谭金超 张朋桥 杨国樑 孟春江 石光
【摘 要】随着人类生活水平的提高及汽车行业的发展，导致对车辆的各方面需求越来越高，且需求的功能也越来越多，从而使客车增加了更多的零部件，这样使得整车布置变得越来越困难，所以零部件集成化已成必然。本文主要阐述一款新能源城市客车的多合一集成控制器方案设计，通过从整车电气原理图构思、控制器原理图设计、零部件选型匹配、零部件布置等几个方面进行阐述，突出整体设计方案的可持续发展性。
【关键词】新能源；
城市客车；
多合一集成控制器；
零部件选型；
零部件布置
中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0012-04
Design of Multi-in-one Integrated Controller for New Energy City Bus
TAN Jin-chao，ZHANG Peng-qiao，YANG Guo-liang，MENG Chun-jiang，SHI Guang
（CATARC（Tianjin）Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）
【Abstract】With the improvement of human living standards and the development of the automobile industry，the demand for vehicles in all aspects is getting higher and higher，and more and more functions are required，so more parts are added to buses，which makes the layout of the whole vehicle more and more difficult，so the integration of parts has become inevitable. This paper describes the design of a multi in one integrated controller scheme for a new energy city bus，which highlights the sustainable development of the overall design scheme through the whole vehicle electrical schematic design，controller schematic design，parts selection and matching，parts layout and other aspects.
【Key words】 new energy；
city-bus；
all in one integrated controller；
parts selection；
layout of parts
当今世界燃油汽车正在逐步退出汽车市场，原因主要是能源紧缺以及汽车尾气排放造成空气污染，新能源汽车的推广势在必行，尤其是在城市人口密集的地方，因此新能源城市客车已基本取代燃油城市客车。新能源城市客车以新能源作为前进动力，相比燃油客车而言，无大气污染、无噪声污染、能源效率高、维修方便，因此在人数众多的城市工况，新能源城市客车的发展已是大趋势。新能源城市客车的功能布局也在趋于复杂化，另外近几年由于国家大力倡导发展新型氢燃料电池电动载客汽车，也导致这些车辆的本身都配置了各种新类型的大体积零部件，这样使得整车结构布置变得越来越复杂，所以零部件集成化已成必然。未来在城市客车领域，多合一集成控制器的优势将会更加明显。
1 整车电气原理图方案
以某款新能源城市客车为例，其整车集成电气原理简图[1]如图1所示，动力电池通过PDU对MCU及其他各高压控制器进行直流高压电输出，MCU将直流高压电转化为交流高压电给驱动电机进行高压电输入，驱动电机将电能转化为机械能驱动城市客车的前进。同理，DC/DC实现低压蓄电池充电及整车低压电的供给，转向AC及制动AC实现整车的转向及制动功能，PTC及空调实现整车的制冷及加热功能，充电口实现充电功能。VCU与BMU根据驾驶员的驾驶意图、整车信息、电池信息通过CANbus和低压信号线实现整车策略及能量管理。为了节约整车的布置空间，将DC/DC、转向AC、制动AC、PDU进行零部件集成化，同时该方案可减少部分控制器的模具设计生产，从而降低整车成本，更易实现商业化。集成后的零部件可以节约出很大一部分的安装空间，为汽车其它相关零部件安装布置维修及整车的维修等提供了操作便利性。
2 控制器电气原理图设计
多电合一集成控制器内部电路板集成了DC/DC电源变换器、高压制动转向DC/AC电源变换器、低压转向系统DC/AC电源变换器、高压接触器、预充电阻、熔断器、铜排等，其电气原理图及外观图设计如图2、图3所示。整车高压上电过程：首先经过电池包内的主负接触器吸合输出高压电进入到PDU，经过PDU內部的预充接触器吸合，待MCU内部的电容完成预充电后开始主正接触器吸合，然后断开预充接触器，完成整车的高压上电过程。电机控制器、PTC、空调、高压转向DC/AC变换器、制动DC/AC变换器挂在主正接触器之后，可有效保证上电过程中过电压及电流对零部件造成的损伤，DC/DC变换器、低压转向DC/AC变换器挂在接触器之前，保证客车在突然出现断开主正接触器的故障时可使DC/DC变换器持续输出低电压给低压转向DC/AC变换器，让转向电机继续正常工作，驱使客车停在路边等待检修，保证了整个客车上乘客的安全。动力电池高压主负回路MSD开关内配备1级主熔断器，因此本设计方案主正回路不配备主熔断器，否则造成冗余设计。预充回路配备预充电阻，其他高压回路均配备熔断器，以防整车短路的风险。同时，低压转向DC/AC回路可配备1个低压熔断器，本方案设计不予体现。
3 控制器内零部件选型匹配
3.1 熔断器选型匹配
高压熔断器主要用来保护电路的功能器、接触器，防止在整车过电流、过电压的情况下对整车用电回路造成损伤。选型匹配需要考虑以下条件。
1）整车相关因素：整车电压等级、熔断器的电压等级必须大于整车最大可持续电压；
最大预期短路电流、最小预期断路电流、熔断器分断能力验证，以及连接方式、环境温度等。
2）负载相关因素：负载额定电压、额定电流和额定功率；
最大可持续电压、电流及最大可持续电流时间；
峰值电压、电流及峰值电流持续时间；
寿命期脉冲冲击次数以及故障电流源。
3）回路相关内素：继电器最大可持续电流及持续电流时间；
电缆线径和长度，以及回路电容。
熔断器额定电流的选取依据如下：
I熔=I额×K / （Kt×Ke×Kv×Kf×Ka×Kb）（1）
式中：I熔——所选熔断器的额定电流；
I额——熔断器下所属负载的额定电流；
K——所属负载的校正指数；
Kt——温度校正指数；
Ke——连接件的热传递指数；
Kv——风冷校正指数；
Kf——使用频率校正指数；
Ka——海拔校正指数；
Kb——熔断器壳体校正指数。通过公式（1）计算，可以得到一个初步的熔断器额定电流值，初步选型完成后，根据熔断器下所属负载的实际运行工况数据对熔断器额定电流值进行参数校正。新能源城市客车整车电气参数见表1。依据经验，校正指数K值取值见表2。
Kt、Ke、Kv、Kf的取值参照如图4～图7所示。
依据经验，Ka按照一般海拔高度值取1，Kb按照熔断器壳体为陶瓷取1，而对于熔断器壳体为三聚氰胺取0.9。
本文城市客车多合一集成控制器采用陶瓷壳体熔断器，结合以上所有校正指数，根据公式（1）进行熔断器的选型。熔断器选型结果见表3。
3.2 预充电阻选型匹配
整车上电的预充电过程一般为500ms以内，在这个过程中，整车上电电流通过电阻体产生的高热量来不及被电阻本身吸收，电阻体本身将只能承担大部分能量。因此要先计算整车启动时上电的能量，再进行匹配合适的预充电阻。依据预充电阻的计算公式再确定一下预充电阻的阻值：
T=RC×Ln[（Vbat-V0）/（Vbat-Vpre）]（2）
式中：T——預充电阻的预充电时间；
R——预充电阻的阻值；
C——负载两端的电容值；
Vbat——电池包的额定电压值；
V0——负载两端上电前的电压（电压基本为0）；
Vpre——预充结束时负载两端的电压值，按照经验，Vpre为总电压Vbat的90%。依据公式（2）可以简化公式：
R=T / （C×Ln10）（3）
依据公式（3），计算得到预充电阻值，同时依据公式（4），可计算预充电阻的功率。
P=V2bat/ R（4）
式中：P —— 预充电阻功率。
若经计算，发现预充电阻功率较大，难以满足布置要求，则要减小各高压零部件内的电容值，最终得出可以接受的预充电阻的型号。结合公式（3）和公式（4）及过载功率曲线图[2]计算可得出预充电阻的选型结果，见表4。
3.3 接触器选型匹配
接触器电路的设备选型设计应按要求满足各种被测控制回路设备类型的技术要求合理进行，除断路器额定连续工作总电压等级应至少与各被控回路设备类型的最大额定总电压等相同等级外，被控回路设备类型的工作负载总功率、使用方式类别、操作负载频率、工作寿命、接触器绕组的接触电阻、实际操作使用温度中的温度、安装结构方式尺寸要求以及综合经济性分析等，应是合理选择接触器的依据。
新能源汽车接触器选择时依据被控制支路电器元件的额定电压、额定电流、短时过载电流及时间、控制电压等来做设计。
Ie=Pe / Ue（5）
Imax=Pmax/ Ue（6）
式中：Ie——接触器的额定电流；
Pe——被控制设备的额定功率；
Ue——整车额定电压；
Imax——接触器的短时过载电流；
Pmax——被控制设备的峰值功率。
考虑新能源汽车电路中负载的类别，一般建议选取接触器的额定电流为不小于其额定电流1.5倍和峰值电流。接触器选型结果如表5所示。
3.4 高压线缆线径选型匹配
根据高压线束连接电气设备的工作特性确定高压电缆负载电流，依据负载电流大小及工作环境选择合适的导线截面积，根据高压导线工作温升和电压损失进行校验。多合一集成控制器内铜导线线径选取可参考表6，表6为标准连接铜导线线径截面积取值。
3.5 铜排选型匹配
根据高压铜排连接高压线束的工作特性，确定高压铜排负载电流，依据负载电流大小及工作环境选择合适的铜排截面积，根据高压铜排工作温升和电压损失进行校验。多合一集成控制器内铜排截面积选取可参考表7。
3.6 连接器选型匹配
新能源汽车中用的高压连接器产品是汽车系统机电一体化系统关键组成产品，主要的部件组成由整车高压接触件、绝缘体、壳体盖片及其他配套电子附件等四大部分材料构成。其中，接触件部分是车辆通过低压连接器方式可完成各种整车电信号及输入输出的连接系统中重要的核心部件，通过整车对接触件部分间的紧密焊接插合，可同时完成各类车辆系统及在各种安全高速行车的系统中实现所需的传输对各种弱电信号系统进行的各种输入及输出及连接控制功能等；
至于其金属绝缘体部分和金属外壳等，则是起各种电子元器件固定、绝缘与隔离作用和其它电气机械装置等安全保护的作用。
制造工艺生产技术过程是一个集精密机械电气性能分析测试及设计，数控机械表面切削技术加工、冲压的铸造成型工艺技术，塑压工艺技术，精密铸造的精密压铸和制造成形工艺技术，以及严格而规范的焊接品质试验检测、评价、控制手段等一系列的多元产品加工和技术过程的有机组合，使制造与生产于一体。为了有效保证高压连接器产品选型的工作能步入标准化、规范化，以及提高多合一集成控制器产品的开发品质和竞争力，需要严格把控高压连接器的匹配计算。多合一集成控制器内连接器选型结果参考表8。
3.7 DC/DC变换器选型匹配
新能源城市客车低压电器负荷的统计是DC/DC变换器选型的重要依据。因新能源城市客车的特性及相关法规要求，在充电期间整车下电，工作设备的用电需从外部充电机获取，故在正常状态下，其负荷匹配与电器配置、使用工況有关。整体上，针对新能源客车低压电器负荷的供电匹配原则为各个工况下整车输出的最大功率不小于整车相对应工况的整车用电需求：
PDC=PG≥PL+PS+PN+PQ（7）
式中：PDC——DC/DC变换器能够提供的输出功率；
PG——某一工况下整车能够提供的功率，不同工况功率值不同；
PL——长期行驶必须使用的用电器的额定功率；
PS——安全行驶必需的短期使用电器额定功率；
PN——电动部分低压电气额定功率；
PQ——整车其他低压系统在不同工况所需的额定功率。
DC/DC变换器的选型参考公式（7），依据新能源城市客车低压电器设备运行统计表，计算电流=额定功率/额定电压×整车用量×裕度指数，计算功率=额定功率×整车用量×裕度常数。多合一集成控制器内DC/DC变换器选型结果参考表9。
3.8 DC/AC变换器选型匹配
在选用车载DC/AC变换器用电器时，需要进行以下参数匹配。
1）额定输入电压范围：通过前端动力电池的电压范围，即可确定DC/AC变换器的额定输入电压范围；
根据车载DC/DC变换器的输出电压范围，可以确定DC/AC变换器的低压供电电压范围。
2）额定输出电压范围：根据被控电机的额定电压范围，即可确定DC/AC变换器的额定输出电压范围。
3）输出功率及电流范围：根据被控电机的额定功率、峰值功率、额定电流、峰值电流，确定DC/AC变换器的输出功率及电流范围，一般车载DC/AC变换器的额定功率在1.5～5.5kW，多数为3kW左右。
4）电机类型：常见的助力电机有永磁同步电机或异步感应电机。针对不同的电机类型需要选择适配的控制算法，在控制软件方面需要进行区分[3]。多合一集成控制器内DC/AC变换器选型结果参考表10。
4 控制器零部件布置外观设计
新能源城市客车多合一集成控制器的设计过程是先通过三维建模软件CATIA建立零部件模型，再装配成控制器。运用软件的零件设计功能同零件尺寸的了解画出零件，然后通过装配设计对画好的各个零件和之前准备好的模组进行装配，最后完成新能源城市客车多合一集成控制器的三维模型。其零部件布置如图8～图10所示。
熔断器配备绝缘底座，接触器及预充电阻下方配备绝缘板以防止发生短路的风险；
转换器下方配备导热板，多合一集成控制器中部设计“S”型水道为其上下接触面提供了良好的导热性，大大增加了转换器的工作效率；
箱体配备泄压阀以维持内部压力与外界压力平衡，以防对内部零部件造成损坏。
多合一集成控制器的三维模型确认无误后，将三维模型导出后经过修改为CAD二维图纸进行模具制作，然后进行零部件装配完成成品。
5 结束语
本文针对新能源城市客车多合一集成控制器从整车电气原理图构思、控制器原理图设计、零部件选型匹配、零部件布置设计、成品展示开展了系统研究。新能源城市客车多合一集成控制器的优势集布置空间小、拆卸方便、便于维修、降低成本等优点。在降成本方面，多合一技术不仅可以降整车成本，还能降零部件和软件的成本。在提升性能上，多个控制器联合之后通信时间由原来通过CAN通信变成芯片内部通信，这在将来能够引申出算法上的创新，前景广阔。长期看，多合一集成控制器将会成为新能源城市客车市场的重要组成部分。
参考文献：
[1] 崔胜民. 新能源汽车技术（第3版）[M]. 北京：北京大学出版社，2020.
[2] 张绪彬，欧阳天琪. 浅谈电动车高压配电盒选型设计[J]. 大众科技，2019，21（12）：42-43，41.
[3] 林程. 电动汽车工程手册[M]. 北京：机械工业出版社，2019.
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