

徐東平，白國軍，林菁,葛亮

(廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東珠海 519000)

0 引言

B50EV是在傳統(tǒng)車基礎(chǔ)上，通過搭載驅(qū)動電機(jī)和動力電池面向北方“私人購車補(bǔ)助”計劃而開發(fā)的一款純電動轎車，滿足北方示范運(yùn)行需求。

汽車電氣系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車的重要組成部分，對整車電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究具有重要的實際意義及應(yīng)用價值[1]。傳統(tǒng)車整車電氣系統(tǒng)主要包括：電源系統(tǒng)，點火系統(tǒng)，儀表系統(tǒng)，信號系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)，電子控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。純電動車整車電氣系統(tǒng)主要是在傳統(tǒng)車基礎(chǔ)上改進(jìn)電源系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)，新增動力電池系統(tǒng)、動力電機(jī)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)，動力拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 B50EV動力系統(tǒng)拓?fù)?/p>

電氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計目標(biāo)[2]：解決B50EV搭載車在試制試驗中出現(xiàn)的問題，建立完善的低壓電氣系統(tǒng)，匹配全新的電驅(qū)動系統(tǒng)，滿足各新增總成的配電需求及整車網(wǎng)絡(luò)通信需求，實現(xiàn)電氣高低壓產(chǎn)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(tǒng)問題包括：慢充口蓋喚醒開關(guān)頻繁失效，導(dǎo)致充電喚醒繼電器無法吸合；或繼電器一直保持吸合狀態(tài)無法斷開，車輛無法Ready；充電時使用車載充電機(jī)通過二極管盒給低壓系統(tǒng)供電，方案存在問題等。

1.1 慢充口蓋喚醒開關(guān)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(guān)驅(qū)動的繼電器給VCU輸入高電平信號使其喚醒并進(jìn)入充電狀態(tài)(如圖2所示)。當(dāng)喚醒開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)失效保持彈出狀態(tài)無法收回時，繼電器始終吸合，VCU也進(jìn)入充電狀態(tài)，點火開關(guān)啟動時車輛無法正常啟動。當(dāng)喚醒開關(guān)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(yīng)用碰頭開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)給VCU發(fā)送充電喚醒信號，會因開關(guān)本身故障或充電口蓋變形問題導(dǎo)致故障。因為充電口蓋的鈑金結(jié)構(gòu)不是量產(chǎn)件，無法保證精度，因此導(dǎo)致問題出現(xiàn)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(xiàn)充電的喚醒功能(如圖3所示)。

圖3 改進(jìn)方案充電喚醒示意

1.1.3 方案優(yōu)化

(1)取消充電喚醒開關(guān)，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(xiàn)充電的喚醒功能。

1.2 慢充狀態(tài)低壓系統(tǒng)供電問題

1.2.1 問題描述

搭載方案利用充電機(jī)的直流轉(zhuǎn)換功能，慢充時由車載充電機(jī)通過二極管盒給低壓系統(tǒng)輸出12 V電壓，為低壓系統(tǒng)供電(如圖4所示)，產(chǎn)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(nèi)，布置空間緊張。

(2)因充電機(jī)布置在行李箱中，線束需從行李箱連接至前機(jī)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(dǎo)致壓降，并增加功率損耗；使用大線徑的線束連接會導(dǎo)致走線困難，增加了線束的質(zhì)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(chǎn)效率。

圖4 搭載車充電狀態(tài)低壓系統(tǒng)供電示意

1.2.2 問題分析

(1)B50EV高壓系統(tǒng)中已經(jīng)有DCDC為低壓系統(tǒng)供電，如慢充時DCDC工作，則充電機(jī)無需具備交流轉(zhuǎn)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(jìn)高壓系統(tǒng)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(jìn)入慢充狀態(tài)時，使DCDC正極繼電器處于吸合狀態(tài)，MCU正極繼電器處于斷開狀態(tài)。

1.2.3 方案優(yōu)化

(1)優(yōu)化高壓系統(tǒng)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(yōu)化控制策略，充電時DCDC工作為低壓系統(tǒng)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(zhì)量。

2 整車電氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

2.1 蓄電池容量確定

蓄電池是儲存汽車行駛時由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能的化學(xué)儲存器，也是啟動發(fā)動機(jī)和供給電氣系統(tǒng)各電器、電子部件電能所必需的[1，3]。傳統(tǒng)車的整車電氣系統(tǒng)電平衡是考核發(fā)電機(jī)、蓄電池以及用電設(shè)備之間匹配設(shè)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(jī)由動力電池供電并工作，無需起動機(jī)帶動，因此蓄電池不需要為大功率的起動機(jī)供電，根據(jù)靜態(tài)電流來確定蓄電池容量即可。整車靜態(tài)電流是指車輛點火開關(guān)關(guān)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(shù)值通過優(yōu)化可以調(diào)整但不可消除，這個電流稱為靜態(tài)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(nèi)能正常發(fā)動，所以對整車靜態(tài)電流進(jìn)行了規(guī)定。設(shè)計整車電氣系統(tǒng)時，靜態(tài)電流按照式(1)進(jìn)行計算：

Is×2 160 h/(A×0.5)<1.0

(1)

式中：Is為整車靜態(tài)電流(A)；A為蓄電池容量(A·h)；90天為調(diào)研數(shù)據(jù)參考值，折算成2 160 h。

整車靜態(tài)電流目標(biāo)值要求小于10 mA，代入式(2)、式(3)進(jìn)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(jù)上面計算結(jié)果，當(dāng)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。考慮到當(dāng)純電動車的高壓動力系統(tǒng)失效或DCDC發(fā)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(tǒng)供電，并保證能夠在持續(xù)1 min時間內(nèi)提供停車熄火所需的電流，因此需要根據(jù)此時較大功率的電氣負(fù)載(如EPS)計算蓄電池容量。經(jīng)計算需要容量28 A·h的蓄電池，根據(jù)靜態(tài)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(tǒng)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(zhì)量。

2.2 DCDC輸出電流確認(rèn)

DCDC具有將DC330 V高壓轉(zhuǎn)換為DC14.5 V低壓的電壓轉(zhuǎn)換功能[4]，在任何駕駛工況下為低壓系統(tǒng)提供足夠的電量，并提供足夠的電流為蓄電池充電。傳統(tǒng)車發(fā)電機(jī)的電流輸出能力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等條件相關(guān)，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(yōu)于發(fā)電機(jī)，且效率高于發(fā)電機(jī)。

根據(jù)負(fù)載實際使用的時間長短將負(fù)載分為三類：連續(xù)工作負(fù)載，如儀表、VCU等；長時間工作負(fù)載，如燈光、暖風(fēng)電機(jī)等；短時間工作負(fù)載，如轉(zhuǎn)向燈等。在計算電平衡時，首先確定負(fù)載的加權(quán)系數(shù)，然后用加權(quán)系數(shù)對負(fù)載電流進(jìn)行等價修正，修正結(jié)果作為負(fù)載的實際電流進(jìn)行電平衡計算。

在B50EV優(yōu)化設(shè)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(fù)載電流進(jìn)行計算，并通過功能樣車的試制和試驗進(jìn)行驗證，形成規(guī)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(shè)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(tǒng)車電源配電基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以滿足新增低壓電氣部件配電要求。電源電路的設(shè)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(shè)備如何以并聯(lián)形式組成電路。根據(jù)各用電設(shè)備選擇各自熔斷器和相關(guān)導(dǎo)線，從而完成整車電路中電源電路的設(shè)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(shè)計流程如圖5所示。

圖5 電源電路設(shè)計流程

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

在確定普通熔斷器分配方案之前，一般要根據(jù)電氣功能來確定熔斷器數(shù)量，然后對已確定的熔斷器進(jìn)行合理分配。分配原則是：一個熔斷器帶一個負(fù)載。當(dāng)一個熔斷器熔斷后，盡量不影響/少影響其他負(fù)載工作。目的是保護(hù)其下游導(dǎo)線。

由于蓄電池距離各個熔斷器之間的距離比較遠(yuǎn)，為了保護(hù)這部分導(dǎo)線，在靠近蓄電池位置設(shè)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(dān)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(fù)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(jù)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(jìn)行修正。

由熔斷電流和電源電壓計算容許導(dǎo)線電阻：

RT=V/If

(6)

式中：RT為容許導(dǎo)線電阻(Ω)；V為電源電壓；If為熔斷電流。

由該支路的導(dǎo)線電阻即可計算導(dǎo)線的理論長度。如果導(dǎo)線的實際長度大于要求的長度，要將導(dǎo)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(dǎo)線截面積比較準(zhǔn)確但方法相對復(fù)雜，表1為一般熔斷器與導(dǎo)線的選擇方法，然而原則上需要通過整車試驗測量各導(dǎo)線的溫升，在危險部位進(jìn)行短路試驗來確認(rèn)所選擇的導(dǎo)線的使用安全性。

表1 熔斷器與導(dǎo)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(jīng)分析，決定保留原車前艙配電盒及駕駛室配電盒，取消發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)、燃油泵、冷卻系統(tǒng)的配電功能，在前艙配電盒增加保險和繼電器。根據(jù)各用電裝置的功能將BMS、MCU、充電機(jī)、真空泵、高速風(fēng)扇、低速風(fēng)扇分配至常電電源，將其保險布置在前機(jī)艙配電盒中，并分別增加繼電器控制；將EPARK、空調(diào)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(qū)動系統(tǒng)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(jù)B50EV各新增總成的電氣原理、各負(fù)載電源分配方案，全新設(shè)計低壓電氣是在B50傳統(tǒng)車的電氣原理基礎(chǔ)上，取消發(fā)動機(jī)、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(shè)計奠定了基礎(chǔ)，也為試制樣車的調(diào)試工作提供了參考。

2.5 電線束設(shè)計

汽車電線束是實現(xiàn)汽車內(nèi)部各電氣設(shè)備相互連接并發(fā)揮其功能的零件。它就像人的神經(jīng)一樣在汽車中起著重要作用。特別是現(xiàn)代汽車工業(yè)的高速發(fā)展，電控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用對汽車電線束的設(shè)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(shè)備提供電源和地，同汽車上某些開關(guān)、繼電器及控制器結(jié)合起來實現(xiàn)對電氣設(shè)備的功能控制。

電線束設(shè)計原則見表2。

表2 電線束設(shè)計原則

B50EV低壓電線束主要改進(jìn)內(nèi)容見表3。

表3 低壓電線束主要改進(jìn)內(nèi)容

改進(jìn)設(shè)計后的電線束，在美觀的同時加強(qiáng)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(jié)論

通過B50EV電氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，完善了電氣配置及功能，解決了B50EV搭載方案出現(xiàn)的幾項問題，優(yōu)化了電氣系統(tǒng)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(jù)靜態(tài)電流計算，并需要保證能夠在持續(xù)1 min時間內(nèi)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(jìn)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(yōu)化設(shè)計，增強(qiáng)了電氣系統(tǒng)的可靠性、安全性。在將來的工作中，還需要不斷完善細(xì)節(jié)，保證設(shè)計文件規(guī)范化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，建立純電動汽車電源配電方案設(shè)計流程，讓純電動汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計逐漸走向成熟。