适用于新能源公交车平台化的高压电气架构研究

朱正礼

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438）

新能源公交车车型繁多，按照动力类型分，有混合动力、纯电动、燃料电池车型；按照充电速率分，有快充和慢充；按照米段，6～18m均有相应的车型。因此在新能源客车高压电气架构设计时，需要综合考虑整车功能、安全、成本、装配、维保等各个方面的影响［1-4］。相较于传统高压电气架构，本文提出了一种新的平台化高压电气架构方案。

1 公交车平台化高压电气系统功能需求

高压电气架构设计面临最大的挑战是满足功能的需求［5］，在此基础上要保证整车高压安全，优化高压部件的集成设计及在整车上的布置，以实现整车成本的最优。公交车高压电气架构的功能主要是保证电能的输出与输入，确保驾乘人员和汽车部件的安全运行。与乘用车不同，公交车所需的电池电量比较高，动力电池通常采用标准箱，多个标准箱通过串、并联方式连接后给整车供电。整车上连接的高压模块主要有：动力电池、慢充接口、快充接口、BDU（电池高压盒）、PDU （高压配电盒）、MCU （电机控制器）、驱动电机、DCDC、转向DC／AC、转向泵、空压机DC／AC、空压机、空调、除霜器、燃料电池堆 （Fuel Cell）。公交车充电时间较长，由专人负责，只需要DCDC工作，为电池系统及远程监控终端提供低压电能，表1是公交车高压部件工况分析。

2 高压电气架构设计

2.1 公交车高压电气架构的设计原则

新能源公交车的驱动方式相对单一，如都是后驱，区别主要在于功率、配置、储能系统的布置位置。但是作为公共交通工具，充电是在专门的停车场由专人负责，维保的频率更频繁，对安全性、可靠性的要求更高。因此，除了电动车高压电气架构设计需要共同遵循的一些设计原则［2］及安全标准外［6-7］，公交车平台化的高压电气架构需要满足：①能够涵盖6～18m不同米段的功率和配置需求；②能够满足纯电动、混合动力及燃料电池车型的配置需求；③需要满足能源部件不同安装位置的要求，如动力电池顶置、底置、后舱布置等；④尽可能减少高压电气接口的数量；⑤在满足充电安全的前提下，尽可能减少专业充电人员的操作；⑥高压部件的检修及更换需要便于维修人员操作。

表1 公交车高压零件工况

2.2 公交车传统高压电气架构分析

图1是公交车传统高压电气架构，动力电池标准箱通过串、并联方式连接到BDU（电池高压盒）后，电能通过PDU（高压配电盒）分配到各个用电部件。优点是：高压部件都采用独立的部件，布置非常灵活，并可以实现独立的诊断和控制。缺点是：①每次充电时，主接触器和预充电路都需要工作，需要工作的低压控制模块更多，如整车控制器等，功耗更高，同时，主接触器和预充电路寿命受到影响；②独立部件占用的空间更大、高压接口更多、高压线束布置更复杂，装配、维修更不方便，故障点更多，整车质量更大；③成本高，各独立部件都需要熔断丝保护，高压连接器及高压线束更多。

图1 公交车传统高压电气架构

2.3 公交车平台化高压电气架构设计

图2 为平台化高压电气架构，与传统高压电气架构的主要区别在于以下几点。

图2 公交车平台化高压电气架构

1）独立的充电控制策略。电能从BDU出来后，一路通过PDU分配给各个高压部件，另一路连接到DCDC。整车充电时，DCDC接触器和预充电路工作，DCDC给能源管理系统和远程监控终端供电，整车上其他的电气部件不工作，提高了主接触器和预充电路寿命及整车充电安全性，降低了能耗。同时，充电工充电时，不需要闭合整车低压电源总开关，减少了充电操作步骤，并避免了充电后遗忘断开电源总开关而导致蓄电池亏电的风险。

2）高压附件集成控制策略。PDU、DCDC、转向DCAC和空压DCAC集成为一个高压部件ACU：占用空间更小、高压接口更少、高压线束布置更简单，故障点更少，装配、维修更方便，整车质量更轻，成本更低。

3）统一的安全监控策略。ACU采用一块控制板加多块功率板的方式集成设计，对外作为一个通信及网络节点，降低了网络复杂度；ACU控制主接触器及预充电路、DCDC接触器及预充电路，统一管理整车高压电气的上、下电流程，监控所有部件的主动放电过程。

图3是采用平台化高压电气架构后的整车后舱布置图，主要高压部件ACU、BDU和MCU布置在后舱，非常便于维护。ACU布置空间减小50%，高压接点减少15个，减重40% （集成前独立部件总质量为45kg左右，而ACU的质量为28kg），降本4300多元。同时，从原来装配多个零件变为只需要装配一个零部件，提升生产装配效率300%。

图3 优化后整车后舱布置图

3 结束语

本文针对新能源公交车电气架构的功能需求及高压部件的运行工况，分析了公交车传统高压电气架构存在的问题。通过独立充电、高压部件集成及统一安全监控等策略，设计了一种公交车平台化高压电气架构。研究结果表明，该电气架构从占用空间、质量、故障点、能耗、安全性、成本等方面都有很大的优点，非常适用于公交车平台化推广。