福田纯电动城市公交客车新技术新结构系统说明BJ6123EVCA27.docx
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福田纯电动城市公交客车新技术新结构系统说明BJ6123EVCA27
福田纯电动城市公交客车
新技术、新结构系统说明
BJ6123EVCA-27
北汽福田汽车股份有限公司
2016年4月
1、纯电动城市客车及动力系统的构型
2、驱动电机及电机控制器选型及技术特点说明
3、动力电池系统技术特点说明
4、整车控制系统技术特点说明
5、福田纯电动城市客车底盘的特点
纯电动客车新技术、新结构整车系统说明
1、纯电动城市客车及底盘动力系统的构型
福田汽车集团作为中国商用车第一品牌，汽车行业的中坚力量，拥有独立自主创新能力的汽车制造商，一直以来就把“新能源的研发与应用”作为企业发展的核心战略。
以北京市政府纯电动客车应用项目为依托，通过纯电动城市客车及底盘产品的研发，福田汽车开展了电动汽车技术的应用推广和产业化。
BJ6123EVCA-27纯电动城市客车为福田公司通过比较当前典型电动汽车技术路线的优缺点，结合计划开发的客车使用环境、特点要求，福田汽车选择了以现有北京纯电动高档客车为基础车型，采用钛酸锂离子电池型动力电池输出电能，驱动永磁同步电机为驱动动力系统，经传动轴、主减速器驱动后轮转动的4×2驱动形式，电动力系统后置后驱，动力电池组分置（中部以及后部）布置的技术路线。
驱动系统采用了直驱式永磁同步电机，利用电机的电子调速机制调节车速，在整个车速范围内实现无级调速，乘坐舒适性好。
整个动力系统结构简单，传动效率高，系统可靠性高。
取消减速器
图1动力及控制系统技术方案构型图
2、驱动电机及电机控制器选型及技术特点说明
电机驱动系统是纯电动汽车核心部件，与传统工业电机相比，在转速转矩动态控制性能、过载能力、工作效率、功率密度和可靠性方面具有更高的要求，尤其要满足电动车辆低速大转矩、宽调速范围的牵引特性需求。
应用于电动汽车的电机驱动系统一般有直流电机驱动系统、永磁同步电机驱动系统和交流异步电机驱动系统。
其中直流电机驱动系统由于电机需要换相器和电刷，使得可靠性降低、体积和重量大，不适合免维护和高速运转。
福田汽车所开发纯电动客车所选用电机驱动系统包括驱动电机和电机控制器，驱动电机为水冷永磁同步电机。
永磁同步电机驱动系统由于采用永磁体替代传统同步电机励磁绕组，降低了铜损，结构简单，免维护，固有的高功率密度和高效率特点，并随着高速弱磁控制技术的突破，已经被国内外公认为电动汽车用最具备竞争力和发展潜力的电机驱动型式。
图2水冷直驱永磁同步电机
福田纯电动客车配套水冷永磁同步电机基本参数：
电机基本参数
形式
水冷永磁同步电机
额定功率/最大功率
100kw/150kw
额定扭矩/最大扭矩
955Nm/2800Nm
额定转速/最大转速
1000rpm/3000rpm
电机效率
≥95%
表1永磁同步电机基本参数表
电机控制器基本参数
额定峰值功率
与电机匹配
额定输入电压
576VDC
额定输入电流
280ADC
峰值输入电流
<750ADC（1分钟）
工作电压范围
450～750VDC
额定效率
>97％
外壳防护等级
IP67
表2永磁同步电机控制器基本参数表
图3电动机转矩、功率——转速特性
该型号电机为三相水冷永磁同步电机，针对纯电动客车的运行工况设计，系统具有峰值及堵转转矩大、恒功率范围宽等特点，过载能力强等特点：
1.具有针对性的控制器设计
a.控制器主电路选择高耐压器件，电压适应范围宽；
b.控制器控制电源采用冗余设计，提高了系统工作的可靠性；
c.控制器内部设有容量达13200UF高压电解电容和足够容量的膜电容，保障了控制器输出电流的快速变化，提高了系统的反应速度和稳定性；
d.整体焊接式崁片散热器，散热效果好；
e.分块隔离式屏蔽设计，提高了系统抗电磁干扰的能力；
f.集成了软起动模块，减小了控制器的体积；
2.高效、高可靠电机的设计
a.选用高性能、高稳定性稀土永磁体，保证了电机的高效率，系统效率≥80%的高效工作区面积大于90%，最高系统效率≥95%。
b.高性能永磁体的使用，提高了电机的功率密度，电机的体积、重量与异步电机相比大幅降低；
c.特殊的转子结构，提高了电机工作的可靠性；
d.高强度、耐电晕的绝缘结构，保障了调速电机的可靠工作；
e.高可靠性的轴承系统，保障电机的长寿命。
3.强化的防护等级设计
电机与控制器的防护等级均按IP67设计,满足整车运行环境的要求。
3、动力电池系统技术特点说明
3.1动力电池组选型及技术特点说明
电动汽车用动力电池包括传统铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
其中以第三代锂离子电池（钛酸锂离子电池）为代表的车用锂离子动力电池具有以下特点：
1钛酸锂单体电池工作电压达2.5V，是镍镉电池，镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍，因此组成动力电池组时，锂离子动力电池使用的串联数目会大大少于铅酸电池和镍氢电池，因而电池组的可靠性相对提高。
2重量轻，比功率大，高达1100W/Kg,是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍,因此重量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一，从这个角度讲锂电消耗的资源就少，而且由于锰酸锂和钛酸锂电池中所用元素的储量比较多，因此相对铅酸、镍氢电池，锂离子动力电池成本反而是进一步降低的。
另外，电池组重量降低，有利于降低整车整备质量，提高整车质量利用系数，降低整车能耗。
3体积小，高达到100Wh/L，体积是铅酸电池的二分之一到三分之一。
便于整车布置和提高空间利用率。
4循环寿命长，循环次数可达3000次。
以容量保持60%计，电池组100%充放电循环次数可以达到2400次以上，使用年限可达3-5年,寿命约为铅酸电池的两到三倍。
随着技术的革新，设备的提高，电池的寿命会越来越长，性价比会越来越高。
5自放电率低，每月不到5%。
6允许工作温度范围宽，低温性能好，锂离子动力电池可在-20℃～+55℃之间工作，尤其适合低温使用，而水溶液电池（比如铅酸电池、镍氢电池）在低温时，由于电解液流动性变差会导致性能大大降低。
7无记忆效应，每次充电前不必像镍镉电池、镍氢电池一样需要放电，可以随时随地的进行充电。
电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放，另外还可以快速充电。
8无污染，锂离子动力电池中不存在有毒物质，因此被称为“绿色电池”，国家重点扶持。
而铅酸电池和镉镍电池由于存在有害物质铅和镉，国家必然会加强监管和治理（铅酸电池出口退税的取消，铅资源税的增加，铅酸电动自行车出口的受限），相应企业的成本也会增加。
虽然锂电池没有污染，但从资源节约的角度考虑。
锂离子动力电池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考虑。
9安全性。
对于新一代车用锂离子蓄电池，其电池单体通过精选安全电极的化学材料、使用不易燃的电解液及其添加剂、电池内部隔膜的关断保护、减压开关和内部释放阀等措施，以及锂离子动力电池组的保护板能够对每一个单体电池进行高精度监测，低功耗智能管理，具有完善的过充电、过放电、温度、过流、短路保护、锁定自恢复功能以及可靠的均衡充电功能，使锂离子电池在高温高热环境下工作性能良好，过充、过放不损坏，即使在电池内部或外部受到破坏时，电池也不燃烧、不爆炸，有较高的安全性。
通过以上分析，福田汽车所开发纯电动城市客车及底盘选用了新一代钛酸锂离子电池作为整车动力电池。
电动汽车蓄能装置种类
钛酸锂电池
储能装置单体型号
66160A
电动汽车储能装置类型
功率型
储能装置单体外形
圆柱形
储能装置单体外形尺寸（mm）
ø66*160
储能装置单体的标称电压（V）
2.3
动力蓄电池单体3小时率额定容量C3（Ah）
30
超级电容器单体标静电容量（F）
N/A
储能装置单体质量（kg）
1.13
储能装置单体数量
1536
储能装置单体生产企业
珠海银隆新能源有限公司
储能装置总成生产企业
珠海银隆新能源有限公司
储能装置最小模块型号
无
储能装置最小模块的标称电压（V）
11.5
动力蓄电池3小时率额定容量C3（Ah）
30
超级电容器最小模块标静电容量（F）
N/A
储能装置组合方式
6并256串
成箱后的储能装置型号
TND4-66160A,TNE4-66160A
储能装置总成标称电压（V）
588.8
储能装置总成额定输出电流（A）
400
动力蓄电池总成标称容量（Ah）
180
储能装置总储电量（kWh）
106
储能装置总成质量（kg）
3056
动力蓄电池箱是否具有快换装置
否
储能装置正极材料
镍钴锰酸锂三元正极
储能装置负极材料
钛酸锂负极
储能装置电解质成分
六氟磷酸锂（LiF6PO4）
储能装置电解质形态
穷液
表3钛酸锂动力电池组基本参数
3.2动力电池管理系统技术特点说明
动力电池管理系统包括电池检测模块和电池组管理模块，主要实现以下功能：
Ø数据采集功能（如电流、电压、温度、SOC状态、故障显示等）；
Ø数据传递功能（通过CAN总线与整车控制实行数据通讯）；
Ø保护功能（过压、低压、过流、短路、漏电等保护功能）；
Ø重大故障断路功能（内置直流接触器）。
图7动力电池组管理模块（主控盒）
图8动力电池检测模块（从控盒）
3.3直充技术特点说明
本车采取了标准直充式电池箱体结构。
在特定充电桩（2C电流充电，250kW/750V）上，可在0.5小时内完成充电，从而保证纯电动车的正常运营。
在该车型上，我司采取了统一的直充式箱体，具体规格如下：
图9电池箱结构图
图10动力电池箱外形图
4、整车控制系统技术特点说明
4.1整车控制策略构型
实现了基于CAN总线的双ECU一体化动力传动控制,电机驱动系统的工作状态根据传动控制系统的控制算法进行工作，进而实现整车动力驱动一体化控制。
通过对电池、动力驱动系统及整车的特性匹配，设计了针对电动汽车的动力传动控制策略，在确保电池系统能量高效供给的同时兼顾了电机及其控制器的系统效率。
该系统降低了驱动能耗，整车的机动性能也得到了大幅提升，大大提高了电动车辆驱动系统的效率、操作简便性和乘坐舒适性。
系统具备制动能量回收功能。
图11整车控制系统构型图
整车控制器实现以下功能：
Ø加速扭矩的计算：
根据加速踏板位置、车速、电池SOC、电机状态等计算出车辆的扭矩需求，以CAN通讯形式发送到电机控制器。
Ø制动扭矩的计算：
根据制动踏板、车速、电池SOC、电机状态等信息计算出车辆的制动扭矩需求，以CAN通讯的形式发送到电机控制器。
Ø车辆状态的判断：
判断车辆上传感器的状态、电机系统状态、电池系统状态及时显示车辆状态信息。
Ø档位信息的判断：
判断档位信息，将合适的指令发送到电机控制器。
Ø仪表显示：
故障信息、车辆状态、档位信息、将车速信号、SOC、电流、电压等信息发送到显示仪表。
Ø传递行驶信息:
将车辆的及时信息以串口的形式发送到PC机上。
Ø与车辆防盗系统配合，加强防盗安全。
Ø记录、保存、管理错误代码，与手持、车载显示终端通讯显示错误代码
整车控制器的原理方案图如下：
图12整车控制器原理方案图
整车控制器（VCU）既有大量的数字量输入、输出又有模拟量输入、输出，还有对外通讯的功能，因此电路设计比较复杂。
需采用模块化设计方法，降低设计复杂度。
控制器的元器件应选择成熟的部件，以满足汽车复杂、严格的环境要求和安全、可靠性要求。
在汽车电子环境中，VCU会面临来自多方面的干扰，包括电源噪声、各种功率执行器产生的瞬变脉冲电压、电磁波信号发射等，这对系统的可靠性会产生非常不利的影响。
为了提高控制系统的工作可靠性和耐久性，就必须在硬件系统设计阶段采取相应的措施以提高其抗干扰能力。
电磁兼容性已成为汽车电子控制系统设计中越来越得到重视的一个问题。
VCU硬件系统对电磁兼容性在不同的设计阶段应采取相应的抗干扰措施。
（1）电源部分采取防反接、稳压、电容滤波及解耦等措施可有效抑制外界电磁干扰，提高电源可靠性。
（2）对进出VCU的I/O信号通过RC滤波、电容滤波、光电隔离等电路，滤除信号噪声。
（3）合理的PCB布局和模块隔离模拟电路、数字电路以及大功率驱动电路等电路模块互相独立并隔离，避免相互干扰。
图13整车控制器PCB图
4.2CAN总线技术特点说明
通过CAN总线通讯实现整车的网络化控制，整车控制系统由3路CAN总线组成，两路高速CAN，波特率为250kbps，一路低速CAN，波特率为100kbps.
在CAN网络系统中，加速踏板、制动踏板，动力电池，驱动电机等系统的工作状况，以及外围的开关量输入，都通过CAN总线信息共享，在电机驱动系统的工作过程中，根据一定的控制算法，实现对电机扭矩的控制，以及实现制动能量回收等控制。
图14CAN网络拓扑图
CAN网络实现的主要功能如下:
Ø车内、外灯光控制：
实现车辆的灯光控制及诊断，如远近光灯、转向灯、倒车灯、
制动灯、前后雾灯等的开闭控制及开路、短路故障诊断；
Ø转向灯独立控制功能：
某一个转向灯发生短路或者开路故障时，不影响其它转向
的正常工作；
Ø转向与紧急报警优先权限转换功能。
Ø仪表显示消息采集传输：
采集低压电压、车速以及前后制动故障信息等开关信送
仪表显示。
Ø故障信息传送：
将车身低压电气网络器件的状态、故障信息仪表显示。
CAN网络工作过程和控制回路：
控制开关闭合后，相应模块检测出开关信号（主节点、左右前灯节点）后将命令发送到CAN总线上，工作器件所在的节点接收CAN信号，根据命令控制相应器件的通、断，同时在工作过程中对工作器件进行开短路的判断，将诊断信息发送到主节点，并送仪表显示。
图15CAN总线各节点接线图
4.3制动能量回馈系统技术特点说明
本车电机控制器同时能够实现制动能量回馈控制，使整车在下长坡限速和减速制动时将整车动能转换成电能并储存在动力电池组内，达到节能的目的。
5、福田纯电动城市客车及底盘的特点
Ø水冷大功率直驱永磁同步电机，结构紧凑，性能稳定,高效可靠。
Ø采用钛酸锂离子动力电池，具有较好的功率密度，安全可靠，寿命长。
Ø各个子系统之间和子系统内部实现了基于CAN总线技术的信息共享及系统间协调控制；采用了基于CAN总线的仪表和智能显示终端，使整车使用和维护更加方便。
Ø制动、转向、空调等系统均采用电动化，实现了纯电动客车的通用化底盘，实现了整车优良的动力性、耗电经济性以及可靠性，操作简便。
Ø整车采用快充式电池箱体结构，可有效保证客车的正常运营。
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