純電動礦用卡車電氣系統(tǒng)設計

摘 要：本文主要介紹了純電動礦用卡車電氣系統(tǒng)的設計，車輛電氣系統(tǒng)主要包括動力電池系統(tǒng)及管理系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)、主驅動和輔助驅動系統(tǒng)的設計及整車控制系統(tǒng)的設計，各控制系統(tǒng)之間通過CAN總線進行通訊，整車控制器VCU實時采集車輛各種數(shù)據(jù)信息，協(xié)調各系統(tǒng)控制，實現(xiàn)車輛高壓上下電，駕駛員意圖判斷、動力輸出控制、下坡定速巡航功能、輔助驅動系統(tǒng)控制、車輛熱管理系統(tǒng)控制、車輛故障分級判斷及處理等功能，保證車輛起步平穩(wěn)、換擋平順并兼顧車輛動力性能。

關鍵詞：純電動 礦用卡車 電氣系統(tǒng) 控制策略 設計

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噸礦用卡車是一種非公路型、短距離物料運輸自卸車，適用露天礦山開采以及石料、冶金、水利、水泥、建筑等行業(yè)掘點和卸礦點間的物料運輸。其運行場景具有坡度大、運程短、載荷變化大、線路相對固定、工況復雜的典型特點。針對這種特殊的工況，傳統(tǒng)燃油車具有油耗高、維護成本高、壽命較短等缺陷[1]。純電動寬體自卸車使用動力電池、驅動電機代替了原有的柴油發(fā)動機和手動變速箱方案，車輛平路和下坡時，電機工作在回饋制動狀態(tài)將制動能量轉換為電能為動力電池充電，既能夠減少機械剎車的使用，延長剎車系統(tǒng)的壽命提升車輛安全性，又能增加車輛的續(xù)航里程。純電動寬體自卸車主要部件基本免維護、防護等級高，特別適用于礦山工況惡劣的場合[2]。

2 電動礦用卡車高壓系統(tǒng)結構

電動礦卡主要使用電動部件代替了原有的發(fā)動機傳動方案，電動礦卡高壓部件主要包括動力電池、高壓配電單元PDU、直流快充接口、多合一控制器、冷暖空調（電動壓縮機和PTC加熱器）、轉向助力泵、氣泵、電池加熱和冷卻裝置，車輛高壓系統(tǒng)結構如圖１所示：

●動力電池

動力電池是電動礦卡中能源供給裝置，需要給整車所有系統(tǒng)提供電能。當電量消耗殆盡后，也需要給電池進行充電。因此其電能流動方向是雙向的。

●高壓配電盒（PDU）

PDU是一個高壓電源中轉分配的單元，高壓系統(tǒng)中各個組件都需要它進行電量分配。比如電池加熱、充電回路、多合一控制器配電等。PDU內部包含各高壓可控制回路的熔斷器、繼電器及預充電回路。同時安裝有維修開關，維修開關介于動力電池和PDU之間，這是個必須的元件。當維修動力電池時，使用它可以進行整車高壓電的切斷，確保維修安全。

●電機控制器與驅動電機

電機控制器將取自多合一控制器的高壓直流電轉為三相交流電提供給驅動電機。同時控制電機的輸出扭矩和旋轉方向，實現(xiàn)車輛的啟停、前進和后退。另外驅動電機也可以將行駛中產生的機械能（如制動能量），將其轉化為電能，最終回饋給動力電池進行電量的補充。

●直流快充接口

快充口的電是高壓直流電，可以不經(jīng)過處理直接通過PDU輸送給動力電池進行充電。

●多合一控制器

多合一控制器接收VCU控制指令，控制車輛各輔助驅動系統(tǒng)和主驅動系統(tǒng)，輔助驅動主要包含駕駛室制冷空調壓縮機、暖風PTC加熱器、轉向助力油泵、打氣泵、DC/DC的配電和控制。DC/DC主要作用是將動力電池的高壓電轉換為低壓27.5V直流電給低壓鉛酸電池充電。相比傳統(tǒng)離散的控制器，多合一控制器可以減小控制器的總體積，從而節(jié)省了車輛的布置空間，同時，多合一控制器減少了離散控制器之間的高壓外部接線，降低了故障點，在節(jié)省成本的同時，提高了產品的可靠性和安全性。

●輔助高壓系統(tǒng)

（1）電動空調壓縮機和PTC加熱器主要為空調系統(tǒng)核心部件，只要作用是制冷、制熱功能；

（2）電動打氣泵主要為制動系統(tǒng)提供高壓壓縮空氣；

（3）電動助力油泵為轉向系統(tǒng)提供輔助動力；

●熱管理系統(tǒng)

熱管理系統(tǒng)主要包括加熱和制冷功能，保證動力電池工作在適宜溫度區(qū)間。

3 動力電池的選型和設計

目前主流的電動汽車電池基本選用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料、石墨作為負極的鋰離子電池，磷酸鐵鋰電池與三元電池相比具有以下優(yōu)勢：

1.安全性能高：磷酸鐵鋰分解溫度約在600℃，即便在高溫或過充時也不會像三元電池一樣結構崩塌發(fā)熱或是形成強氧化性物質。在發(fā)生碰撞或短路時也不會發(fā)生爆炸；

2.循環(huán)壽命長：電芯循環(huán)次數(shù)達到4000次，PACK成組后達到3000次；

3.高溫性能好：溫度范圍寬廣（-20-75）℃，有耐高溫特性；

4.更環(huán)保：磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬，無毒，無污染。

因此磷酸鐵鋰電池更適用于礦山這種工況惡劣、環(huán)境溫度變化范圍大、對安全性要求高的場景。電動礦用卡車選用磷酸鐵鋰電池作為整車的動力來源。車輛兩側各放置一組電池箱，每個電池箱內由5個電池模組串聯(lián)連接，最終左右兩側電池箱形成雙支路并聯(lián)結構共同為整車供電。動力電池成組后技術參數(shù)如表１：

4 高壓配電盒設計

高壓配電盒（PDU）負責車輛高壓系統(tǒng)配電，其作用類似于低壓供電系統(tǒng)中的保險盒，主要負責高壓電能的分配和高壓回路的過載及短路保護。配電盒將動力電池總成輸送的電能分配給多合一控制器、電池的加熱和冷卻裝置。此外，直流快充時，充電電流也會經(jīng)過配電盒流入動力電池為其充電。同時電池管理模塊BMS集成于高壓盒配電盒內，BMS主要實現(xiàn)以下功能：

●電池總電壓和充放電電流的采集功能；

●電池狀態(tài)的監(jiān)測，主要包括電池單體電壓和溫度，電池模組的溫度，充電插座溫度；

●整車高壓連接狀態(tài)和絕緣狀態(tài)的監(jiān)測功能；

●動力電池SOC、SOH的估算功能;

●電池充電和放電策略的制定；

●電池熱管理系統(tǒng)的控制；

●電池的均衡控制，保證單體電池的一致性；

●電池的故障診斷和處理功能；

●與整車VCU的通訊功能，響應VCU指令[3]。

PDU內部高壓配電如圖２所示：

5 動力總成系統(tǒng)設計

車輛傳動結構為集中式驅動電機+AMT變速箱+后橋減速器結構，驅動電機選用大功率永磁同步電機，額定功率250KW/峰值功率360KW，與異步電機相比具有更高的運行效率、功率密度和扭矩密度，電機低速時可輸出大扭矩，便于車輛起步，電機高速時恒功率輸出，使車輛獲得更高的車速。

由于寬體自卸車在礦區(qū)運行時載荷變化大、坡度大，為了兼顧車輛的爬坡性能、加速性能和經(jīng)濟性要求，動力系統(tǒng)采用7擋AMT變速箱以保證驅動電機持續(xù)工作在高效區(qū)同時滿足車輛動力性需求。AMT變速箱采用無同步器的電控化換擋技術，VCU可根據(jù)車速、油門踏板深度、坡度等參數(shù)優(yōu)化換擋邏輯自動完成車輛的升降檔控制，實現(xiàn)車輛換擋平順無沖擊，無離合器結構降低變速箱故障率、延長使用壽命[4]，同時不需要駕駛員頻繁操作換擋，減輕駕駛員的勞動強度。車輛傳動結構圖如圖3所示：

6 電池熱管理系統(tǒng)設計

對于電動汽車而言，必須保證動力電池工作在合理溫度范圍以內，這就需要通過熱管理系統(tǒng)保證電池的使用性能和安全性。電池熱管理系統(tǒng)對電池的重要性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.電池容量：磷酸鐵鋰電池低溫性較差，可用容量將迅速發(fā)生衰減。-10℃時電池容量衰減達40%，-20℃時容量衰減達60%。

2.電池的安全性：低溫條件下對電池進行充電時，鋰離子在負極中的擴散被抑制，電解液的導電率下降，從而導致嵌入速率降低而在負極表面上堆積金屬鋰，形成鋰枝晶，容易刺破隔膜與正極相連，造成內部短路，易引發(fā)嚴重的安全事故。

3.電池使用壽命：電池的適宜溫度約在10～30℃之間，過高或過低的溫度將引起電池壽命的較快衰減。

由于礦用卡車運行時充放電電流較大，因此熱管理系統(tǒng)選用散熱效率更高的液冷散熱技術。液冷散熱技術，通過加熱或冷卻冷卻液，保證電池工作溫度在25℃-35℃范圍內，以維持電池在最佳使用狀態(tài)，同時可控制單體電芯溫差在5℃以內，保證整個電池系統(tǒng)的性能和壽命[5]。

熱管理系統(tǒng)內部換熱器有2個流道，一個流到內部流通冷卻液，另一個流道內部流通制冷劑，單層為冷卻液，偶數(shù)層為制冷劑，兩者進行熱交換，冷卻液經(jīng)過熱交換后變?yōu)榈蜏乩鋮s液進入電池中，對動力電池進行冷卻。溫度降低時開啟PTC加熱器加熱冷卻液，通過冷卻液對動力電池進行加熱。熱管理系統(tǒng)原理圖如圖４所示：

7 車輛CAN網(wǎng)絡設計

CAN英文全稱為（Controller Area Network）即局域網(wǎng)控制器，CAN能夠實現(xiàn)分布式實時控制，能夠將多種車輛控制器進行網(wǎng)絡連接，并進行統(tǒng)一控制。伴隨著汽車上電控單元的逐漸增多，CAN總線通訊已經(jīng)廣發(fā)應用于汽車行業(yè)。其主要特點如下：

（1）CAN總線傳輸只需兩根線，多個節(jié)點只需掛到總線即可實現(xiàn)節(jié)點之間通訊，省掉了節(jié)點之間的連線，CAN總線的使用簡化了汽車布線的設計，降低了線束的重量，便于汽車輕量化的設計；

（2）CAN總線的信號數(shù)據(jù)采用差分信號傳輸，對外界擾動的抵抗能力強，提高了

（3）汽車電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

（4）CAN總線網(wǎng)絡節(jié)點可以表較容易的增加或刪減，設計的靈活性大大增強

（5）通信速率最高可達1Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸速度快，實時性強;

（6）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動 關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響[6]。

純電動礦用卡車上電控部件多、控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大、實時性要求高，因此整車CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)根據(jù)各部件實現(xiàn)功能、數(shù)據(jù)傳輸速率的不同、總線負載率的要求主要分為充電CAN1、整車CAN3、動力CAN4、電池內部CAN2，整車CAN通訊網(wǎng)絡拓撲圖如圖５所示：

8 整車控制VCU功能設計

整車控制器VCU是電動汽車的核心部件，車輛的駕駛平順性、能耗經(jīng)濟性、以及運行可靠性都與VCU的有效控制息息相關。VCU的主要功能可以分為以下幾方面：

●車輛高壓上下電流程控制；

●駕駛員意圖判斷，通過油門、剎車、擋位等信號獲取駕駛員意圖；

●坡道起步及防溜車功能；

●車輛平路及坡道換擋控制策略[7]；

●下坡定速巡航功能；

●整車的動力輸出控制及能量回饋策略制定；

●整車的輔助系統(tǒng)控制；

●整車的故障診斷與分級處理；

●車輛的狀態(tài)監(jiān)控并通過顯示系統(tǒng)反饋駕駛員；

●整車自定義功能設定；

●各部件控制器協(xié)調控制；

●優(yōu)化車量經(jīng)濟性能，提高駕駛舒適性；

●現(xiàn)實數(shù)據(jù)遠程交互、車輛遠程監(jiān)控。

（1）車輛高壓上下電流程控制

◆高壓上電流程

①整車上低壓ON檔電，各控制單元被VCU喚醒；

②VCU接收到鑰匙Start信號后，閉合主負繼電器，檢測到主負繼電器閉合后延時500ms，閉合預充繼電器進行預充；

③預充完成后閉合主正繼電器，預充時間不大于1s；

④閉合主正后延時500ms，斷開預充繼電器，高壓上電完成，發(fā)送高壓上電標志Ready信號。

◆高壓下電流程

①待ON檔消失（持續(xù)500ms）后，BMS等待VCU下電指令。若25s未收到VCU下電指令，BMS會強制下電休眠。

②VCU發(fā)送下電指令，關閉整車高壓部件使能信號，當母線電流小于5A，則先后斷開主正繼電器和主負繼電器。

③開啟快速放電，當檢測到母線電壓低于36V時，高壓下電完成。

④高壓下電完成500ms后，VCU進入休眠狀態(tài)。

（2）驅動控制器策略

電動礦卡需要根據(jù)實際使用工況，制定適合車輛的運行策略，以達到提高運行效率，減少能量消耗的目的。因此在響應駕駛員加速踏板、剎車踏板等信息時就需要結合當前車輛狀態(tài)進行修正并選擇合適的扭矩曲線和扭矩響應時間輸出合適的扭矩。

（3）能量回饋控制策略

能量回饋是指車輛在制動時利用電機特性進行電能反饋到動力電池同時產生制動力矩的一種能量回收策略。其制動扭矩安全輸出問題由以下條件約束：電池最大充電能力約束，電池單體以及SOC狀態(tài)約束，電機制動能力約束及最低車速限制[8]。

（4）故障分級處理策略

嚴格控制故障分類分級，根據(jù)實際情況制定故障處理機制，保證車輛安全運行。

對故障進行三個等級分類：

a、低等級故障：儀表聲光報警，車輛可繼續(xù)運行；

b、中等級故障：儀表聲光報警，車輛50%功率運行，儀表提示降功率；

c、高等級故障：儀表聲光報警，停車，切斷高壓（絕緣電阻、短路、碰撞）。

VCU控制策略基于完整的V流程策略開發(fā)模式，采用交互式算法開發(fā)及試驗驗證，在多個環(huán)節(jié)確保策略安全性；采用數(shù)據(jù)驅動與基于模型的聯(lián)合開發(fā)方式，可針對具體工況、具體使用環(huán)境做定制化、智能化策略開發(fā)，提高適配性與安全性[8]。

9 結論

礦用卡車采用純電驅動后，車輛沒有有二氧化碳、氮氧化合物、顆粒物等尾氣排放，不會污染環(huán)境，車輛不需要更換發(fā)動機機油濾和空濾，節(jié)省工時和保養(yǎng)費用，提升設備出勤率。整車燃料消耗費用大幅降低。電動礦卡使用成本可節(jié)約60%-80%，為用戶創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟效益。特別是重載下工況，可將制動能量進行回收，給動力電池進行充電，增加車輛續(xù)航里程的同時，減少機械制動的使用頻次，延長制動系統(tǒng)部件的使用壽命。隨著電池技術的逐步發(fā)展，電動礦卡將逐漸取代傳統(tǒng)燃油礦卡。

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