新能源城市客車多合一集成控制器方案設(shè)計

譚金超　張朋橋　楊國樑　孟春江　石光

【摘? 要】隨著人類生活水平的提高及汽車行業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致對車輛的各方面需求越來越高，且需求的功能也越來越多，從而使客車增加了更多的零部件，這樣使得整車布置變得越來越困難，所以零部件集成化已成必然。本文主要闡述一款新能源城市客車的多合一集成控制器方案設(shè)計，通過從整車電氣原理圖構(gòu)思、控制器原理圖設(shè)計、零部件選型匹配、零部件布置等幾個方面進行闡述，突出整體設(shè)計方案的可持續(xù)發(fā)展性。

【關(guān)鍵詞】新能源；城市客車；多合一集成控制器；零部件選型；零部件布置

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0012-04

Design of Multi-in-one Integrated Controller for New Energy City Bus

TAN Jin-chao，ZHANG Peng-qiao，YANG Guo-liang，MENG Chun-jiang，SHI Guang

（CATARC（Tianjin）Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

【Abstract】With the improvement of human living standards and the development of the automobile industry，the demand for vehicles in all aspects is getting higher and higher，and more and more functions are required，so more parts are added to buses，which makes the layout of the whole vehicle more and more difficult，so the integration of parts has become inevitable. This paper describes the design of a multi in one integrated controller scheme for a new energy city bus，which highlights the sustainable development of the overall design scheme through the whole vehicle electrical schematic design，controller schematic design，parts selection and matching，parts layout and other aspects.

【Key words】 new energy；city-bus；all in one integrated controller；parts selection；layout of parts

當今世界燃油汽車正在逐步退出汽車市場，原因主要是能源緊缺以及汽車尾氣排放造成空氣污染，新能源汽車的推廣勢在必行，尤其是在城市人口密集的地方，因此新能源城市客車已基本取代燃油城市客車。新能源城市客車以新能源作為前進動力，相比燃油客車而言，無大氣污染、無噪聲污染、能源效率高、維修方便，因此在人數(shù)眾多的城市工況，新能源城市客車的發(fā)展已是大趨勢。新能源城市客車的功能布局也在趨于復(fù)雜化，另外近幾年由于國家大力倡導(dǎo)發(fā)展新型氫燃料電池電動載客汽車，也導(dǎo)致這些車輛的本身都配置了各種新類型的大體積零部件，這樣使得整車結(jié)構(gòu)布置變得越來越復(fù)雜，所以零部件集成化已成必然。未來在城市客車領(lǐng)域，多合一集成控制器的優(yōu)勢將會更加明顯。

1? 整車電氣原理圖方案

以某款新能源城市客車為例，其整車集成電氣原理簡圖[1]如圖1所示，動力電池通過PDU對MCU及其他各高壓控制器進行直流高壓電輸出，MCU將直流高壓電轉(zhuǎn)化為交流高壓電給驅(qū)動電機進行高壓電輸入，驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動城市客車的前進。同理，DC/DC實現(xiàn)低壓蓄電池充電及整車低壓電的供給，轉(zhuǎn)向AC及制動AC實現(xiàn)整車的轉(zhuǎn)向及制動功能，PTC及空調(diào)實現(xiàn)整車的制冷及加熱功能，充電口實現(xiàn)充電功能。VCU與BMU根據(jù)駕駛員的駕駛意圖、整車信息、電池信息通過CANbus和低壓信號線實現(xiàn)整車策略及能量管理。為了節(jié)約整車的布置空間，將DC/DC、轉(zhuǎn)向AC、制動AC、PDU進行零部件集成化，同時該方案可減少部分控制器的模具設(shè)計生產(chǎn)，從而降低整車成本，更易實現(xiàn)商業(yè)化。集成后的零部件可以節(jié)約出很大一部分的安裝空間，為汽車其它相關(guān)零部件安裝布置維修及整車的維修等提供了操作便利性。

2? 控制器電氣原理圖設(shè)計

多電合一集成控制器內(nèi)部電路板集成了DC/DC電源變換器、高壓制動轉(zhuǎn)向DC/AC電源變換器、低壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)DC/AC電源變換器、高壓接觸器、預(yù)充電阻、熔斷器、銅排等，其電氣原理圖及外觀圖設(shè)計如圖2、圖3所示。整車高壓上電過程：首先經(jīng)過電池包內(nèi)的主負接觸器吸合輸出高壓電進入到PDU，經(jīng)過PDU內(nèi)部的預(yù)充接觸器吸合，待MCU內(nèi)部的電容完成預(yù)充電后開始主正接觸器吸合，然后斷開預(yù)充接觸器，完成整車的高壓上電過程。電機控制器、PTC、空調(diào)、高壓轉(zhuǎn)向DC/AC變換器、制動DC/AC變換器掛在主正接觸器之后，可有效保證上電過程中過電壓及電流對零部件造成的損傷，DC/DC變換器、低壓轉(zhuǎn)向DC/AC變換器掛在接觸器之前，保證客車在突然出現(xiàn)斷開主正接觸器的故障時可使DC/DC變換器持續(xù)輸出低電壓給低壓轉(zhuǎn)向DC/AC變換器，讓轉(zhuǎn)向電機繼續(xù)正常工作，驅(qū)使客車停在路邊等待檢修，保證了整個客車上乘客的安全。動力電池高壓主負回路MSD開關(guān)內(nèi)配備1級主熔斷器，因此本設(shè)計方案主正回路不配備主熔斷器，否則造成冗余設(shè)計。預(yù)充回路配備預(yù)充電阻，其他高壓回路均配備熔斷器，以防整車短路的風險。同時，低壓轉(zhuǎn)向DC/AC回路可配備1個低壓熔斷器，本方案設(shè)計不予體現(xiàn)。

3? 控制器內(nèi)零部件選型匹配

3.1? 熔斷器選型匹配

高壓熔斷器主要用來保護電路的功能器、接觸器，防止在整車過電流、過電壓的情況下對整車用電回路造成損傷。選型匹配需要考慮以下條件。

1）整車相關(guān)因素：整車電壓等級、熔斷器的電壓等級必須大于整車最大可持續(xù)電壓；最大預(yù)期短路電流、最小預(yù)期斷路電流、熔斷器分斷能力驗證，以及連接方式、環(huán)境溫度等。

2）負載相關(guān)因素：負載額定電壓、額定電流和額定功率；最大可持續(xù)電壓、電流及最大可持續(xù)電流時間；峰值電壓、電流及峰值電流持續(xù)時間；壽命期脈沖沖擊次數(shù)以及故障電流源。

3）回路相關(guān)內(nèi)素：繼電器最大可持續(xù)電流及持續(xù)電流時間；電纜線徑和長度，以及回路電容。

熔斷器額定電流的選取依據(jù)如下：

I_熔=I_額×K / （K_t×K_e×K_v×K_f×K_a×K_b）（1）

式中：I_熔——所選熔斷器的額定電流；I_額——熔斷器下所屬負載的額定電流；K——所屬負載的校正指數(shù)；K_t——溫度校正指數(shù)；K_e——連接件的熱傳遞指數(shù)；K_v——風冷校正指數(shù)；Kf——使用頻率校正指數(shù)；K_a——海拔校正指數(shù)；K_b——熔斷器殼體校正指數(shù)。通過公式（1）計算，可以得到一個初步的熔斷器額定電流值，初步選型完成后，根據(jù)熔斷器下所屬負載的實際運行工況數(shù)據(jù)對熔斷器額定電流值進行參數(shù)校正。新能源城市客車整車電氣參數(shù)見表1。依據(jù)經(jīng)驗，校正指數(shù)K值取值見表2。

K_t、K_e、K_v、K_f的取值參照如圖4～圖7所示。

依據(jù)經(jīng)驗，K_a按照一般海拔高度值取1，K_b按照熔斷器殼體為陶瓷取1，而對于熔斷器殼體為三聚氰胺取0.9。

本文城市客車多合一集成控制器采用陶瓷殼體熔斷器，結(jié)合以上所有校正指數(shù)，根據(jù)公式（1）進行熔斷器的選型。熔斷器選型結(jié)果見表3。

3.2? 預(yù)充電阻選型匹配

整車上電的預(yù)充電過程一般為500ms以內(nèi)，在這個過程中，整車上電電流通過電阻體產(chǎn)生的高熱量來不及被電阻本身吸收，電阻體本身將只能承擔大部分能量。因此要先計算整車啟動時上電的能量，再進行匹配合適的預(yù)充電阻。依據(jù)預(yù)充電阻的計算公式再確定一下預(yù)充電阻的阻值：

T=RC×Ln[（V_bat-V₀）/（V_bat-V_pre）]（2）

式中：T——預(yù)充電阻的預(yù)充電時間；R——預(yù)充電阻的阻值；C——負載兩端的電容值；V_bat——電池包的額定電壓值；V₀——負載兩端上電前的電壓（電壓基本為0）；V_pre——預(yù)充結(jié)束時負載兩端的電壓值，按照經(jīng)驗，V_pre為總電壓Vbat的90%。依據(jù)公式（2）可以簡化公式：

R=T / （C×Ln10）（3）

依據(jù)公式（3），計算得到預(yù)充電阻值，同時依據(jù)公式（4），可計算預(yù)充電阻的功率。

P=V²_bat/ R（4）

式中：P —— 預(yù)充電阻功率。

若經(jīng)計算，發(fā)現(xiàn)預(yù)充電阻功率較大，難以滿足布置要求，則要減小各高壓零部件內(nèi)的電容值，最終得出可以接受的預(yù)充電阻的型號。結(jié)合公式（3）和公式（4）及過載功率曲線圖[2]計算可得出預(yù)充電阻的選型結(jié)果，見表4。

3.3? 接觸器選型匹配

接觸器電路的設(shè)備選型設(shè)計應(yīng)按要求滿足各種被測控制回路設(shè)備類型的技術(shù)要求合理進行，除斷路器額定連續(xù)工作總電壓等級應(yīng)至少與各被控回路設(shè)備類型的最大額定總電壓等相同等級外，被控回路設(shè)備類型的工作負載總功率、使用方式類別、操作負載頻率、工作壽命、接觸器繞組的接觸電阻、實際操作使用溫度中的溫度、安裝結(jié)構(gòu)方式尺寸要求以及綜合經(jīng)濟性分析等，應(yīng)是合理選擇接觸器的依據(jù)。

新能源汽車接觸器選擇時依據(jù)被控制支路電器元件的額定電壓、額定電流、短時過載電流及時間、控制電壓等來做設(shè)計。

I_e=P_e / U_e（5）

I_max=P_max/ U_e（6）

式中：I_e——接觸器的額定電流；P_e——被控制設(shè)備的額定功率；U_e——整車額定電壓；I_max——接觸器的短時過載電流；P_max——被控制設(shè)備的峰值功率。

考慮新能源汽車電路中負載的類別，一般建議選取接觸器的額定電流為不小于其額定電流1.5倍和峰值電流。接觸器選型結(jié)果如表5所示。

3.4? 高壓線纜線徑選型匹配

根據(jù)高壓線束連接電氣設(shè)備的工作特性確定高壓電纜負載電流，依據(jù)負載電流大小及工作環(huán)境選擇合適的導(dǎo)線截面積，根據(jù)高壓導(dǎo)線工作溫升和電壓損失進行校驗。多合一集成控制器內(nèi)銅導(dǎo)線線徑選取可參考表6，表6為標準連接銅導(dǎo)線線徑截面積取值。

3.5? 銅排選型匹配

根據(jù)高壓銅排連接高壓線束的工作特性，確定高壓銅排負載電流，依據(jù)負載電流大小及工作環(huán)境選擇合適的銅排截面積，根據(jù)高壓銅排工作溫升和電壓損失進行校驗。多合一集成控制器內(nèi)銅排截面積選取可參考表7。

3.6? 連接器選型匹配

新能源汽車中用的高壓連接器產(chǎn)品是汽車系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)關(guān)鍵組成產(chǎn)品，主要的部件組成由整車高壓接觸件、絕緣體、殼體蓋片及其他配套電子附件等四大部分材料構(gòu)成。其中，接觸件部分是車輛通過低壓連接器方式可完成各種整車電信號及輸入輸出的連接系統(tǒng)中重要的核心部件，通過整車對接觸件部分間的緊密焊接插合，可同時完成各類車輛系統(tǒng)及在各種安全高速行車的系統(tǒng)中實現(xiàn)所需的傳輸對各種弱電信號系統(tǒng)進行的各種輸入及輸出及連接控制功能等；至于其金屬絕緣體部分和金屬外殼等，則是起各種電子元器件固定、絕緣與隔離作用和其它電氣機械裝置等安全保護的作用。

制造工藝生產(chǎn)技術(shù)過程是一個集精密機械電氣性能分析測試及設(shè)計，數(shù)控機械表面切削技術(shù)加工、沖壓的鑄造成型工藝技術(shù)，塑壓工藝技術(shù)，精密鑄造的精密壓鑄和制造成形工藝技術(shù)，以及嚴格而規(guī)范的焊接品質(zhì)試驗檢測、評價、控制手段等一系列的多元產(chǎn)品加工和技術(shù)過程的有機組合，使制造與生產(chǎn)于一體。為了有效保證高壓連接器產(chǎn)品選型的工作能步入標準化、規(guī)范化，以及提高多合一集成控制器產(chǎn)品的開發(fā)品質(zhì)和競爭力，需要嚴格把控高壓連接器的匹配計算。多合一集成控制器內(nèi)連接器選型結(jié)果參考表8。

3.7? DC/DC變換器選型匹配

新能源城市客車低壓電器負荷的統(tǒng)計是DC/DC變換器選型的重要依據(jù)。因新能源城市客車的特性及相關(guān)法規(guī)要求，在充電期間整車下電，工作設(shè)備的用電需從外部充電機獲取，故在正常狀態(tài)下，其負荷匹配與電器配置、使用工況有關(guān)。整體上，針對新能源客車低壓電器負荷的供電匹配原則為各個工況下整車輸出的最大功率不小于整車相對應(yīng)工況的整車用電需求：

P_DC=P_G≥P_L+P_S+P_N+P_Q（7）

式中：P_DC——DC/DC變換器能夠提供的輸出功率；P_G——某一工況下整車能夠提供的功率，不同工況功率值不同；P_L——長期行駛必須使用的用電器的額定功率；P_S——安全行駛必需的短期使用電器額定功率；P_N——電動部分低壓電氣額定功率；P_Q——整車其他低壓系統(tǒng)在不同工況所需的額定功率。

DC/DC變換器的選型參考公式（7），依據(jù)新能源城市客車低壓電器設(shè)備運行統(tǒng)計表，計算電流=額定功率/額定電壓×整車用量×裕度指數(shù)，計算功率=額定功率×整車用量×裕度常數(shù)。多合一集成控制器內(nèi)DC/DC變換器選型結(jié)果參考表9。

3.8? DC/AC變換器選型匹配

在選用車載DC/AC變換器用電器時，需要進行以下參數(shù)匹配。

1）額定輸入電壓范圍：通過前端動力電池的電壓范圍，即可確定DC/AC變換器的額定輸入電壓范圍；根據(jù)車載DC/DC變換器的輸出電壓范圍，可以確定DC/AC變換器的低壓供電電壓范圍。

2）額定輸出電壓范圍：根據(jù)被控電機的額定電壓范圍，即可確定DC/AC變換器的額定輸出電壓范圍。

3）輸出功率及電流范圍：根據(jù)被控電機的額定功率、峰值功率、額定電流、峰值電流，確定DC/AC變換器的輸出功率及電流范圍，一般車載DC/AC變換器的額定功率在1.5～5.5kW，多數(shù)為3kW左右。

4）電機類型：常見的助力電機有永磁同步電機或異步感應(yīng)電機。針對不同的電機類型需要選擇適配的控制算法，在控制軟件方面需要進行區(qū)分[3]。多合一集成控制器內(nèi)DC/AC變換器選型結(jié)果參考表10。

4? 控制器零部件布置外觀設(shè)計

新能源城市客車多合一集成控制器的設(shè)計過程是先通過三維建模軟件CATIA建立零部件模型，再裝配成控制器。運用軟件的零件設(shè)計功能同零件尺寸的了解畫出零件，然后通過裝配設(shè)計對畫好的各個零件和之前準備好的模組進行裝配，最后完成新能源城市客車多合一集成控制器的三維模型。其零部件布置如圖8～圖10所示。

熔斷器配備絕緣底座，接觸器及預(yù)充電阻下方配備絕緣板以防止發(fā)生短路的風險；轉(zhuǎn)換器下方配備導(dǎo)熱板，多合一集成控制器中部設(shè)計“S”型水道為其上下接觸面提供了良好的導(dǎo)熱性，大大增加了轉(zhuǎn)換器的工作效率；箱體配備泄壓閥以維持內(nèi)部壓力與外界壓力平衡，以防對內(nèi)部零部件造成損壞。

多合一集成控制器的三維模型確認無誤后，將三維模型導(dǎo)出后經(jīng)過修改為CAD二維圖紙進行模具制作，然后進行零部件裝配完成成品。

5? 結(jié)束語

本文針對新能源城市客車多合一集成控制器從整車電氣原理圖構(gòu)思、控制器原理圖設(shè)計、零部件選型匹配、零部件布置設(shè)計、成品展示開展了系統(tǒng)研究。新能源城市客車多合一集成控制器的優(yōu)勢集布置空間小、拆卸方便、便于維修、降低成本等優(yōu)點。在降成本方面，多合一技術(shù)不僅可以降整車成本，還能降零部件和軟件的成本。在提升性能上，多個控制器聯(lián)合之后通信時間由原來通過CAN通信變成芯片內(nèi)部通信，這在將來能夠引申出算法上的創(chuàng)新，前景廣闊。長期看，多合一集成控制器將會成為新能源城市客車市場的重要組成部分。

參考文獻：

[1] 崔勝民. 新能源汽車技術(shù)（第3版）[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2020.

[2] 張緒彬，歐陽天琪. 淺談電動車高壓配電盒選型設(shè)計[J]. 大眾科技，2019，21（12）：42-43，41.

[3] 林程. 電動汽車工程手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2019.

（編輯? 凌? 波）