純電動(dòng)重型載貨汽車相對(duì)燃油重型載貨汽車，整車動(dòng)力域取消了發(fā)動(dòng)機(jī)，增加了動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔機(jī)電源等。整車動(dòng)力域由整車控制器來完成上層協(xié)調(diào)控制。電氣線束作為汽車的大動(dòng)脈，為整車上所有電器件供電，傳輸各控制器的通信信號(hào)，保證了整車各項(xiàng)功能的正常運(yùn)行。高壓電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高壓上下電、動(dòng)力電池充放電傳輸、人員觸電防護(hù)等功能。本文將就純電動(dòng)重型載貨汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開介紹。
1 電動(dòng)汽車部件組成
首先對(duì)電動(dòng)汽車增加的部件加以說明，見表1。

表1 電動(dòng)汽車常用部件
目前電動(dòng)汽車有兩個(gè)電壓平臺(tái)，分別是低壓電平臺(tái)和高壓電平臺(tái)。低壓電平臺(tái)和燃油車電平臺(tái)一致，額定電壓24 V。高壓電平臺(tái)是電動(dòng)汽車*的，純電動(dòng)重型載貨汽車高壓電平臺(tái)電壓一般為600 V。電動(dòng)汽車中驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、電源變換器、電動(dòng)空調(diào)、PTC都是在高壓電平臺(tái)下工作。
2 低壓線束設(shè)計(jì)
純電動(dòng)重型載貨汽車低壓線束總成分為三大塊：駕駛室線束總成、車架線束總成和底盤線束總成。電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)復(fù)雜，集成度高，涉及高壓、低壓電器件，電磁環(huán)境惡劣。純電動(dòng)重型載貨汽車的低壓線束設(shè)計(jì)過程中，除了考慮重型載貨汽車運(yùn)行中的苛刻路況條件（載重、震動(dòng)、灰塵等）外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)汽車的EMC問題。
2.1　電源分配設(shè)計(jì)
低壓線束設(shè)計(jì)中，合理進(jìn)行系統(tǒng)電源分配能提高汽車安全性。首先是常電配電設(shè)計(jì)，常電配電是將電器部件電源接口引至蓄電池直接取電，這類部件是在點(diǎn)火鑰匙從點(diǎn)火開關(guān)拔下后還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)、高壓下電流程執(zhí)行和常電工作負(fù)載待機(jī)。例如：整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、儀表、危險(xiǎn)報(bào)警燈、防盜控制器等。常電配電部件休眠待機(jī)后的靜態(tài)功耗一般設(shè)計(jì)要求≤3 mA。
其次是ON擋配電設(shè)計(jì)，點(diǎn)火開關(guān)打到ON擋時(shí)，全車大部分電器部件都可以工作。在這個(gè)擋位，通常有IG1和IG2兩個(gè)觸點(diǎn)，兩個(gè)觸點(diǎn)的區(qū)別在于ST擋的時(shí)候IG1有電，IG2無電，燃油重型載貨汽車這種設(shè)計(jì)可以在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候?qū)⑿铍姵氐碾娏考泄┙o起動(dòng)機(jī)。在設(shè)計(jì)純電動(dòng)重型載貨汽車的時(shí)候定義ST擋為高壓上電擋位，高壓上電不需要蓄電池提供大電流，這樣就可以降低蓄電池的選型容量，或者用儲(chǔ)能型蓄電池替換起動(dòng)型蓄電池，進(jìn)一步降低蓄電池成本。
2.2　搭鐵分配設(shè)計(jì)
搭鐵分配設(shè)計(jì)在線束設(shè)計(jì)中是非常重要的，一旦搭鐵點(diǎn)分配不合理，就會(huì)導(dǎo)致電器件正常功能受到干擾失效。駕駛室搭鐵點(diǎn)采用的是焊接螺母，底盤車架搭鐵點(diǎn)是車架孔，通過鋸齒墊和搭鐵螺栓進(jìn)行搭鐵。
選擇搭鐵點(diǎn)時(shí)，弱信號(hào)傳感器應(yīng)單獨(dú)就近搭鐵，以保證信號(hào)正常傳輸；各ECU應(yīng)單獨(dú)搭鐵，重要安全件要進(jìn)行復(fù)式搭鐵，防止ECU被干擾；阻性負(fù)載和感性負(fù)載盡量分開搭鐵。
2.3　三維線束布置
三維布線原則：①凡穿越金屬件孔或金屬棱角，線束必須有彈性護(hù)套管保護(hù)；②線束布置應(yīng)沿邊、沿槽，防止線束直接承受壓力；③線束必須可靠固定，不允許有大于300 mm的懸空布線；④線束走向應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高溫發(fā)熱物體，避免傳導(dǎo)熱和輻射熱的傷害；⑤運(yùn)動(dòng)件、開閉件間的線束要留足低開度的長(zhǎng)度；⑥線束布線考慮工藝裝配順序和裝配的方便性；⑦需要考慮插接件的占用空間和對(duì)接操作空間；⑧無法實(shí)現(xiàn)雙手操作空間的部位，應(yīng)將插接件一側(cè)做固定安裝，以便于單手操作。
3　高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目前純電動(dòng)重型載貨汽車的高壓電平臺(tái)為DC 600 V左右。高壓電氣系統(tǒng)是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車一個(gè)為顯著的區(qū)別。高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)重要點(diǎn)，一是高壓配電箱，二是高壓線束。高壓配電箱進(jìn)行車輛高壓電源分配，而高壓線束設(shè)計(jì)要考慮到大電流的流經(jīng)。
3.1　高壓配電箱
整車高壓電氣系統(tǒng)中，為了起到電源濾波作用，電機(jī)控制器會(huì)在直流母線端并聯(lián)電容。由于電容并聯(lián)在母線正負(fù)極兩端，當(dāng)高壓電源接通時(shí)，電容上無電荷或只有很低的殘留電壓。當(dāng)無預(yù)充電時(shí)，主接觸器KM+、KM-直接與電容接通，此時(shí)動(dòng)力電池組電壓有600 V高壓，而負(fù)載電容上電壓接近0，相當(dāng)于瞬間短路，負(fù)載電阻僅僅是導(dǎo)線和接觸器觸點(diǎn)的電阻，一般小于20 mΩ。根據(jù)歐姆定律，瞬間電流為600/0.02=30000 A。接觸器KM+和KM-必?fù)p壞。高壓配電的核心思想就是電流緩沖以防止瞬間大電流對(duì)電器件造成損壞，因此其主要結(jié)構(gòu)為預(yù)充電電路。典型的預(yù)充電電路如圖1［1］所示。

圖1　預(yù)充電電路
圖1中F為高壓熔斷器，KM+為母線正極主接觸器，KM-為母線負(fù)極主接觸器，KMp為預(yù)充電接觸器，R為預(yù)充電阻。預(yù)充電過程為：首先控制KM-接通，然后控制預(yù)充電接觸器KMp接通，整車控制器判斷預(yù)充電完成后接通主接觸器KM+，斷開預(yù)充電接觸器KMp，這時(shí)高壓上電完成。還有一種簡(jiǎn)化的預(yù)充電電路，即圖1中沒有KMp接觸器。預(yù)充電電路在這里起到了限制電源接通瞬間對(duì)電容器充電電流的作用，以保護(hù)電器件不會(huì)因電容器瞬間的短路電流而損壞。
電壓上升表現(xiàn)為指數(shù)上升直到預(yù)充電過程完成，典型時(shí)長(zhǎng)約為1～2 s。圖2是實(shí)車預(yù)充電過程。由圖2可看出，電池使能后綠色信號(hào)線從0變?yōu)?之后，開始預(yù)充電，黃色的母線電壓緩慢上升至檢測(cè)線時(shí)與電池電壓基本一致（有誤差存在）。從圖2中下方時(shí)間軸可看出預(yù)充電過程時(shí)間不到0.5 s。

圖2　實(shí)車預(yù)充電過程
3.2　高壓線束設(shè)計(jì)
高壓線束主要是用于從動(dòng)力電池組到高壓配電箱，高壓配電箱到各電力系統(tǒng)負(fù)載的動(dòng)力電傳輸回路連接，必須滿足電力系統(tǒng)負(fù)載的長(zhǎng)期載流量需求。以車輛額定電壓600 V、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為100 kW為例，電流大小約為100 kW/600 V=167 A。
目前，在高壓線束的設(shè)計(jì)和選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)期載流量需求來選定合適的電纜截面積。由于純電動(dòng)重型載貨汽車電力系統(tǒng)負(fù)載的功率比較大，高壓線束選取的都是大線徑電纜。大線徑電纜柔韌性較差，會(huì)加大高壓線束在車輛上布置的難度。這就對(duì)高壓線束用的電纜選擇提出了更高的要求，在滿足車輛大電流通過需求時(shí)，線纜直徑要盡可能地小，以提高高壓線束的柔韌性，同時(shí)減小質(zhì)量和成本。
根據(jù)銅業(yè)協(xié)會(huì)（中國(guó)）編著的有關(guān)《銅芯電線電纜載流量標(biāo)準(zhǔn)》推薦的載流量計(jì)算公式
I = A×Sm-B×Sn
式中：I——載流量，A；S——導(dǎo)體的標(biāo)稱截面積，mm2；A、B——系數(shù)，視電纜類型和敷設(shè)方式而定；m、n——指數(shù)，視電纜類型和敷設(shè)方式而定。
此處以驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器到動(dòng)力電機(jī)的3根母線為例進(jìn)行選型和計(jì)算。根據(jù)電纜基材選用聚乙烯基，截面積為50 mm2，3根電纜的敷設(shè)方式為在自由空氣中3根水平并列（室溫25℃），電纜高工作溫度為70℃。據(jù)上述條件，查表知，A=22，B=2.8×10-13，m=0.58，n=5.9，計(jì)算得到I=212 A。
根據(jù)動(dòng)力電機(jī)的額定功率為100 k W ，額定電壓為600 V，計(jì)算得額定電流為167 A。因此，所選電纜的載流量可以滿足電機(jī)母線上流過的電流需求。
4 車輛網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確車輛上都有哪些CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，比如哪些是基礎(chǔ)車型就有配置的且不能取消，哪些是電動(dòng)汽車需要增加的。陜汽燃油車車型，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、ABS、儀表以及天行健（陜汽開發(fā)的監(jiān)控終端）。電動(dòng)汽車*的有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池以及一些輔機(jī)系統(tǒng)。電動(dòng)汽車取消發(fā)動(dòng)機(jī)，為了保證動(dòng)力控制更可靠性能，將整車分為兩個(gè)網(wǎng)段，即動(dòng)力網(wǎng)段和車身網(wǎng)段，通信速率都為250 kb/s。根據(jù)GB/T 32960.3—2016電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范的要求，主機(jī)廠要獲得車輛的生產(chǎn)資質(zhì)，車輛還應(yīng)配備有遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，因此車輛網(wǎng)絡(luò)上還應(yīng)有遠(yuǎn)程監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)。車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />
表2 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)及地址分配
車輛通信網(wǎng)絡(luò)涉及的通信節(jié)點(diǎn)及地址分配見表2。
圖3中，整車控制器有兩路CAN，作為BCAN和PCAN的網(wǎng)關(guān)。監(jiān)控終端有兩路CAN，兩條CAN網(wǎng)段上的節(jié)點(diǎn)信息監(jiān)控終端都可以直接采集。PCAN2上只有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和整車控制器兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，避免了其他節(jié)點(diǎn)的發(fā)送報(bào)文的影響。監(jiān)控終端由于只有接收?qǐng)?bào)文且優(yōu)先級(jí)都比較低，因此不良影響幾乎沒有，可以直接忽略。
5 結(jié)束語
本文主要介紹了純電動(dòng)重型載貨汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中幾個(gè)重要的方面，是本人在設(shè)計(jì)過程中的淺見，希望專業(yè)人士提出寶貴意見。