纯电动矿用卡车电气系统设计

摘 要：本文主要介绍了纯电动矿用卡车电气系统的设计，车辆电气系统主要包括动力电池系统及管理系统、高压配电系统、仪表显示系统、主驱动和辅助驱动系统的设计及整车控制系统的设计，各控制系统之间通过CAN总线进行通讯，整车控制器VCU实时采集车辆各种数据信息，协调各系统控制，实现车辆高压上下电，驾驶员意图判断、动力输出控制、下坡定速巡航功能、辅助驱动系统控制、车辆热管理系统控制、车辆故障分级判断及处理等功能，保证车辆起步平稳、换挡平顺并兼顾車辆动力性能。

关键词：纯电动 矿用卡车 电气系统 控制策略 设计

Electrical system Design of electric Mining truck

He Zhichao

Abstract：This article introduces electrical system design of electric Wide-body dump truck，electrical system of truck include battery management system、power distribution unit、meter display system、main drive system、 auxiliary drive system、vehicle control system，There is CAN bus between each system for the communication .VCU collect data and coordinated control all systems.VCU control function include power on and off、driving intention recognition、power output conrol、cruise control、thermal management、fault diagnosis.  The vehicle starts smoothly、shift-feel and performance.

Key words：Electric truck;Minging Truck ;Electrical System；control strategy；Design

1 引言

90吨矿用卡车是一种非公路型、短距离物料运输自卸车，适用露天矿山开采以及石料、冶金、水利、水泥、建筑等行业掘点和卸矿点间的物料运输。其运行场景具有坡度大、运程短、载荷变化大、线路相对固定、工况复杂的典型特点。针对这种特殊的工况，传统燃油车具有油耗高、维护成本高、寿命较短等缺陷[1]。纯电动宽体自卸车使用动力电池、驱动电机代替了原有的柴油发动机和手动变速箱方案，车辆平路和下坡时，电机工作在回馈制动状态将制动能量转换为电能为动力电池充电，既能够减少机械刹车的使用，延长刹车系统的寿命提升车辆安全性，又能增加车辆的续航里程。纯电动宽体自卸车主要部件基本免维护、防护等级高，特别适用于矿山工况恶劣的场合[2]。

2 电动矿用卡车高压系统结构

电动矿卡主要使用电动部件代替了原有的发动机传动方案，电动矿卡高压部件主要包括动力电池、高压配电单元PDU、直流快充接口、多合一控制器、冷暖空调（电动压缩机和PTC加热器）、转向助力泵、气泵、电池加热和冷却装置，车辆高压系统结构如图１所示：

●动力电池

动力电池是电动矿卡中能源供给装置，需要给整车所有系统提供电能。当电量消耗殆尽后，也需要给电池进行充电。因此其电能流动方向是双向的。

●高压配电盒（PDU）

PDU是一个高压电源中转分配的单元，高压系统中各个组件都需要它进行电量分配。比如电池加热、充电回路、多合一控制器配电等。PDU内部包含各高压可控制回路的熔断器、继电器及预充电回路。同时安装有维修开关，维修开关介于动力电池和PDU之间，这是个必须的元件。当维修动力电池时，使用它可以进行整车高压电的切断，确保维修安全。

●电机控制器与驱动电机

电机控制器将取自多合一控制器的高压直流电转为三相交流电提供给驱动电机。同时控制电机的输出扭矩和旋转方向，实现车辆的启停、前进和后退。另外驱动电机也可以将行驶中产生的机械能（如制动能量），将其转化为电能，最终回馈给动力电池进行电量的补充。

●直流快充接口

快充口的电是高压直流电，可以不经过处理直接通过PDU输送给动力电池进行充电。

●多合一控制器

多合一控制器接收VCU控制指令，控制车辆各辅助驱动系统和主驱动系统，辅助驱动主要包含驾驶室制冷空调压缩机、暖风PTC加热器、转向助力油泵、打气泵、DC/DC的配电和控制。DC/DC主要作用是将动力电池的高压电转换为低压27.5V直流电给低压铅酸电池充电。相比传统离散的控制器，多合一控制器可以减小控制器的总体积，从而节省了车辆的布置空间，同时，多合一控制器减少了离散控制器之间的高压外部接线，降低了故障点，在节省成本的同时，提高了产品的可靠性和安全性。

●辅助高压系统

（1）电动空调压缩机和PTC加热器主要为空调系统核心部件，只要作用是制冷、制热功能；

（2）电动打气泵主要为制动系统提供高压压缩空气；

（3）电动助力油泵为转向系统提供辅助动力；

●热管理系统

热管理系统主要包括加热和制冷功能，保证动力电池工作在适宜温度区间。

3 动力电池的选型和设计

目前主流的电动汽车电池基本选用三元锂电池和磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料、石墨作为负极的锂离子电池，磷酸铁锂电池与三元电池相比具有以下优势：

1.安全性能高：磷酸铁锂分解温度约在600℃，即便在高温或过充时也不会像三元电池一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质。在发生碰撞或短路时也不会发生爆炸；

2.循环寿命长：电芯循环次数达到4000次，PACK成组后达到3000次；

3.高温性能好：温度范围宽广（-20-75）℃，有耐高温特性；

4.更环保：磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属，无毒，无污染。

因此磷酸铁锂电池更適用于矿山这种工况恶劣、环境温度变化范围大、对安全性要求高的场景。电动矿用卡车选用磷酸铁锂电池作为整车的动力来源。车辆两侧各放置一组电池箱，每个电池箱内由5个电池模组串联连接，最终左右两侧电池箱形成双支路并联结构共同为整车供电。动力电池成组后技术参数如表１：

4 高压配电盒设计

高压配电盒（PDU）负责车辆高压系统配电，其作用类似于低压供电系统中的保险盒，主要负责高压电能的分配和高压回路的过载及短路保护。配电盒将动力电池总成输送的电能分配给多合一控制器、电池的加热和冷却装置。此外，直流快充时，充电电流也会经过配电盒流入动力电池为其充电。同时电池管理模块BMS集成于高压盒配电盒内，BMS主要实现以下功能：

●电池总电压和充放电电流的采集功能；

●电池状态的监测，主要包括电池单体电压和温度，电池模组的温度，充电插座温度；

●整车高压连接状态和绝缘状态的监测功能；

●动力电池SOC、SOH的估算功能;

●电池充电和放电策略的制定；

●电池热管理系统的控制；

●电池的均衡控制，保证单体电池的一致性；

●电池的故障诊断和处理功能；

●与整车VCU的通讯功能，响应VCU指令[3]。

PDU内部高压配电如图２所示：

5 动力总成系统设计

车辆传动结构为集中式驱动电机+AMT变速箱+后桥减速器结构，驱动电机选用大功率永磁同步电机，额定功率250KW/峰值功率360KW，与异步电机相比具有更高的运行效率、功率密度和扭矩密度，电机低速时可输出大扭矩，便于车辆起步，电机高速时恒功率输出，使车辆获得更高的车速。

由于宽体自卸车在矿区运行时载荷变化大、坡度大，为了兼顾车辆的爬坡性能、加速性能和经济性要求，动力系统采用7挡AMT变速箱以保证驱动电机持续工作在高效区同时满足车辆动力性需求。AMT变速箱采用无同步器的电控化换挡技术，VCU可根据车速、油门踏板深度、坡度等参数优化换挡逻辑自动完成车辆的升降档控制，实现车辆换挡平顺无冲击，无离合器结构降低变速箱故障率、延长使用寿命[4]，同时不需要驾驶员频繁操作换挡，减轻驾驶员的劳动强度。车辆传动结构图如图3所示：

6 电池热管理系统设计

对于电动汽车而言，必须保证动力电池工作在合理温度范围以内，这就需要通过热管理系统保证电池的使用性能和安全性。电池热管理系统对电池的重要性主要体现在以下几方面：

1.电池容量：磷酸铁锂电池低温性较差，可用容量将迅速发生衰减。-10℃时电池容量衰减达40%，-20℃时容量衰减达60%。

2.电池的安全性：低温条件下对电池进行充电时，锂离子在负极中的扩散被抑制，电解液的导电率下降，从而导致嵌入速率降低而在负极表面上堆积金属锂，形成锂枝晶，容易刺破隔膜与正极相连，造成内部短路，易引发严重的安全事故。

3.电池使用寿命：电池的适宜温度约在10～30℃之间，过高或过低的温度将引起电池寿命的较快衰减。

由于矿用卡车运行时充放电电流较大，因此热管理系统选用散热效率更高的液冷散热技术。液冷散热技术，通过加热或冷却冷却液，保证电池工作温度在25℃-35℃范围内，以维持电池在最佳使用状态，同时可控制单体电芯温差在5℃以内，保证整个电池系统的性能和寿命[5]。

热管理系统内部换热器有2个流道，一个流到内部流通冷却液，另一个流道内部流通制冷剂，单层为冷却液，偶数层为制冷剂，两者进行热交换，冷却液经过热交换后变为低温冷却液进入电池中，对动力电池进行冷却。温度降低时开启PTC加热器加热冷却液，通过冷却液对动力电池进行加热。热管理系统原理图如图４所示：

7 车辆CAN网络设计

CAN英文全称为（Controller Area Network）即局域网控制器，CAN能够实现分布式实时控制，能够将多种车辆控制器进行网络连接，并进行统一控制。伴随着汽车上电控单元的逐渐增多，CAN总线通讯已经广发应用于汽车行业。其主要特点如下：

（1）CAN总线传输只需两根线，多个节点只需挂到总线即可实现节点之间通讯，省掉了节点之间的连线，CAN总线的使用简化了汽车布线的设计，降低了线束的重量，便于汽车轻量化的设计；

（2）CAN总线的信号数据采用差分信号传输，对外界扰动的抵抗能力强，提高了

（3）汽车电控系统的稳定性；

（4）CAN总线网络节点可以表较容易的增加或删减，设计的灵活性大大增强

（5）通信速率最高可达1Mb/s，数据传输速度快，实时性强;

（6）节点在错误严重的情况下具有自动 关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响[6]。

纯电动矿用卡车上电控部件多、控制系统传输数据量大、实时性要求高，因此整车CAN网络系统根据各部件实现功能、数据传输速率的不同、总线负载率的要求主要分为充电CAN1、整车CAN3、动力CAN4、电池内部CAN2，整车CAN通讯网络拓扑图如图５所示：

8 整车控制VCU功能设计

整车控制器VCU是电动汽车的核心部件，车辆的驾驶平顺性、能耗经济性、以及运行可靠性都与VCU的有效控制息息相关。VCU的主要功能可以分为以下几方面：

●车辆高压上下电流程控制；

●驾驶员意图判断，通过油门、刹车、挡位等信号获取驾驶员意图；

●坡道起步及防溜车功能；

●车辆平路及坡道换挡控制策略[7]；

●下坡定速巡航功能；

●整车的动力输出控制及能量回馈策略制定；

●整车的辅助系统控制；

●整车的故障诊断与分级处理；

●车辆的状态监控并通过显示系统反馈驾驶员；

●整车自定义功能设定；

●各部件控制器协调控制；

●优化车量经济性能，提高驾驶舒适性；

●现实数据远程交互、车辆远程监控。

（1）车辆高压上下电流程控制

◆高压上电流程

①整车上低压ON档电，各控制单元被VCU唤醒；

②VCU接收到钥匙Start信号后，闭合主负继电器，检测到主负继电器闭合后延时500ms，闭合预充继电器进行预充；

③预充完成后闭合主正继电器，预充时间不大于1s；

④闭合主正后延时500ms，断开预充继电器，高压上电完成，发送高压上电标志Ready信号。

◆高压下电流程

①待ON档消失（持续500ms）后，BMS等待VCU下电指令。若25s未收到VCU下电指令，BMS会强制下电休眠。

②VCU发送下电指令，关闭整车高压部件使能信号，当母线电流小于5A，则先后断开主正继电器和主负继电器。

③开启快速放电，当检测到母线电压低于36V时，高压下电完成。

④高压下电完成500ms后，VCU进入休眠状态。

（2）驱动控制器策略

电动矿卡需要根据实际使用工况，制定适合车辆的运行策略，以达到提高运行效率，减少能量消耗的目的。因此在响应驾驶员加速踏板、刹车踏板等信息时就需要结合当前车辆状态进行修正并选择合适的扭矩曲线和扭矩响应时间输出合适的扭矩。

（3）能量回馈控制策略

能量回馈是指车辆在制动时利用电机特性进行电能反馈到动力电池同时产生制动力矩的一种能量回收策略。其制动扭矩安全输出问题由以下条件约束：电池最大充电能力约束，电池单体以及SOC状态约束，电机制动能力约束及最低车速限制[8]。

（4）故障分级处理策略

严格控制故障分类分级，根据实际情况制定故障处理机制，保证车辆安全运行。

对故障进行三个等级分类：

a、低等级故障：仪表声光报警，车辆可继续运行；

b、中等级故障：仪表声光报警，车辆50%功率运行，仪表提示降功率；

c、高等级故障：仪表声光报警，停车，切断高压（绝缘电阻、短路、碰撞）。

VCU控制策略基于完整的V流程策略开发模式，采用交互式算法开发及试验验证，在多个环节确保策略安全性；采用数据驱动与基于模型的联合开发方式，可针对具体工况、具体使用环境做定制化、智能化策略开发，提高适配性与安全性[8]。

9 结论

矿用卡车采用纯电驱动后，车辆没有有二氧化碳、氮氧化合物、颗粒物等尾气排放，不会污染环境，车辆不需要更换发动机机油滤和空滤，节省工时和保养费用，提升设备出勤率。整车燃料消耗费用大幅降低。电动矿卡使用成本可节约60%-80%，为用户创造明显的经济效益。特别是重载下工况，可将制动能量进行回收，给动力电池进行充电，增加车辆续航里程的同时，减少机械制动的使用频次，延长制动系统部件的使用寿命。随着电池技术的逐步发展，电动矿卡将逐渐取代传统燃油矿卡。

参考文献：

[1]徐鵬，张华堂.新型矿用纯电动宽体自卸车动力系统设计，现代矿业[J].2019，（3）：163-165.

[2]赵雷雷，王斌.纯电动卡车发展的技术分析与研究，汽车实用技术[J].2013，（2）：25-28.

[3]陈绮龙，孙建国，陈凯等.纯电动汽车电池管理系统国内外研究现状和发展趋势，现代车用动力[J].2022，（1）：1-6，35.

[4]徐凯，王建平，左梦玲等.纯电动汽车AMT换挡控制策略研究，汽车电器[J].2021，（5）：27-29，31.

[5]贾明正，李雪丽，赵志豪.纯电动汽车热管理技术研究，时代汽车[J].2022（8）：121-123.

[6]贺志超.煤矿井下无轨胶轮车电气系统的设计，煤矿机械[J].2010，（12）：16-19.

[7]张金成，王陶，王良模等.纯电动汽车坡道行驶驱动转矩优化控制策略，江苏大学学报[J].2021，42（5）：06-512.

[8]翟世欢，辛明华.纯电动汽车整车控制策略，汽车工程师[J].2014，（12）：28-31.