純電動多功能移動型防護(hù)平臺電源變換器的集成化應(yīng)用

■ 文/ 河北固安聯(lián)孚電子科技有限公司 曹長松

關(guān)鍵字：集成化 電源變換 五合一系統(tǒng)

1 引言

在國內(nèi)，移動警務(wù)室以其便利性和實用性已經(jīng)得到普遍認(rèn)可，用于公安機(jī)關(guān)執(zhí)法執(zhí)勤、治安防范、卡點巡防以及重點部位的布控。移動警務(wù)室以信息技術(shù)為牽引，與公安無線通信、網(wǎng)絡(luò)信息、語音通信和圖像攝錄相聯(lián)結(jié)，可實現(xiàn)實時傳輸、智能控制、指揮調(diào)度、移動辦公、音視頻取證、信息儲存查詢和車載電子裝備智能控制等功能。隨著公安工作改革和創(chuàng)新發(fā)展，移動警務(wù)室經(jīng)過實戰(zhàn)創(chuàng)新、功能完善和技術(shù)改進(jìn)，已成為公安機(jī)關(guān)反恐處突、維穩(wěn)治安、執(zhí)法執(zhí)勤和服務(wù)群眾的利器和不可或缺的裝備，在警務(wù)工作中發(fā)揮了不可替代的作用。

但是，目前移動警務(wù)室的行駛動力性差，防護(hù)功能不強(qiáng)等缺陷也影響了其在應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。本文以多年來在移動警務(wù)室和新能源客車行業(yè)設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)所積累的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，結(jié)合災(zāi)害現(xiàn)場應(yīng)用指揮需求，開發(fā)了一款現(xiàn)場指揮人員多功能可移動式防護(hù)平臺，為現(xiàn)場指揮人員提供一個抗沖擊能力強(qiáng)、防護(hù)等級高、功能齊全的指揮空間。當(dāng)災(zāi)害事故發(fā)生時，現(xiàn)場指揮人員多功能可移動式防護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速到達(dá)現(xiàn)場，在保證指揮人員安全的前提下，對現(xiàn)場通信進(jìn)行組織、管理和控制，在現(xiàn)場與城市通信指揮中心、其他通信車、現(xiàn)場作業(yè)人員聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行雙向語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸。

在進(jìn)行現(xiàn)場指揮人員多功能可移動式防護(hù)平臺的總體布置和零部件選型時，進(jìn)行了充分的市場調(diào)研，運用集成化的電源變換技術(shù)，集成DC/DC、氣泵控制器、油泵控制器、高壓配電柜和DC/DC 低轉(zhuǎn)高轉(zhuǎn)向應(yīng)急電源，在節(jié)省空間的同時，實現(xiàn)了輕量化和可靠性要求。

2 電源變換技術(shù)現(xiàn)狀

對于純電動多功能可移動式防護(hù)平臺，由于沒有發(fā)動機(jī)提供動力，轉(zhuǎn)向泵、空調(diào)壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)等均需由動力電池提供動力。這些系統(tǒng)如果直接與動力電池相連則會造成動力電池線束雜亂，既增加成本又占用整車空間，且增大整車安全隱患，因此需要高壓分配盒對動力電池進(jìn)行高壓分配。

不同廠家的配電盒外形及內(nèi)部布置，形態(tài)各異。常見的高壓配電盒設(shè)計及排布方式有以下分類。

（1）配電盒為一獨立零部件，配電盒內(nèi)零部件如熔斷器、繼電器、電流傳感器、預(yù)充電電阻、銅排等依次安置在配電盒盒體內(nèi)，各個零部件按照原理進(jìn)行連接，如圖1 所示。

配電盒盒體內(nèi)依次排布著電源線插座，盒體內(nèi)部零件按照與各個對應(yīng)的插座依次布置。在高壓盒體內(nèi)，各個器件的連接多采用線束連接的方式，線束多雜而亂，且必須按照正負(fù)極性及高低壓迸行區(qū)分。由于大電流采用線束線徑較粗，在有限的空間里彎折度較難滿足，故電流較大的電路需考慮用銅排的方式連接。此種布置方式為最傳統(tǒng)的布置形式。

這種布置方式的優(yōu)點是簡潔明朗、各個器件一目了然，非常便于生產(chǎn)及維護(hù)。缺點是線束容易凌亂，生產(chǎn)時由于一時疏忽，容易造成錯誤連接，占用整車空間尺寸較大。且裸露的銅排也存在較大的安全隱患。如果按照此種方式生產(chǎn)，建議裝配過程中將裸露的銅排用絕緣材料包覆。

（2）配電盒為一獨立零部件，配電盒中熔斷器、繼電器等依次排布，但各個零部件及與插座的連接采用PCB 板及銅排的形式連接，如圖2 所示。

圖1 配電盒結(jié)構(gòu)1

圖2 配電盒結(jié)構(gòu)2

零部件之間的連接方式由線束更改為PCB 板，PCB板包覆連接零部件的銅排。低壓與高壓連接部分，分層布置。在PCU 板預(yù)留有低壓接口與高壓接口。則若高壓盒內(nèi)部有損壞地方可以很便利的進(jìn)行更換。此種布置方式低壓接觸器可以直接焊接在PCB 板上，省去保險絲的安裝支架，高低壓走線集成PCB 板，減少箱體體積，節(jié)省空間。

運用PCB 板包覆銅排的做法，可以最大限度的保證人身安全，減少由于線束損壞、接觸不良等造成的整車故障。

（3）高壓配電盒與其他零部件集成在一個盒體內(nèi)，采用高壓配電盒與其他部件集成的措施，可以最大限度的節(jié)省空間。圖3、圖4 為采用集成方法進(jìn)行布置的高壓配電盒。

圖3 所示為高壓盒中集成DC/DC 電源模塊。DC/DC電源為高壓用電器將電動車高壓動力電源轉(zhuǎn)化為低壓系統(tǒng)供電。與高壓配電盒集成在一起可以減少線束與整車布置空間。采用此種布置，需著重考慮散熱情況。因為DC/DC 電源工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，如果散熱不良，會造成DC/DC 停止工作或損壞，也容易造成繼電器、熔斷器等使用壽命縮短。

圖4 所示為高壓配電盒作為一個零部件集成在其他零部件里，如電機(jī)控制器。此種布置與圖3 相似，能最大限度的減小整車空間與減少線束，同時也需要散熱系統(tǒng)的良好配備。散熱系統(tǒng)需要滿足此種設(shè)計中的散熱需求。

圖3 配電盒結(jié)構(gòu)3

圖4 配電盒結(jié)構(gòu)4

集成方案布置，在節(jié)省空間布置與減少線束成本的基礎(chǔ)上，不可避免會加大集成里每個零部件維修更換難度。需要在集成時注意合理布局，盡量使易損件處于集成盒體首層，發(fā)熱量大器件緊鄰散熱器，以便進(jìn)行維護(hù)及器件能充分發(fā)揮功能，減低損壞的頻率。

集成化設(shè)計是新能源汽車的發(fā)展趨勢，目前三合一、四合一、五合一等集成化的系統(tǒng)都在不斷推出。

3 集成化電源變換技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)場指揮人員多功能可移動式防護(hù)平臺在設(shè)計時即貫徹了系統(tǒng)集成化的理念，集成DC/DC、氣泵控制器、油泵控制器、高壓配電柜和DC/DC 低轉(zhuǎn)高轉(zhuǎn)向應(yīng)急電源，體積只是單獨配置這些系統(tǒng)的0.2-0.25 倍，布置起來更加靈活、方便。

3.1 外形尺寸和接口定義

外形尺寸（長×寬×高）為602×390×216 mm，如圖5 所示。

圖5 外形尺寸圖

集成控制器的外部接線、控制及CAN 總線接口定義，如圖6 所示。

圖6 外部接線及接口定義

3.2 控制原理

集成控制器的控制原理如圖7 所示。

圖7 控制原理圖

3.2.1 高壓配電箱

高壓上電：鑰匙擰到ON 檔，給整車控制器ON 檔信號，24V 蓄電池提供低壓并自檢成功。通過三個開關(guān)量輸出，控制高壓配電箱內(nèi)的主正、主負(fù)接觸器及預(yù)充接觸器的通斷。

預(yù)充電的啟動由鑰匙“start”擋觸發(fā)，觸發(fā)后，先發(fā)出閉合預(yù)充電接觸器和主負(fù)接觸器的指令，再檢測直流母線后端電壓是否按預(yù)期上升。如未按預(yù)期上升則為故障，整車控制器上報故障并斷開預(yù)充電接觸器和主負(fù)接觸器；如按預(yù)期上升，則待直流母線后端電壓上升到與前端電壓之差在20V 以內(nèi)時，啟動一個延遲過程，延遲時間不小于1s；延遲時間到達(dá)則先發(fā)出閉合主正接觸器指令，然后根據(jù)主正接觸器狀態(tài)輸入檢測主正接觸器是否閉合，如在發(fā)出閉合主正接觸器指令后1 秒內(nèi)未檢測到主正接觸器閉合，則上報故障，并斷開預(yù)充電接觸器及主負(fù)接觸器；如檢測到主正接觸器閉合，則發(fā)出指令斷開預(yù)充接觸器；然后通過CAN 發(fā)出預(yù)充電完成信號。

高壓下電：鑰匙回到ACC 檔，整車控制器向各輔助控制器發(fā)送停機(jī)使能信號后，根據(jù)BMS 反饋的主回路中的電流，在小于30A 的時候斷開主正接觸器，如果在3 s之后主回路中依然有大于30A 的電流，則立即強(qiáng)制斷開主正和主負(fù)接觸器。

3.2.2 DC/DC （動力電池給低壓蓄電池進(jìn)行充電）

鑰匙ON 檔，整車正常上高壓后延時2 s，并且BMS（電池管理系統(tǒng)）無一級故障，則輸出使能信號，五合一控制器接收到使能信號后，DC/DC 根據(jù)用電設(shè)備電流情況自行調(diào)節(jié)充電電流大小，額定輸出電壓為27.5V。

3.2.3 應(yīng)急DC/DC

當(dāng)高壓出現(xiàn)故障時，可由蓄電池臨時應(yīng)急，向轉(zhuǎn)向泵輸出電流（臨時代替高壓）。

3.2.4 電動助力轉(zhuǎn)向油泵控制

鑰匙ON 檔，整車正常上高壓后延時2 s，并且BMS（電池管理系統(tǒng)）無一級故障，則輸出使能信號到五合一控制器DC/AC，助力轉(zhuǎn)向油泵開始工作。

當(dāng)車輛出現(xiàn)因整車控制器或線路導(dǎo)致的故障，CAN信號中斷，在沒有斷高壓的前提下，油泵將一直運行，直至收到停機(jī)使能信號或高壓斷開。并且當(dāng)因故障導(dǎo)致整車控制器控制車輛下高壓時，如車速大于5km/h 時，助力轉(zhuǎn)向仍可在應(yīng)急DC/DC 提供高壓下繼續(xù)正常工作，確保整車滿足《電動客車安全技術(shù)條件》。

3.2.5 電動打氣泵控制

整車正常上高壓后，延時2 s 并且BMS 無一級故障，儀表檢測氣壓值，并以CAN 的方式發(fā)給整車控制器。由整車控制器根據(jù)氣壓值控制電動打氣泵的工作狀態(tài)。

如果車輛運行過程中，由于整車控制器或線路等原因?qū)е碌腃AN 中斷故障，在沒有斷高壓的前提下，氣泵將一直運行，直至收到停機(jī)使能信號或高壓斷開。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

將DC/DC、氣泵控制器、油泵控制器、高壓配電柜和DC/DC低轉(zhuǎn)高轉(zhuǎn)向應(yīng)急電源整合為電源變換器總成后，在純電動多功能可移動式防護(hù)平臺中只占0.05m3空間，為動力電池和其它零部件的布置留出了空間，重量比各功能單獨配置降低了約50kg。經(jīng)測試和使用，性能穩(wěn)定可靠，未發(fā)生故障，有效解決了純電動車輛電源系統(tǒng)布置凌亂、占用空間較多的問題。

4 結(jié)語

目前很多新能源車上有多個控制器，在車輛后期維護(hù)的時候會比較麻煩，同時線束、接插件會造成浪費，增加故障概率。純電動多功能移動型防護(hù)平臺作為新能源汽車與移動警務(wù)室的跨界產(chǎn)品，同樣存在這樣的問題。隨著行業(yè)的發(fā)展，提高可靠性、節(jié)約運營成本的呼聲越來越高。而高壓電器系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)的集成化、高效化是當(dāng)前發(fā)展的趨勢，也是解決這些問題的有效途徑。為順應(yīng)這一發(fā)展趨勢，本文在多功能移動型防護(hù)平臺上對電源變換器集成化的應(yīng)用提供了案例，希望能對改進(jìn)相關(guān)技術(shù)起到一定的參考意義。