一種新型純電動客車充電配電控制系統(tǒng)

劉景凱, 張景濤, 裴崇利, 韓經(jīng)魯, 李明超

(中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000)

目前純電動相關(guān)技術(shù)日趨成熟[1],純電動客車充電過程的配電控制方案有多種形式,加之海外市場為非國標(biāo)充電接口,這使得電動客車充電的控制方案更加多樣化[2]。本文在分析純電動客車現(xiàn)有充電配電控制方案的基礎(chǔ)上,介紹一種新型的充電配電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能解決目前純電動客車充電過程中存在的問題,還能兼容國標(biāo)及非國標(biāo)充電接口,保證整車用電安全,為純電動客車充電配電控制設(shè)計(jì)提供一種思路。

1 純電動客車充電配電控制的典型形式

純電動客車一般都有手動機(jī)械電源開關(guān),車輛在無人使用時(shí),手動機(jī)械電源開關(guān)應(yīng)為斷開狀態(tài),從而將整車供電電路切斷,所有部件均為斷電狀態(tài),確保用電安全可控[3-4]。

1.1 純電動客車充電時(shí)電器部件工作描述

根據(jù)國標(biāo)要求和從安全角度考慮,純電動客車在充電時(shí),遠(yuǎn)程監(jiān)控終端應(yīng)從車輛上采集整車及各個(gè)部件的有關(guān)數(shù)據(jù)[5],這些數(shù)據(jù)包含車輛狀態(tài)、充電狀態(tài)、運(yùn)行模式、車速、累計(jì)里程等[6]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)采集需求,充電過程中需工作的部件應(yīng)有組合儀表、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、整車控制器、集成電源、電池管理系統(tǒng)(BMS)等。其主要工作內(nèi)容如下:組合儀表發(fā)送車速、里程等信息給CAN網(wǎng)絡(luò);遠(yuǎn)程監(jiān)控終端記錄并存儲整車的數(shù)據(jù);整車控制器發(fā)送整車信息(車輛狀態(tài)、運(yùn)行模式等)報(bào)文給CAN網(wǎng)絡(luò);集成電源帶DC/DC模塊,可將高壓電池高壓直流電轉(zhuǎn)為低壓24 V直流電,給整車提供24 V電源[7-8];BMS發(fā)送高壓電池狀態(tài)報(bào)文給CAN網(wǎng)絡(luò),同時(shí),BMS也帶小型DC/DC模塊[9],一般用于喚醒BMS及高壓配電箱工作。

國標(biāo)充電槍具備低壓輔助充電電源[10],高壓電池與充電槍充電連接確認(rèn)后,此輔助充電電源有輸出。歐標(biāo)充電槍不具備輔助充電電源,一般需外設(shè)充電開關(guān),用于控制充電狀態(tài)。

目前市場上的充電配電控制技術(shù)方案繁多,各有利弊,典型的方案主要有以下2種。

1.2 方案一及其優(yōu)缺點(diǎn)

車輛充電時(shí),手動機(jī)械電源開關(guān)開啟,鑰匙處于ON擋,整車所有電器部件均處于工作狀態(tài),完成充電后,再由人員關(guān)閉ON擋及手動機(jī)械電源開關(guān)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,無需額外設(shè)置配電線路及控制模塊,缺點(diǎn)是需要專人現(xiàn)場維護(hù)。因夜間電價(jià)便宜,電動客車夜間充電可節(jié)省電費(fèi),獲得較大經(jīng)濟(jì)效益[11]。但該方案需專人進(jìn)行充電的實(shí)時(shí)監(jiān)管,無法滿足人性化要求,充電過程中工作部件較多,需要靠人員經(jīng)常巡檢來控制充電安全,無法有效規(guī)避安全隱患,一旦發(fā)生故障,難以及時(shí)發(fā)現(xiàn),且有潛在風(fēng)險(xiǎn),如在充電過程中誤操作啟動鑰匙,可能會損壞高壓接觸器,從而影響整車安全。

1.3 方案二及其優(yōu)缺點(diǎn)

該方案不需要人為操控手動電源開關(guān)及ON擋開關(guān),手動電源斷開即可實(shí)現(xiàn)充電控制,但需配置單獨(dú)的充電模式控制模塊來控制充電過程。

如圖1所示,充電模式控制模塊在收到充電信號時(shí),通過對整車報(bào)文信息及充電信息的判斷,內(nèi)置DC/DC變換器將高壓電池高壓電轉(zhuǎn)換為24 V低壓電,進(jìn)而輸出電源喚醒充電時(shí)需要工作的部件。

圖1 帶充電控制模塊充電系統(tǒng)簡圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)是控制方便可靠,充電后自動斷開電路,無需人工管理。缺點(diǎn)是需要設(shè)置單獨(dú)的控制模塊及線路,整車成本增加;整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易檢修,成本高,可靠性差,可配置性差,維修時(shí)需整體更換模塊,使用成本較高。

2 一種新型的充電配電控制系統(tǒng)

為解決目前技術(shù)方案多、運(yùn)營維護(hù)繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不夠人性化、造價(jià)成本高等問題,本文特提出一種新型技術(shù)方案,可替代以上方案,實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的控制。

2.1 新型充電控制系統(tǒng)架構(gòu)

該新型架構(gòu)(如圖2所示)以簡單實(shí)用的繼電器、保險(xiǎn)等電路構(gòu)建配電控制模塊,充分利用純電動客車部件的工作特點(diǎn)及優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)配電過程中精確有效的配電管理。

圖2 新型充電控制系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)以配電控制模塊為核心,進(jìn)行充電過程中的配電控制,國標(biāo)充電槍輔助電源或歐標(biāo)充電槍充電開關(guān)只控制高壓電池自帶DC/DC模塊,高壓電池正常充電后才輸出24 V低壓電,避免充電槍輔助電源因輸出電壓低或功率小而無法喚醒部件問題,實(shí)現(xiàn)更精確的充電控制。同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單明了,便于檢修維護(hù),性價(jià)比高。

2.2 新型充電控制系統(tǒng)工作原理

如圖3所示,設(shè)置以上配電盒部分,DC/DC設(shè)置在手動機(jī)械開關(guān)后;蓄電池正極設(shè)置在手動機(jī)械開關(guān)前;歐標(biāo)充電開關(guān)設(shè)置在手動機(jī)械開關(guān)前,與蓄電池正極線并接;在集成電源工作電路上設(shè)置繼電器K1,在儀表工作電路上設(shè)置繼電器K2,在遠(yuǎn)程終端工作電路上設(shè)置繼電器K3,在整車控制器喚醒電路上設(shè)置繼電器K4,將點(diǎn)火電源與繼電器K4連接,實(shí)現(xiàn)整車控制器喚醒電與點(diǎn)火電源的連接。

圖3 新型充電控制系統(tǒng)工作原理

1) 純電動客車在充電過程中,手動機(jī)械開關(guān)S1是處于斷開狀態(tài),即低壓電池與整車供電斷開,保證車輛在無人值守且高壓充電中,車輛其他設(shè)備不工作,降低能耗的同時(shí),確保整車用電安全。

2) 車輛處于高壓啟動狀態(tài)時(shí),手動機(jī)械開關(guān)S1處于閉合狀態(tài),集成電源DC/DC給整車提供電源,同時(shí)給低壓電池進(jìn)行充電。此時(shí),繼電器K1、K2、K3、K4均為常閉觸點(diǎn),集成電源、儀表、遠(yuǎn)程終端、整車控制器等均可進(jìn)行正常工作。

3) 由國標(biāo)充電槍對車輛進(jìn)行充電時(shí),國標(biāo)充電槍輸出的輔助電源進(jìn)入電池管理系統(tǒng),由電池管理系統(tǒng)的DC/DC模塊輸出24 V電源給充電電源D11供電;歐標(biāo)充電槍對車輛進(jìn)行充電時(shí),由于歐標(biāo)充電槍不具備輔助電源輸出功能,此時(shí),需閉合單獨(dú)設(shè)置的充電開關(guān),由24 V低壓電池提供電源給高壓電器箱,再由電池管理系統(tǒng)的DC/DC模塊輸出24 V電源給充電電源D11供電。

4) 車輛正常充電后, K1、K2、K3繼電器吸合,由D11給集成電源工作電D4、儀表工作電D5、遠(yuǎn)程終端工作電D6、整車控制器工作電D7、整車控制器喚醒電D8供電,通過充電電源D11給儀表充電喚醒電D9、遠(yuǎn)程終端充電喚醒電D10供電,儀表、遠(yuǎn)程終端、整車控制器的工作電和喚醒電有電,此3個(gè)部件均正常工作;集成電源的工作電D4有電,集成電源DC/DC正常工作,可為整車提供24 V電源[12]。

2.3 新型充電控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

2.3.1 新型充電控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1) 結(jié)構(gòu)簡易可靠,既可集成也可單獨(dú)設(shè)置在配電盒中,通過繼電器回路即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的充電過程控制,節(jié)省人工,安全有效,維護(hù)維修簡單。

2) 集成了國標(biāo)充電、歐標(biāo)充電槍充電配電控制,形成了統(tǒng)一的技術(shù)路線,實(shí)現(xiàn)了充電過程低壓配電控制系統(tǒng)的兼容適應(yīng)性。

3) 規(guī)范了高壓電池充電過程中各電器部件的工作狀態(tài),有效利用了各電器部件的工作性能及特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了充電狀態(tài)信息的有效保存,有利于車輛安全狀態(tài)的維護(hù)。

4) 定義了充電過程中的低壓配電控制邏輯,提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的充電過程控制技術(shù)路線,實(shí)現(xiàn)了電器部件的集中精確有效控制。

2.3.2 新型充電控制系統(tǒng)缺點(diǎn)

1) 無法實(shí)時(shí)判斷充電過程中各部件的工作狀態(tài),需經(jīng)常檢查繼電器及線路是否正常。

2) 充電過程過度依賴于高壓電池自帶DC/DC模塊,若DC/DC模塊損壞或功率輸出不足,將無法正常充電。

3)該控制系統(tǒng)無自檢功能,如損壞需逐個(gè)排查線路板、繼電器等,耗時(shí)耗力。

3 結(jié)束語

本文提出了一種新型純電動客車充電控制系統(tǒng)方案,該方案結(jié)構(gòu)簡單且便于維護(hù)保養(yǎng),無需增加更多額外的成本,可根據(jù)實(shí)際需求集成或單獨(dú)設(shè)置在配電盒中,可實(shí)現(xiàn)與不同配電要求的匹配兼容,更大地發(fā)揮了通用性、復(fù)合性。