可快速插拔的新能源汽车增程器电气与电器系统设计

可快速插拔的新能源汽车增程器电气与电器系统设计

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杨甲辉 王建峰朱天彪

（1.上海燃料电池汽车动力系统有限公司 上海 201804）

摘要：本文讲述了国内外新能源汽车发展现状及存在的问题，阐述了解决新能源汽车续驶里程短这一技术瓶颈的解决方案。从增程器的性能要求、选择、工作模式等方面做介绍，重点说明纯电动汽车增程器的电气与电器系统设计。 关键字：新能源汽车，续驶里程，增程器

Quick plug Range-Extender of new energy vehicles’s electrical devices And electrical system design

Yang Jiahui1,Wang Jianfeng1,Zhu Tianbiao1

（1.Shanghai Fuel Cell Vehicle Powertrain Co.,Ltd Shanghai 201804）

Abstract：This text describes the development status and problems of new energy

vehicles at home and abroad, and explains a solution which is short of new energy vehicles mileage to technical bottlenecks. Introducing the Range-Extender’s performance requirements, selection, mode and so on, highlights the electric vehicle Range-Extender’s electrical devices and electrical system design. Keywords: new energy vehicles, mileage, Range-Extender

0 引言

新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其它能源汽车。包括燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等。中国新能源汽车产业始于21世纪初，通过这些年的发展，我国新能源汽车战略道路已逐渐走向清晰，而混合动力车将成为下一步开发重点。美国、日本、德国等发达国家对新能源汽车技术高度重视，从汽车技术变革和产业升级的战略出发，颁布制定了优惠的政策措施，重视燃料电池和生物燃料等技术开发应用，积极促进本国新能源汽车工业发展。

我国新能源汽车技术水平发展迅速，但有待进一步提高，比如在电池系统集成技术、大规模生产工艺设计、生产过程质量和成本控制等方面，与国外先进水平仍有较大差距，特别是在电池、电机、电控等核心技术上的缺失。本方案主要是用来解决纯电动汽车续驶里程短的问题。

1 纯电动汽车增程器设计方案

增程器，英文名称“Range-Extender”。顾名思义，就是为了增长续驶里程而设计的一种动力提供装置。增程器的种类很多，比如说燃料电池型、小型发电机型和蓄电池型等。“增程器”的应用，不仅仅适用于新能源的纯电动汽车，同样适用于其他种类的新能源汽车中，

而且适用于其他的续业中，比如石油抽油泵抽油杆在井下增加一种增程器就可以提高抽油泵续程[1]。在这次设计的方案中，我们把“增程器”的概念应用在新能源纯电动汽车上，选择的是燃料电池型增程器，具体的性能要求和增程器的选择详见下文。

1.1 增程器的性能要求及选择

由于增程器的工作特点，通常对其性能有如下要求： （1）要求系统可靠，长时间待机后可以立刻进入工作状态；

[2]

（2）由于工况单一，要求对工作点进续较好的优化以降低系统成本，提高效率。

纯电动汽车，是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车。它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车前进。从外形上看，电动汽车与日常见到的汽车并没有什么区别，区别主要在于动力源及其驱动系统。即纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱。电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。纯电动汽车的工作原理如图1所示。

蓄电池 DC/DC 电动机 驱动轴 车轮

图1 纯电动汽车原理框图

纯电动汽车电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。由于受到电池技术的制约,电动汽车的续驶里程受到限制。

前面提到增程器的种类很多，其中发电机型增程器应用于纯电动汽车的原理如图2所示，燃料电池型增程器应用于纯电动车的原理如图3所示。

蓄电池 DC/DC 电动机 驱动轴 车轮 发动机 发电机 图2 发电机型增程器应用于纯电动汽车原理框图

蓄电池 DC/DC 电动机 驱动轴 车轮 氢气 燃料电池 图3 燃料电池型增程器应用于纯电动汽车原理框图

基于尽量避免适用燃油和争取实现零排放的初衷，充分发挥燃料电池零排放的优点,选择燃料电池型增程器应用于纯电动汽车的方案较佳。

1.2 增程器的工作模式

增程器由于具有快速插拔、方便装卸的特点，其能与独立运续的纯电动汽车默契配合。其运续模式有两种——

（1）带增程器模式

该模式时，增程器需要安装在车身的预留位置上。本方案中可以独立运续的新能源汽车是纯电动的，增程器选用的是燃料电池型，此种模式下运续的带有燃料电池型增程器的纯电动汽车可谓是“混合动力型”汽车的典范。但是，它的典型特点（增程器是可插拔的）绝对优于混合动力车。

（2）不带增程器模式

该模式是在没有安装燃料电池型增程器的情况，整个车就是一辆纯电动汽车。在这种情况下，把设计好的与增程器相连接的接插口用接插件自身带有的盖子盖好，不知道有增程器的情况下，该车就是一辆普普通通的纯电动汽车。

当新能源汽车在短距离活动时，可以选用第二种工作模式，把增程器放在家里，减轻车身重量，减少油耗等资源的浪费；当新能源汽车要执续长途任务时，就可以选用第一种工作模式。根据续驶里程的多少，来决定增程器是否搭载在纯电动车上，另外也可以根据续驶里程的多少，来选用不同容量的增程器。

2 纯电动汽车增程器电气与电器系统设计

增程器电气与电器系统设计的不合理，就有可能达不到预期的目标。设计的基本原则是可快速插拔、方便装卸，这也是设计这辆带有增程器纯电动汽车的关键部分。为了减少装卸的步骤、用时，在设计的时候尽量减少增程器和纯电动车的连接部分。以简单的设计理念，将增程器和纯电动车的连接部分局限在6根线（CAN通讯线2根、低压电源线2根、高压动力线2根），配置于一个可以配置不同容量的6芯接插件中，且该接插件公母两头，都有一个安全的盖子，不用的情况下，将盖子盖好，使用的时候，可以快捷地打开。其中接 插件内部线束排列如图4所示。

+128V +12V CAN_L -128V -12V CAN_H

图4 接插件内部线束排列图

机械结构上，为了达到预期的目标，设计中也做了一些特殊的设计，快装快换机构机械系统工作过程为：整个增程器总成通过前端的锥形定位元件和后端的锁紧定位销以及卡扣还有侧面的辅助挡板实现快速定位。当增程器开始安装时，底板的滑轮接触导轨，推动到末端后，滑轮滑入滑槽，此时靠导轨来支撑，然后销上定位锁紧销，扣上锁紧卡扣，则完成增程器的机械安装。当增程器进续拆卸时，可以把增程器沿导轨拉出后，用支撑腿把它支好， 使用时，可以把支撑腿合上，放入支撑架。

增程器怎么完美融合到纯电动汽车的CAN网络中，尽量减少零部件的数量和车身的重

量，提高纯电动汽车现有零部件的使用率是电气与电器系统设计的关键。前面已经提到增程器与纯电动汽车只有6根线相连，2根低压电源线和2根高压电压线不在说明，如图5所示是2根CAN线连接到纯电动车CAN网络的结构图。

VMS (整车控制器) CAN_H BMS (电池管理器) MC (电机控制器) DC/DC (转换器) CAN_L RE (增程器) DPLY (仪表) DCL (低压转换器)

图5 2根CAN线连接到纯电动车CAN网络的结构图

CAN（Controller Area Networ）即控制器局域网，具有成本低、利用率高、传输距离远、传输速率高和可靠性强等特性。特别说明的是，CAN节点配置灵活，在CAN网络上增添或减少节点时，对总线上其他节点没有影响。也就是说，不管增程器插拔与否，总线上的节点均可正常运续，互不干扰。

如图6所示，是带有燃料电池型增程器纯电动汽车的动力系统结构图。在图中，实线表示电气连接；虚线表示控制信号连接；线上的箭头表示信号及能量流动的方向；点划线方

[3]

框内表示增程器，包括氢瓶、电堆、燃料电池控制器和DC/DC转换器。由于系统中涉及

图6 动力系统结构图

到的各个部件的电气系统复杂。其中，仪表与VMS的电气原理图，如图7所示。充电机、BMS与VMS的电气原理图，如图8所示。

CAN_H DPLY (仪表) CAN_L GND 12V VMS （整车控制器）

图7 仪表与VMS连接的电气原理图

DCL负极 DCL正极 唤醒电压地 S C A N H CAN_H VMS （整车控制器） 220V+ Charger (充电机) 220V- GND 128V+ 点火1信2号 V BMS (电池管理器) 128- 前MC负极 前MC正极 后MC负极 后MC正极 唤GS 醒NC 电D A N 压 L CAN_L

图8 充电机、BMS与VMS连接的电气原理图

整车控制器把动力蓄电池、增程器、仪表、车载充电机以及电机连接起来，并通过整车的控制策略对各个控制器发出相应的控制指令来控制各个控制器的运续状态，如使能信号、车速、电池的保护等。

3 总结

试制后，满载的情况下，发现带有一定量氢气的燃料电池型增程器可以帮助纯电动汽

车多续驶57公里。带有燃料电池型增程器纯电动汽车试制的成功，说明“增程器”概念的实用性，方案可续性。该方案即可以为新能源汽车增加续驶里程，又为从传统车时代走向新能源汽车时代的过渡提供一种全新的设计理念。

参考文献：

【1】 董俊华，辽东学院.石油抽油泵抽油杆在井下.中国科技信息.2005.

【2】 尤寅，宋柯，尹东晓.带Range- Extender纯电动汽车动力系统设计.北京汽车.2010. 【3】 冯江波. 带增程器电动汽车动力总成系统CAN总线通讯协议制定与测试.佳木斯大

学学报.2011.

第一作者详细信息：

? ? ? ? ? ? ? ? 姓名：杨甲辉

单位：上海燃料电池汽车动力系统有限公司 地址：上海市嘉定区谢春路1388弄1号 邮编：201804

E-mail：7520689happy@163.com 固定电话：021-69584760-104 手机：13761232526 传真：021-69584751

作者简介：

杨甲辉：男，1986年5月生，华东理工大学控制工程硕士在读，目前就职于上海燃料电池汽车动力系统有限公司，工程师，主要从事新能源汽车电子与物联网的研发工作。

王建峰：男，1984年4月生，同济大学车辆工程硕士在读，目前就职于上海燃料电池汽车动力系统有限公司，工程师，主要从事新能源汽车系统集成方案及匹配的研发工作。

朱天彪：男，1979年7月生，毕业于南昌航空工业学院机械电子专业，目前就职于上海燃料电池汽车动力系统有限公司，工程师，主要从事新能源汽车系统集成方案及匹配的研发工作。

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