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技術(shù)論文 | 純電動越野車整車線束設(shè)計(jì)

2020-05-06 20:58:59·  來源：《汽車電器》  
　
摘要：純電動汽車的線束設(shè)計(jì)影響著純電動汽車的安全性、可靠性。本文研究了在越野汽車的基礎(chǔ)上改裝為純電動四驅(qū)越野車中線束設(shè)計(jì)問題，通過計(jì)算確定驅(qū)動電機(jī)、電
摘要：純電動汽車的線束設(shè)計(jì)影響著純電動汽車的安全性、可靠性。本文研究了在越野汽車的基礎(chǔ)上改裝為純電動四驅(qū)越野車中線束設(shè)計(jì)問題，通過計(jì)算確定驅(qū)動電機(jī)、電池的相關(guān)參數(shù)及選型，并對其安裝位置進(jìn)行合理制定以簡化線束布置，對重要的電子元器件進(jìn)行相關(guān)的匹配計(jì)算，最后通過Proteus軟件對高低壓電路進(jìn)行仿真分析并運(yùn)用Altium designer 軟件繪制整車布線圖。該設(shè)計(jì)方案提高了電動汽車線束的安全性和可靠性，并為線束設(shè)計(jì)人員提供了借鑒方案。

作者簡介
趙歆（1996-），女，碩士，主要研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)；
唐嵐（1963-），女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)、汽車整車及零部件性能檢測技術(shù)、特種車輛車載穩(wěn)定平臺技術(shù)。
 
1 概述
在今天，環(huán)境污染及能源緊缺問題愈發(fā)嚴(yán)重，新能源汽車的發(fā)展勢不可擋，純電動汽車以多方面優(yōu)勢成為現(xiàn)在發(fā)展的潮流[1]。隨著純電動汽車的新技術(shù)發(fā)展，汽車電氣設(shè)備較為完善，汽車的電信號傳輸以及電子設(shè)備工作指令接收都是靠汽車線束來完成[2]，故研究汽車線束及設(shè)計(jì)出可靠、穩(wěn)定、安全的汽車線束也是當(dāng)今的發(fā)展趨勢。
2 電氣部件布置
2.1 驅(qū)動電機(jī)
2.1.1 電機(jī)功率確定
本設(shè)計(jì)采用雙電池交替驅(qū)動雙電機(jī)的驅(qū)動方式，電機(jī)的最大功率Pmax必須滿足最高車速時(shí)的功率要求Pe；必須滿足加速、爬坡時(shí)的功率要求Pa、Pc[3]。
根據(jù)最高車速計(jì)算電機(jī)功率時(shí)，不考慮加速阻力和坡道阻力，電機(jī)功率應(yīng)滿足[4]：
（1）
 
根據(jù)ua=20km／h、爬坡度66%時(shí)，電機(jī)功率應(yīng)滿足：
（2）
 
以0-50km／h速度段內(nèi)的加速時(shí)間為8s，確定峰值功率[5]：
（3）
 
根據(jù)公式（1）、（2）、（3）可以確定電機(jī)的最大功率：
（4）
 
2.1.2 額定轉(zhuǎn)速確定
以經(jīng)濟(jì)車速VN確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速［6］，公式如下：
（5）
 
該車的經(jīng)濟(jì)車速為60km／h，以此計(jì)算電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。
2.1.3 額定轉(zhuǎn)矩確定
電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TN必須滿足汽車起動轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度的要求，即
（6）
 
當(dāng)車輛處于最大坡度路面時(shí)，以坡道最大速度Vc勻速行駛，此時(shí)慣性阻力為零，車輛所需要的轉(zhuǎn)矩最大[6]。
根據(jù)以上計(jì)算可得額定功率30kW，峰值功率為60kW，額定扭矩130Nm，額定轉(zhuǎn)速2200r／min，綜合考慮選用兩個(gè)大地和公司GLMP10L0永磁同步電機(jī)。控制器采用配套大地和GLCP4026L10電機(jī)控制器。
2.2 電池
本車改用兩個(gè)一樣的動力電池，A組放置于原汽車發(fā)動機(jī)艙，B組電池放置于原車后備廂。兩組電池一前一后且可實(shí)現(xiàn)交替使用。純電動汽車行駛過程中的動力均來自電池，電池的容量越大，汽車的續(xù)航里程就越長，但相應(yīng)的電池組體積和質(zhì)量就越大。電池組的總電壓要達(dá)到電機(jī)控制器的電壓等級，因此電池組總電壓暫取48V。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用雙電池交替驅(qū)動雙電機(jī)的驅(qū)動方式，綜合考慮電池容量和大小以及結(jié)合電池供應(yīng)商的情況，最終電池采用Tafel_NCM135Ah三元鋰離子動力電池。電池管理系統(tǒng)采用科列公司生產(chǎn)的BMS產(chǎn)品。
2.3 部件布置
本設(shè)計(jì)采用雙電池交替驅(qū)動雙電機(jī)的驅(qū)動方式，所以考慮兩套電機(jī)并列放置，高壓盒及充電機(jī)靠近電機(jī)控制器放置，以便于對高壓線纜進(jìn)行布置。將高壓電器控制系統(tǒng)盒、電機(jī)控制器及電機(jī)、充電機(jī)及DC／DC這部分占用空間多，質(zhì)量大的電器部件放置于汽車底盤上。線束高壓設(shè)計(jì)部分需考慮整車走線干涉及方便安裝等因素。圖1所示為電機(jī)、充電機(jī)、高壓盒等的布置，都布置在汽車底盤下面，須重點(diǎn)考慮防水及考慮線纜的保護(hù)。
 
圖1 主要部件布置圖
3 線束設(shè)計(jì)
3.1 線束尺寸計(jì)算
根據(jù)原有數(shù)據(jù)：電機(jī)額定功率30kW，峰值功率60kW，電池額定電壓345V；運(yùn)用公式：
P=UI （7）
可得電機(jī)控制器高壓導(dǎo)線額定電流：I1=87A；最大電流：I1max=174A。
雙電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，電池承受額定電流：I=2I1=174A。
最大電流：Imax=2I1max=348A。
關(guān)于導(dǎo)線橫截面積計(jì)算：
（8）
 
（9）
 
式中：Us———系統(tǒng)電壓；P———功率；I———電流；A———導(dǎo)線橫截面積；Ud———所允許的電壓降最大損失；ρ———銅電阻率；L——導(dǎo)線長度。
一般可以由經(jīng)驗(yàn)公式：，計(jì)算得出：高壓盒到動力電池連接導(dǎo)線橫截面積應(yīng)≥68.8mm2；電機(jī)控制器到高壓盒導(dǎo)線橫截面積應(yīng)≥34.0mm2。
 
故選擇70mm2及35mm2導(dǎo)線分別用于高壓電池線路及電機(jī)控制器線路。
3.2 熔斷器的匹配計(jì)算
熔斷器具有限流特性好、相對尺寸小、簡單的構(gòu)造、簡易的操作、維護(hù)方便等優(yōu)勢，所以被廣泛應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域，作為防止短路的保護(hù)裝置[7]。其利用某些金屬在短路或過載時(shí)熔斷的特性，將其串聯(lián)在電路中，因其自身發(fā)熱熔斷來保護(hù)電路。為了讓熔斷器快速斷開，線束的短路電流應(yīng)大于熔斷器在其工作溫度下額定電流的200% （慢熔斷器為500%）。所以要求熔斷器匹配的電纜的電阻小于等于熔斷器容許的電阻[8]。熔斷器的額定電流與線束的額定電流有一定關(guān)系。線束負(fù)載確定時(shí)按照以下經(jīng)驗(yàn)公式[9]：
（10）
 
式中：P———整車負(fù)載功率；V———額定電壓。
熔斷器的最佳電流計(jì)算公式如下：
（11）
 
式中：I———負(fù)載電流；α———負(fù)載特性系數(shù)，建議選擇0.7~0.75 （高電流型選擇 0.5）；δ———溫度系數(shù)；β———負(fù)載峰值電流系數(shù)，如果峰值電流時(shí)間小于0.3s，選擇系數(shù)為1；如果峰值電流時(shí)間大于等于0.3s，選擇系數(shù)為0.7[10]。
故熔斷器選擇美國Bussmann公司生產(chǎn)的FWH-400A-500V熔斷器。
4 高低壓控制電路仿真分析
4.1 電路仿真分析
高低壓控制電路調(diào)試過程采用Proteus軟件先進(jìn)行邏輯電路分析，確定無誤后制作整車線束。仿真過程是控制鑰匙的擋位開關(guān)，利用LED燈及電機(jī)對控制電路是否正常工作進(jìn)行顯示，LED的亮滅及電機(jī)轉(zhuǎn)動情況反映電路的導(dǎo)通及斷開情況。最終仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)邏輯要求。低壓驅(qū)動仿真見圖2，高壓驅(qū)動仿真見圖3。
 
圖2 低壓驅(qū)動仿真圖
 
圖3 高壓驅(qū)動仿真圖
4.2 整車布線圖
線束圖是根據(jù)電氣設(shè)備在汽車上的實(shí)際安裝部位繪制的全車電路圖，因此線束的設(shè)計(jì)必須具備優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)傳遞能力，還要考慮加工、安裝和維修的方便性，應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)仿真結(jié)果用Altium designer繪制出整車布線圖，見圖4。
 
圖4 整車線束圖
5 結(jié)束語
本文著手于在越野汽車的基礎(chǔ)上改裝為純電動四驅(qū)越野車中線束設(shè)計(jì)問題，線束設(shè)計(jì)從安全性、可靠性兩個(gè)方面入手，確定電機(jī)及電源的相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行合理布置。依據(jù)整車設(shè)計(jì)要求及功能需求，確定相關(guān)電子器件相關(guān)參數(shù)。在進(jìn)行高低壓電路仿真分析，確定無誤后，繪制布線圖。通過實(shí)車驗(yàn)證其整個(gè)線束布局更為合理，性能可靠，降低了其電氣系統(tǒng)的故障率，提升了電動越野汽車線束系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
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（來源：《汽車電器》2020年2期）
 
 
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