增程式电动公交电气系统设计

邹利宁，唐键

（西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043）

增程式电动公交电气系统设计

邹利宁，唐键

（西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043）

本文从低压电气、高压电气和CAN总线设计三方面对增程式电动公交电气系统设计做简要分析。

增程式电动客车；电气系统；汽车线束；CAN总线

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-69-03

前言

增程式电动公交是在纯电动公交基础上，增加一套增程器，综合了纯电动车零污染和混合动力车续驶里程长的优点。增程式电动公交电气系统作为整车核心系统之一，设计是否合理直接影响整车电器装置功能、控制通信质量和电安全性。

1、低压电气系统设计

1.1 DC/DC选型

DC/DC是直流电源变换器的简称，在增程式客车低压电源系统中具有举足轻重的作用，是整个低压电源系统的核心零部件。图1表明DCDC在整车低压电气系统中的位置。归纳起来，DC/DC主要实现以下功能：

（1）高压系统上电后，DC/DC为整车低压负载供电；

（2）DC/DC与24V蓄电池并联，为蓄电池充电，保证车辆正常启动；

（3）当整车低压负载超出DC/DC功率极限时，与蓄电池并联，共同为整车供电。

根据车辆行驶过程中电气设备用电时间长短和使用频率计算总功率：

式中：P——整车低压用电设备总功率，kW；

Pi——第i个用电设备功率，kW；

μi——第i个用电设备的使用频度系数。

某12米增程式电动公交客车整车电器设备用功率如表1所示。

根据式（1）中的分析计算，整车电器设备总功率为1715W，一般按照用电功率的1.5～3倍选择DCDC，同时考虑DCDC需要预留部分功率为蓄电池充电，再加上成本、体积和散热等因素，因此综合考虑，选择功率4000W的DCDC。

表1-1 整车低压电器功率统计表

1.2 低压线束设计

如果把汽车的机械结构必做骨架，那么线束无疑就是汽车的神经网络系统。线束设计的好坏直接影响汽车各个电器设备工作状态，同时也影响着整车的工作可靠性和经济性。对于增程式电动车而言，增加了ISG电机和轮边电机系统，同时还有冷却系统ECU等控制器，因此线束设计更多的要考虑控制器之间信号传递的可靠性，因此线束设计要考虑密封性和电磁屏蔽性能。

1.2.1 基本原则

电动车低压线束设计与传统车辆线束设计类似，需要遵循以下基本原则：

（1）蓄电池与DCDC双电源系统。DCDC在电动车中的功能与发电机在常规燃油汽车上的功能一致。车辆启动（高压系统上电）时，蓄电池为整车提供稳定的24V电源；完成启动后，DCDC开始工作。DCDC为整车低压系统主电源。

（2）用电设备并联连接；并联连接，可保证每个用电设备独立正常工作。

（3）单线制。所谓单线制/负极搭铁，就是用电设备的正极与电源相连，负极与车身相连，车身作为用电器的公共负极。这种设计可以明显减少整车线束导线用量，便于线束布置、连接，也便于故障的查找和排除。

1.2.2 低压线束结构设计

为了便于线束的设计、加工和布置装配，增程式电动公交线束设计一般分为车身线束和底盘线束两大模块。两模块分别有一个主线束，底盘主线束和驾驶室主线束总成。两组模块线束之间通过插接器对接，以实现底盘和驾驶室电器功能。从图2-1可以看出车身线束和底盘线束又可以拆分为几个子线束。各子线束一端通过插接器与驾驶室主线束或底盘主线束连接，另一端与分布在驾驶室和底盘的各电器装置对接。通过以上分析，可以总结出增程式电动汽车线束结构设计的几个显著特点：

（1）依据电器装置和总成位置进行模块设计，以便于线束布置和安装为原则，如前照灯线束、车门线束和驾驶室线束总成。

（2）依据系统功能进行设计，如ABS系统线束为独立的线束，包括底盘和驾驶室两部分；底盘部分与ABS电磁阀和传感器连接，驾驶室部分与ABS控制器连接，两部分线束通过专用插接器进行对接。

2、高压电气系统设计

高乐电气系统是电动客车与传统客车的最显著区别之一，增程式电动客车高压主电路电压一般都在500 V以上，因而高压电气系统的设计最重要的是高压电气安全管理设计。 高压电安全主要包括两个关键总成：高压配电箱和绝缘检测仪。下面对这两个关键总成零部件进行详细介绍。

表2-1 高压配电箱元器件汇总表

2.1 高压配电箱

图2-1为高压配电箱原理示意图，结合表2-1可以看出高压配电箱包括高压熔断器、预充电电阻和接触器等部件，是高压系统的控制和安全核心，归纳起来主要实现以下几个方面的功能：

（1）根据车辆运行状态或驾驶员操作指令，控制接触器动作，适时接通和切断高压回路，包括高压主回路，转向助力和制动助力高压回路，以及空调暖风回路。

（2）内置熔断器，对高压零部件进行过流、短路保护，防止瞬时大电流对电器设备造成损坏。

（3）内置预充电电阻，按照整车控制策略对电机控制器及其他需要进行预充电的控制器进行预充电，防止高压瞬间加载到电机控制器造成内部IGBT等元器件损坏。

（4）紧急停车功能。在出现诸如撞击、绝缘故障等较为严重的故障时，可通过驾驶室的急停开关，切断配电箱中的高压主接触器。

2.2 绝缘监测仪

2.2.1 电动汽车高压绝缘问题

电动汽车的高压电系统与底盘之间没有直接的电气连接，即高压用电设备与底盘之间是绝缘的，这是一种不接地系统。不接地系统的优点：系统发生单点对地故障时，系统电力供应不会中断。 直流高压系统的电缆绝缘介质老化或受潮湿环境等因素影响都会导致高压电气系统和车辆底盘之间的绝缘性能下降，电源正极或负极引线将通过绝缘层和底盘之间构成漏电回路，使车辆底盘电位上升，影响低压电气和电机控制器的正常工作，危机驾乘人员的人身安全。当车辆高压电路和底盘之间出现发生多点绝缘性能下降时，会产生热量积聚效应，严重时会引起电气火灾。

因此实时监测高压电气系统相对于车辆底盘的电气绝缘性能是电动汽车电气安全技术的核心内容，对乘客安全和车辆安全运行具有重要的意义。在整车设计时必须考虑对高压绝缘监测进行专门设计！

2.2.2 绝缘监测设备设计原则

（1）绝缘监测设备连接在高压系统和地之间，应能实时在线动态监测系统对地绝缘阻值。

（2）当系统对地的绝缘阻值降至预先设定的响应值时，绝缘监视设备应能输出报警信。

（3）绝缘故障可能发生在任何位置，绝缘检测设备应可以响应发生在任何位置绝缘故障。

3、CAN总线网络设计

增程式电动车采用CAN总线通信，整车控制器通过传感器获取驾驶员的驾驶意图和车况参数，并结合经CAN总线取得的电机、电池组状态参数，进行转矩、能量管理计算，通过CAN总线向电机发送转矩等操作指令。电池管理系统(BMS)将动力电池的温度、电压、充放电电流、SOC等参数通过CAN总线发给总线仪表，总线仪表实时显示SOC、电压、电流等参数。

如表3-1和图3-1，为增程式公交CAN总线网络拓扑结构图表。为了保证CAN总线通信质量和效率，CAN网络设计时应该考虑以下原则：

（1）合理设置通信波特率，对APU、MCU和BMS对通信速率要求较高的节点可以配置速率为500kbps，对位速率要求不高的节点，如DCDC和DCAC可配置为250kbps位速率；

（2）为了保证通信质量，降低错误帧数量。节点分布应考虑子网通信负载率，合理负载率应不超过40%；

（3）CAN总线物理线束应采用屏蔽双绞线制作，屏蔽层应合理接地。

表3-1 CAN总线网络节点汇总表

4、结束语

本文从低压电气、高压电气和CAN总线网络三个方面对增程式电动公交电气系统设计进行简要分析。重点讨论了低压系统电源设计、DCDC电源变换器选型设计和线束设计的一般原则和方法；高压电气系统高压配电箱设计和与安全相关的绝缘监测仪设计以及CAN总线网络设计中应该遵循的一般原则。

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[3]王黎明，夏立等. CAN现场总线系统的设计与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2008.

Program by electric bus electrical system design

Zou Lining, Tang Jian
（Xi'an Rand new energy vehicle technology Development Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710043）

This article from the low-voltage electrical, high-voltage electrical and CAN bus designthree aspects to the stroke increasing electric bus electric system design to make the brief analysis.

extended range electric vehicle; electrical systems; automotive wiring harness; CAN bus.

U463.6

A

1671-7988(2015)04-69-03

邹利宁，助理工程师，就职于西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，从事汽车电气设计工作。