陳國強(qiáng)， 蘇 航， 林裕鐘

(1.廈門城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與自動(dòng)化工程系， 福建 廈門 361008；2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023)

純電動(dòng)客車的低壓設(shè)備電源一般通過將其動(dòng)力電池高壓電(直流400～600 V)經(jīng)DC/DC模塊轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪弘?直流24～28 V)來獲得，即整車會(huì)標(biāo)配一個(gè)高壓控制柜，含DC(高壓)/DC(低壓)功能模塊來實(shí)現(xiàn)低壓供電。電氣設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)低壓供電方案時(shí)要考慮DC/DC模塊的輸出功率是否滿足用電需求。因此，有時(shí)設(shè)計(jì)人員怕設(shè)計(jì)失誤，往往是簡(jiǎn)單地將各個(gè)用電設(shè)備的功率進(jìn)行累加后求用電總功率，然后就直接判斷原標(biāo)配DC/DC模塊功率是否需要加大,或是否要額外增加1個(gè)DC/DC模塊。這樣的做法可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)冗余過大，增加設(shè)備成本和設(shè)備安裝空間。

1 某電動(dòng)輕客實(shí)際應(yīng)用問題

輕型客車物料成本管控嚴(yán)格及可布置設(shè)備空間小[1-2]，如一款輕客6706電動(dòng)車，其車長(zhǎng)7 m、寬2.05 m，整車高壓艙內(nèi)布滿了電機(jī)、電機(jī)控制器、打氣泵、高壓控制柜等。一般客車設(shè)計(jì)供電方案是要求電空調(diào)頂機(jī)內(nèi)自帶DC/DC模塊，如圖1中的方案1，但在該款車型設(shè)計(jì)時(shí)電空調(diào)廠家提出因頂機(jī)內(nèi)部空間緊張，無空間安裝空調(diào)的DC/DC模塊，希望取消并從整車DC/DC模塊直接供電給空調(diào)低壓用電設(shè)備，如圖1中的方案2。但經(jīng)電氣設(shè)計(jì)工程師估算，加上空調(diào)低壓用電后的整車低壓用電總功率已大于整車標(biāo)配的高壓控制柜DC/DC功能模塊的輸出功率，不同意請(qǐng)求方案，仍要求按圖1中的方案1執(zhí)行。但如果采用方案2，一方面可以降低空調(diào)成本；另一方面解決空調(diào)自帶DC/DC模塊安裝問題。筆者根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步判定已有DC/DC模塊功率輸出是足夠使用的。下面進(jìn)行分析論證。

圖1 電路連接與測(cè)試點(diǎn)圖

2 理論電耗分析

為了能夠準(zhǔn)確分析電耗，需要先對(duì)整車所有低壓設(shè)備用電功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在要求電空調(diào)工作的前提下，將整車低壓設(shè)備用電情況分為 “全開”、“夏季夜間雨天”、“夏季白天晴天”3種模式。 一般情況下“全開”模式的使用工況是很少的，“夏季白天晴天”模式是車輛實(shí)際使用最多的工況， “夏季夜間雨天”模式是車輛實(shí)際使用較為惡劣的工況[3-5]。

表1 整車低壓設(shè)備功率用電情況統(tǒng)計(jì) W

由表1可知，簡(jiǎn)單粗略地根據(jù)“全開”模式來計(jì)算整車低壓設(shè)備用電需求總功率約為3.9 kW,確實(shí)是大于原整車標(biāo)配的高壓控制柜DC/DC功能模輸出功率3 kW。事實(shí)上，各用電設(shè)備有使用頻率問題，準(zhǔn)確計(jì)算出總電功率需要乘以使用頻率的權(quán)重系數(shù)(權(quán)重系數(shù)因各整車廠自定義有差異，本文不展開討論)，加權(quán)后總的電功率需求會(huì)小很多。實(shí)際上“夏季夜間雨天模式”已是車輛實(shí)際使用的較為惡劣的工況，基本接近綜合工況。從表1可知，“夏季夜間雨天模式”約為2.7 kW，小于原整車標(biāo)配的高壓控制柜DC/DC功能模塊輸出功率3 kW，可以初步判定空調(diào)系統(tǒng)無需額外增加DC/DC模塊給其自身低壓設(shè)備供電。這僅是理論估算，需要進(jìn)行實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證。

3 實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試方案

選用橫河WT3000電功率測(cè)試儀，該測(cè)試儀有4個(gè)測(cè)量模塊，可以同時(shí)測(cè)量4個(gè)電壓4個(gè)電流(霍爾電流傳感器采集)?；魻栯娏鱾鞲衅鲗⒉杉降碾娏餍盘?hào)輸入測(cè)試儀主機(jī)，加上測(cè)量到的電壓信號(hào)，測(cè)試儀主機(jī)可以通過精確計(jì)算得出當(dāng)前電功率或高精度積分運(yùn)算得出測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的功耗[6-7]。

車輛動(dòng)力電池組輸出的高壓電經(jīng)高壓控制柜后進(jìn)行分配，一部分高壓電輸出給空調(diào)高壓系統(tǒng)、高壓打氣泵、高壓轉(zhuǎn)向泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，一部分高壓電需轉(zhuǎn)換為低壓27 V給低壓電瓶、空調(diào)系統(tǒng)等整車其他低壓設(shè)備供電。其中空調(diào)系統(tǒng)低壓設(shè)備供電可采用方案2直接連接上整車高壓控制柜DC/DC模塊輸出端；也可以采用方案1增設(shè)1個(gè)DC/DC模塊，DC/DC模塊一側(cè)直接連接原供電空調(diào)高壓設(shè)備的高壓端子，另一側(cè)接空調(diào)系統(tǒng)低壓設(shè)備。本文實(shí)車驗(yàn)證是方案2下低壓供電使用情況，如圖1所示。

圖1中根據(jù)實(shí)際電流走向設(shè)置了3個(gè)采集點(diǎn)：采集點(diǎn)1安裝在動(dòng)力電池端，測(cè)試的電流或功率設(shè)為I1或P1；采集點(diǎn)2安裝在低壓蓄電池端，測(cè)試的電流或功率設(shè)為I2或P2；采集點(diǎn)3安裝在高壓控制柜DC/DC模塊輸出端，采集DC/DC模塊輸出電流，測(cè)試的電流或功率設(shè)為I3或P3。

考慮到試驗(yàn)的安全性和數(shù)據(jù)采集的方便性，測(cè)試車輛在非行駛狀態(tài)下(即為靜態(tài)工況),依次按表1的3種模式展開測(cè)試。車輛未行駛時(shí)行駛系中驅(qū)動(dòng)電機(jī)等其他三電系統(tǒng)的低壓設(shè)備用電未耗電的，只需將其理論電功率值加上試驗(yàn)結(jié)果得到的總電功率后，就可以約等于行駛狀態(tài)下的實(shí)際整車低壓設(shè)備用電功率。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

由于研究重點(diǎn)是電空調(diào)的低壓系統(tǒng)用電直接連接上整車高壓控制柜DC/DC模塊輸出端進(jìn)行供電是否可行問題，所以設(shè)定2個(gè)工況：工況1關(guān)閉空調(diào)，工況2開啟空調(diào)。選取“夏季夜間雨天模式”實(shí)車模擬試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[8-9]。

圖2是鑰匙到ON擋后，工況1和工況2兩種狀態(tài)下的動(dòng)力電池端電流I變化曲線圖。

圖2 動(dòng)力電池端電流I變化曲線圖

圖3是鑰匙到ON擋后，工況1和工況2兩種狀態(tài)下的低壓電瓶端電流I變化曲線圖。

圖3 低壓電瓶端電流I變化曲線圖

圖4是鑰匙到ON擋后，工況1和工況2兩種狀態(tài)下的DC/DC端端電流I變化曲線圖。

圖4 DC/DC端端電流I變化曲線圖

將2個(gè)工況下所有端口下的耗電量及電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，見表2。

表2 各端口測(cè)試統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過程低壓電瓶電池為充電狀態(tài)而非放電狀態(tài)，因此整車實(shí)際低壓用電Ir直接等于IDC/DC。工況2開空調(diào)，工況2平均工作電流明顯大于不開空調(diào)的工況1，因此我們實(shí)車低壓需求最大實(shí)際電流Ir取值79 A,最終實(shí)車低壓需求最大實(shí)際功率Pr約等于2.1 kW。

Pr=I×U=Ir×27 V=79 A×27 V=2 133 W

如前所述，由于車輛非行駛狀態(tài)下(即為靜態(tài)工況)，試驗(yàn)得到整車最大實(shí)際功率Pr需要加上驅(qū)動(dòng)電機(jī)等其他三電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)低壓電功率Pe，查表得400 W,從而計(jì)算可得到實(shí)際總功率Pt約2.5 kW。

Pt=Pr+Pe=2 133 W+400 W=2 533 W

測(cè)試結(jié)果基本接近之前理論計(jì)算值,也小于原整車標(biāo)配的高壓控制柜DC/DC功能模塊輸出功率3 kW。也就是說原整車標(biāo)配的高壓控制柜DC/DC功能模塊還有約0.5 kW的后備功率，可應(yīng)對(duì)一些其他更極限工況。因此結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)車試驗(yàn)，最終可以準(zhǔn)確地判定“空調(diào)系統(tǒng)無需額外增加DC/DC模塊”，這樣既解決了空調(diào)廠家提出因頂機(jī)內(nèi)部空間緊張無法安裝DC/DC模塊的問題，又節(jié)約了2～3千元設(shè)備成本。對(duì)于輕客6706電動(dòng)車，除了前幾輛樣車是采用方案1，即讓空調(diào)廠額外安裝DC/DC模塊外，后面的量產(chǎn)車均取消額外DC/DC模塊，很好地降低了整車成本。

4 結(jié)束語

最終論證方案在該車型上應(yīng)用了3年多時(shí)間，未收到售后反饋低壓供電不足或低壓電瓶易老化的問題，從而進(jìn)一步驗(yàn)證所選擇方案的可行性和正確性。因此工程設(shè)計(jì)師在解決問題時(shí)如僅憑簡(jiǎn)單估算加上設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的欠缺，可能會(huì)導(dǎo)致過度冗余設(shè)計(jì)或成本增加。解決問題的最好方法就是進(jìn)行科學(xué)計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合。