一種用于純電動(dòng)車輛應(yīng)急救援的專用車設(shè)計(jì)

魏玉宏 劉小艷 林園園 李媛媛

徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司 江蘇徐州 221000

1 前言

近年來，伴隨國(guó)家發(fā)展新能源汽車戰(zhàn)略的持續(xù)推廣，中國(guó)純電動(dòng)汽車保有量不斷攀升。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2019年中國(guó)純電動(dòng)汽車保有量升至310萬(wàn)輛，達(dá)到自2014年以來的歷史新高。從2014年到2019年，中國(guó)純電動(dòng)汽車保有量從8萬(wàn)輛不斷增加到310萬(wàn)輛，純電動(dòng)汽車市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，呈現(xiàn)出快速擴(kuò)張的趨勢(shì)，社會(huì)對(duì)其發(fā)展看好。但是，純電動(dòng)汽車的配套設(shè)施覆蓋率和技術(shù)水平還有待提高[1]。

首先，整車?yán)m(xù)航的要求越來越高，由于充電樁的發(fā)展普及度相對(duì)滯后，整車急需充電時(shí)找不到充電樁，此時(shí)就需要移動(dòng)充電車來進(jìn)行緊急補(bǔ)給。

其次，純電動(dòng)車輛與傳統(tǒng)營(yíng)運(yùn)車輛相比，取消了發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油系統(tǒng)及變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，變?yōu)閯?dòng)力電池儲(chǔ)能，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，增加了各部件的傳感、控制系統(tǒng)，新的技術(shù)路線在實(shí)際使用過程中也存在諸多問題需要解決[2]。筆者從用戶單位實(shí)際使用調(diào)研得知，動(dòng)力電池、牽引和制動(dòng)系統(tǒng)故障，導(dǎo)向系統(tǒng)、風(fēng)源系統(tǒng)故障是影響車輛正常運(yùn)行和應(yīng)急救援效率的關(guān)鍵。

眾多的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)營(yíng)運(yùn)車輛的應(yīng)急救援進(jìn)行了大量的研究，主要關(guān)注預(yù)防交通事故的發(fā)生。但交通事故具有無法徹底預(yù)防的客觀必然性，因此，在交通事故發(fā)生后進(jìn)行高效快速的應(yīng)急救援，預(yù)防二次事故的發(fā)生，具有重要的意義[3]。目前，在車輛實(shí)際應(yīng)急救援過程中，針對(duì)傳統(tǒng)營(yíng)運(yùn)車輛應(yīng)急救援的經(jīng)驗(yàn)積累較多，但對(duì)純電動(dòng)車輛的故障類型缺乏針對(duì)性救援策略，應(yīng)急救援效率低下。因此，針對(duì)車輛救援過程中關(guān)鍵救援技術(shù)的研究和裝備研發(fā)是提高應(yīng)急救援效率的一個(gè)重要途徑。

2 裝備組成及功能

根據(jù)市場(chǎng)需求，筆者設(shè)計(jì)了一種用于純電動(dòng)車輛應(yīng)急救援的專用車如圖1所示。該車主要由底盤及取力機(jī)構(gòu)、車載移動(dòng)充電系統(tǒng)、卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)、吊臂總成、液壓系統(tǒng)、托臂總成、車尾電、液、氣接口、操作系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池充電接口組成，該裝備具有起吊、托牽、拉拽、硬牽引及搶修功能。

圖1 應(yīng)急救援裝備

3 車載移動(dòng)充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速搶修和輔助救援

此系統(tǒng)由充電系統(tǒng)（補(bǔ)電機(jī)）和液壓動(dòng)力系統(tǒng)組成，針對(duì)純電動(dòng)車典型的故障模式提供救援方案，如表1所示。該系統(tǒng)主要用于事故車輛現(xiàn)場(chǎng)搶修。不同用戶對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)的需求會(huì)有不同，文章只針對(duì)常用的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行說明。

3.1 充電系統(tǒng)

車載移動(dòng)應(yīng)急救援系統(tǒng)救援

表1 純電動(dòng)車輛典型故障模式下工作模式選擇

充電系統(tǒng)采用車輛電瓶提供24V啟動(dòng)電源，補(bǔ)電機(jī)監(jiān)控板上電，控制系統(tǒng)啟動(dòng)和自檢，與儲(chǔ)能電池BMS建立通信，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部DCDC啟動(dòng)，系統(tǒng)輔助電源建立，由DCDC電源模塊給所有控制系統(tǒng)、二次控制回路等進(jìn)行供電，車輛電瓶旁路；同時(shí)增加一個(gè)輸入手動(dòng)開關(guān)，當(dāng)需要給車輛充電時(shí)，此時(shí)需手動(dòng)控制開關(guān)給整個(gè)系統(tǒng)通電，待控制系統(tǒng)初始化完成以后，再給外部車輛充電。如圖2所示，該系統(tǒng)具備DC-DC轉(zhuǎn)換功能，輸出電壓280～750 V，功率100 kW，國(guó)標(biāo)充電槍輸出；緊急輸出電源輸出接口，輸出電流60 A，由補(bǔ)電機(jī)控制儲(chǔ)能電池輸出；3 kWDCDC功能，供應(yīng)車輛蓄電池及照明，具24 V低壓直流快插接口；5 kW DCDC功能，供應(yīng)車輛應(yīng)急轉(zhuǎn)向剎車，具24 V低壓直流快插接口；5 kWACDC功能，供應(yīng)車輛應(yīng)急轉(zhuǎn)向電機(jī)，具380 V高壓交流快插接口；該系統(tǒng)具備對(duì)外快速補(bǔ)電接口，以國(guó)標(biāo)充電槍方式輸出；系統(tǒng)具備兩個(gè)CAN接口，可以同時(shí)和兩組電池組進(jìn)行控制和通信；人機(jī)界面上面可以顯示電池組的信息，操作各種工作模式；補(bǔ)電機(jī)系統(tǒng)具備身份認(rèn)證和計(jì)量，在線更新管理功能。

3.1.1 系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)

圖2 充電系統(tǒng)

手動(dòng)將補(bǔ)電機(jī)的面板上“旋鈕開關(guān)”操作至“ON”（開）位置，系統(tǒng)輔助電源建立，操作面板、進(jìn)入不同模式選擇。如圖3所示，人機(jī)界面可以提供國(guó)標(biāo)充電槍、應(yīng)急模式、儲(chǔ)能電池充電3種充電模式，滿足車輛不同故障模式下，工作模式的選擇。國(guó)標(biāo)充電槍控制原理如圖4所示。

圖3 工作模式選擇

圖4 國(guó)標(biāo)充電槍控制原理

3.1.2 國(guó)標(biāo)充電槍

如圖3所示頁(yè)面上選擇“國(guó)標(biāo)充電槍”，補(bǔ)電機(jī)向SBMS發(fā)送請(qǐng)求放電命令，電池包內(nèi)部放電繼電器RY閉合。進(jìn)入如圖5所示充電模式界面，選擇一種充電模式，點(diǎn)擊“開始充電”，補(bǔ)電機(jī)系統(tǒng)控制的主接觸器KM1/2閉合， 系統(tǒng)高壓電源模塊得電進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，補(bǔ)電機(jī)開始與外部車輛BMS通訊；電源模組得電后充電檢測(cè)完成后，充電槍端接觸器KM5/6閉合，補(bǔ)電機(jī)對(duì)外部車輛BMS充電開始。

達(dá)到一定電量自動(dòng)停止，或者手動(dòng)停止，充電結(jié)束，關(guān)閉KM5/6，此時(shí)補(bǔ)電機(jī)的充電槍電子鎖斷開，將充電槍從外部車輛槍座拔出后將槍線盤好放置?？蛻舭雌聊簧戏健瓣P(guān)閉系統(tǒng)”按鈕，補(bǔ)電機(jī)系統(tǒng)關(guān)閉模塊，隨后關(guān)閉KM1/2繼電器，系統(tǒng)通知SBMS斷開電池接觸器R Y。手動(dòng)將補(bǔ)電機(jī)面板上外接的旋鈕開關(guān)操作至“OFF”（關(guān)）位置，系統(tǒng)斷電停機(jī)。

圖5 充電模式選擇

3.1.3 應(yīng)急模式

將補(bǔ)電機(jī)的外部接插口連接到事故車輛相應(yīng)端口，如圖3所示選擇“應(yīng)急模式”，補(bǔ)電機(jī)向SBMS發(fā)送請(qǐng)求放電命令，電池包內(nèi)部放電繼電器RY閉合。進(jìn)入如圖6所示應(yīng)急模式選擇界面，選擇一種或幾種應(yīng)急模式，補(bǔ)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的接觸器閉合，補(bǔ)電機(jī)對(duì)外部車輛應(yīng)急供電開始。當(dāng)選擇“應(yīng)急供電輸出-高壓”時(shí)，會(huì)彈出確認(rèn)界面，進(jìn)行危險(xiǎn)提示。同時(shí)通過BMS讀取高壓輸出電流信息。使用完成后，關(guān)閉各功能輸出。應(yīng)急模式控制原理如圖7所示。

3.1.4 儲(chǔ)能電池充電

如圖3所示選擇“儲(chǔ)能電池充電”，補(bǔ)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，如果充電完成，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 27930定義，如圖8所示會(huì)顯示SOC 100%，部分車輛由于電池帶有修復(fù)功能，在快充下可能出現(xiàn)95%停止情況。充電結(jié)束，關(guān)閉系統(tǒng)，補(bǔ)電機(jī)系統(tǒng)關(guān)閉DCDC模塊，手動(dòng)將補(bǔ)電機(jī)面板上外接的旋鈕開關(guān)操作至“OFF”（關(guān)）位置，系統(tǒng)掉電停機(jī)，儲(chǔ)能電池充電原理如圖9所示。

圖6 應(yīng)急模式選擇

圖7 應(yīng)急模式控制原理

3.2 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

該系統(tǒng)與應(yīng)急救援裝備液壓系統(tǒng)相互獨(dú)立，主要由電機(jī)泵、液壓油箱和壓力繼電器等組成。如圖9所示，選擇備用液壓供電，從補(bǔ)電機(jī)取24V電源，通過直流電機(jī)帶動(dòng)液壓泵向外部車輛提供16MPa、10L/min動(dòng)力源。如圖10所示，通過2個(gè)壓力繼電器K1、K2檢測(cè)液壓泵口壓力，壓力達(dá)到16MPa（該值可調(diào)）時(shí)停止電機(jī)，動(dòng)力源停止工作，低于8MPa（該值可調(diào)）時(shí)開啟電機(jī)，動(dòng)力源開始工作，對(duì)外輸出動(dòng)力?；謴?fù)外部車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 硬牽引和托牽救援

如現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)快速搶修，需利用救援裝備、采取硬牽引或托牽方式將故障車輛快速托移離開事故現(xiàn)場(chǎng)，恢復(fù)中斷的交通。

3.3.1 硬牽引救援

圖8 SBMS信息

圖9 儲(chǔ)能電池充電

圖10 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

故障車無物理?yè)p壞，具備自行走功能時(shí)，可采用硬牽引桿進(jìn)行應(yīng)急救援。如圖11所示，將牽引桿兩端可靠連接救援車尾部和故障車輛前部牽引鉤。牽引前，需檢查故障車輛情況，可通過連接裝備尾部氣壓接口，解除故障車輛風(fēng)源系統(tǒng)故障；可利用車載移動(dòng)充電系統(tǒng)解除轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障、牽引和制動(dòng)系統(tǒng)故障。全部故障解除后，前車牽引，故障車后部跟隨，快速離開事故現(xiàn)場(chǎng)。

3.3.2 托牽救援

故障車前輪輪胎或車橋損壞，無法實(shí)現(xiàn)自行走功能時(shí)，利用托臂總成，配合作業(yè)輔具叉座和叉架進(jìn)行應(yīng)急救援。如圖12所示，將托臂水平貼地伸縮到故障車前懸可托舉的位置，可靠固定后，將故障車前懸托舉至前輪離地200 mm左右，注意故障車后懸與地面留有足夠的安全距離。托牽行駛前，需檢查故障車輛情況，解除全部故障后，將故障車輛快速托移離開事故現(xiàn)場(chǎng)。后輪輪胎或車橋損壞處理方式相同。如故障車輛不是全輪轉(zhuǎn)向，也可以采用托舉前輪或后輪的方式進(jìn)行應(yīng)急救援。

圖11 硬牽引救援

圖12 托牽救援

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)純電動(dòng)車典型的故障模式設(shè)計(jì)了救援方案，該方案可以解決單一故障模式，也可以同時(shí)解決表1所示典型故障模式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速搶修需求。如遇現(xiàn)場(chǎng)無法快速搶修情況，需要車載移動(dòng)充電系統(tǒng)輔助救援、解除車輛部分或全部故障模式，利用救援裝備、采取硬牽引或托牽方式將故障車輛快速托移離開事故現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)中斷的交通。

筆者針對(duì)純電動(dòng)車輛救援過程中關(guān)鍵救援技術(shù)和裝備進(jìn)行了探索研究，但是，事故現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，應(yīng)急救援無定式，需要用戶單位結(jié)合救援實(shí)際情況，不斷總結(jié)形成典型的救援案例及需求，聯(lián)合設(shè)備制造廠家一起，深入開展應(yīng)急救援技術(shù)研究和裝備研發(fā)，不斷提高事故車輛應(yīng)急救援效率，有效避免長(zhǎng)時(shí)間的交通擁堵，降低營(yíng)運(yùn)企業(yè)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，保證人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。