純電動載貨汽車及底盤新技術、新結構說明

1、福田純電動廂式運輸車新技術、新結構系統(tǒng)說明BJ5043XXYEV1北汽福田汽車股份有限公司2016年 8月2目錄1、純電動廂式物流車及底盤動力系統(tǒng)的構型12、驅動電機及電機控制器選型及技術特點說13、動力電池系統(tǒng)技術特點說44、整車控制系統(tǒng)技術特點說7i純電動廂式物流車新技術、新結構整車系統(tǒng)說明1、純電動廂式物流車及底盤動力系統(tǒng)的構型福田汽車集團作為中國商用車第一品牌，汽車行業(yè)的中堅力量，擁有獨立自主創(chuàng)新能力的 汽車制造商，一直以來就把“新能源的研發(fā)與應用”作為企業(yè)發(fā)展的核心戰(zhàn)略。以北京市政府 5T廂式純電動物流車開發(fā)及示范運行項目為依托，通過純電動廂式物流車及底盤產品的研發(fā)， 福田汽車開展了

2、電動汽車技術的應用推廣和產業(yè)化。BJ5043XXYEV1純電動廂式物流車為福田公司通過比較當前典型電動汽車技術路線的優(yōu)缺點，結合計劃開發(fā)的廂式物流車使用環(huán)境、 特點要求，福田汽車選擇了以時代3360軸距車型為 平臺，根據營銷需求與法規(guī)要求開發(fā)動力電池、驅動電機、電子電器、車身、附件、底盤系統(tǒng)。采用三元材料動力電池輸出電能， 動力電池組布置在縱梁之間。 驅動系統(tǒng)采用了直驅式永磁同 步電機，利用電機的電子調速機制調節(jié)車速，在整個車速范圍內實現(xiàn)無級調速，乘坐舒適性好。 整個動力系統(tǒng)結構簡單，傳動效率高，系統(tǒng)可靠性高。(1 MSGFRS| A最|eKPs|亙E I IL而BatEeiy. NCMPTC

3、加電PDULund 嚙 cid 12T Butterv-轉向EHP$年或空調電力直空飛圖1整車動力系統(tǒng)架構圖2、驅動電機及電機控制器選型及技術特點說明電機驅動系統(tǒng)是純電動汽車核心部件，與傳統(tǒng)工業(yè)電機相比，在轉速轉矩動態(tài)控制性能、過載能力、工作效率、功率密度和可靠性方面具有更高的要求，尤其要滿足電動車輛 低速大轉矩、寬調速范圍的牽引特性需求。應用于電動汽車的電機驅動系統(tǒng)一般有直流電機驅動系統(tǒng)、永磁同步電機驅動系統(tǒng)和交流異步電機驅動系統(tǒng)。其中直流電機驅動系統(tǒng)由于電機需要換相器和電刷，使得可靠性降低、體積和重量大，不適合免維護和高速運轉。福田汽車所開發(fā)純電動物流所選用電機驅動系統(tǒng)包括驅動電機和電機控

4、制器。 機為水冷永磁同步電機。驅動電結圖2水冷直驅永磁同步電機及控制器電機基本參數形式水冷永磁同步電機額定功率/最大功率60kw/100kw額定扭矩/最大扭矩450Nm/1000Nm額定轉速/最大轉速1270rpm/4200rpm電機效率>95%福田純電動客車配套水冷永磁同步電機基本參數:電機控制器基本參數額定峰值功率與電機匹配額定輸入電壓436.6V DC額定輸入電流150A DC工作電壓范圍324498V DC額定效率>93%外殼防護等級IP67表1永磁同步電機基本參數表表2永磁同步電機控制器基本參數表永磁同步電機驅動系統(tǒng)由于采用永磁體替代傳統(tǒng)同步電機勵磁繞組，降低了銅損, 構

5、簡單，免維護，固有的高功率密度和高效率特點，并隨著高速弱磁控制技術的突破， 經被國內外公認為電動汽車用最具備競爭力和發(fā)展?jié)摿Φ碾姍C驅動型式。圖3外特性曲線jpccdl'rpm)圖4 效率MAP曲線該型號電機為三相水冷永磁同步電機，針對純電動物流車的運行工況設計，系統(tǒng)具有峰值及堵轉轉矩大、包功率范圍寬等特點，過載能力強等特點：(1) MCU把電池的高壓直流電能轉換為三相交流電，從而驅動TM電機運轉。通常受整車控制器指令控制，控制TM電機運行于前進、后退、空擋下的電動、發(fā)電等模式， 同時可實現(xiàn)駐車、制動、能量回饋、故障報警與處理等功能。(2) DCDC把電池的高壓直流電轉換為低壓電為整車低

6、壓用電器供電，具有系統(tǒng)保護和診斷等功能。(3) IMCU把電池的高壓電轉換為交流電為制動、轉向等附件系統(tǒng)提供電源，具有系 統(tǒng)保護和診斷等功能。(4) OBC將家用交流220VAC專換為高壓直流電為動力電池充電， 具有系統(tǒng)保護和診 斷等功能。(5) 高壓DC將整車動力電池的高壓電轉換為空調系統(tǒng)所需求的工作電壓，為空調 系統(tǒng)供電。高效、高可靠電機的設計a.選用高性能、高穩(wěn)定性稀土永磁體，保證了電機的高效率，系統(tǒng)效率80%勺高效工作區(qū)面積大于90%最高系統(tǒng)效率95%b.高性能永磁體的使用，提高了電機的功率密度，電機的體積、重量與異步電機 相比大幅降低；c.特殊的轉子結構，提高了電機工作的可靠性；d.

7、高強度、耐電暈的絕緣結構，保障了調速電機的可靠工作；e.高可靠性的軸承系統(tǒng)，保障電機的長壽命。3.強化的防護等級設計電機與控制器的防護等級均按IP67設計，滿足整車運行環(huán)境的要求。3、 動力電池系統(tǒng)技術特點說明3.1 動力電池組選型及技術特點說明電動汽車用動力電池包括傳統(tǒng)鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。其中以第二代鋰離子電池為代表的車用鋰離子動力電池具有以下特點：單體電池工作電壓高達3.7V,是鍥鎘電池，鍥氫電池的3倍，鉛酸電池的近2 倍， 因此組成動力電池組時，鋰離子動力電池使用的串聯(lián)數目會大大少于鉛酸電池和鎳氫電池，因而電池組的可靠性相對提高。 重量輕，比能量大，高達150Wh/Kg是

8、鍥氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍，因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一，從這個角度講鋰電消耗的資源就少，而且由于錳酸鋰和磷酸鐵鋰電池中所用元素的儲量比較多，因此相對鉛酸、鎳氫電池，鋰離子動力電池成本反而是進一步降低的。另外，電池組重量降低，有利于降低整車整備質量，提高整車質量利用系數，降低整車能耗。 體積小，高達到400Wh/L體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。便于整車布置和提高空間利用率。 循環(huán)壽命長，循環(huán)次數可達1000次。以容量保持60%計，電池組100%充放電循環(huán)次數可以達到600 次以上，使用年限可達3-5 年 , 壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術的革新，設備的提高，

9、電池的壽命會越來越長，性價比會越來越高。 自放電率低，每月不到5%。 允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，鋰離子動力電池可在 -20C+55C之間工作，尤其適合低溫使用，而水溶液電池（ 比如鉛酸電池、鎳氫電池） 在低溫時，由于電解液流動性變差會導致性能大大降低。 無記憶效應，每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地的進行充電。電池充放電深度，對電池的壽命影響不大，可以全充全放，另外還可以快速充電。 無污染，鋰離子動力電池中不存在有毒物質，因此被稱為“綠色電池”，國家重點扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質鉛和鎘，國家必然會加強監(jiān)管和治理（鉛酸電池出口退稅的取消，鉛資源稅的

10、增加，鉛酸電動自行車出口的受限），相應企業(yè)的成本也會增加。雖然鋰電池沒有污染，但從資源節(jié)約的角度考慮。鋰離子動力電池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考慮。 安全性。對于新一代車用鋰離子蓄電池（特別是磷酸鐵鋰離子電池），其電池單體通過精選安全電極的化學材料、使用不易燃的電解液及其添加劑、電池內部隔膜的關斷保護、減壓開關和內部釋放閥等措施，以及鋰離子動力電池 組的保護板能夠對每一個單體電池進行高精度監(jiān)測，低功耗智能管理，具有 完善的過充電、過放電、溫度、過流、短路保護、鎖定自恢復功能以及可靠 的均衡充電功能，使鋰離子電池在高溫高熱環(huán)境下工作性能良好，過充、過 放不損壞，即使在電池內部或外

11、部受到破壞時，電池也不燃燒、不爆炸，有 較高的安全性。現(xiàn)有電池系統(tǒng)能量密度僅能達到 90-120wh/kg左右，能量密度較低，對布置空間要求 較高；A00HX)|HEV| J3015 JMt押1口 J現(xiàn)在水平_ 一 一 ."fhe 琳群梟承&美同無調制梢U合之門州標ZDO 3K> 4DD功率密度r - -長明餐目也*捕睥至后 511主，阿用電:1:）笳環(huán)為瑞耒用現(xiàn)有H科擅條塊基用 可迷列的除人餐出一生增到同齒在5LI 前性金"怵安受Itr，d勿示kNn益比修 Wh卜電加系統(tǒng)為滿足整車需求，需要選用較高能量密度的電池系統(tǒng)，三元材料具有相對高的能量密度。結合整車提

12、供的電池包絡數模，對各個廠家的電芯進行排布，從排布結果來看，最終采用山東威能 環(huán)保電源科技股份有限公司IMP2265106-14ah單體電芯。山東威能環(huán)保電源科技股份有限公司IMP2265106-14ah單體電芯基本參數：樣拈形式項目禪品情瓦單體蓄電池電池型號IMP225alO6-llAh電池型式能量型產品系列二元系列額定容量14 Ah顫力電樂17 充電招止電違12 V放電終止電壓2,75 V低溫C-201C）放電終止電壓2.5 V東電保護電壓14 V放電保護電壓15 V電池內阻外凝尺寸及公慧£1： (22土 1-0)皿長度 1 (65l0±L0)hh舟度：U06±

13、;2G .（含極柱質量及公差(320 + 10) g生產廠冢山東威能環(huán)保電源科技股份有黑公司3.2 動力電池管理系統(tǒng)技術特點說明電池管理系統(tǒng)（BMS）負責對電池組工作狀態(tài)的監(jiān)測和控制，并與整車通信網絡進行信息交互，是動力電池系統(tǒng)的控制核心。關鍵技術需符合QC/T897-2011 要求，其應至少實現(xiàn)基本功能有：具備檢測電池電壓、電流、溫度等狀態(tài)的采集監(jiān)控管理功能；能夠估算電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC） 、健康狀態(tài)（SOH） 、能量狀態(tài)（SOE） ；能夠估算最大充放電電流或功率等進行實時估算；能夠對電池系統(tǒng)進行熱管理，控制冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)；能夠控制高壓接觸器，完成高壓上下電；能夠對電池系統(tǒng)的狀態(tài)進

14、行監(jiān)控，并執(zhí)行相關診斷；能夠進行故障分析存儲、分析、處理；具備絕緣監(jiān)測與高壓互鎖功能；能與車載充電機或充電樁進行通信，完成充電管理功能；能夠與整車控制器進行CAN!信；具備電池均衡控制功能；停車狀態(tài)下，具備動力電池低壓報警功能。3.2.1 BMS 功能需求1）提供高壓采集、電流采集、單體電壓采集、溫度采集等功能；2）具備繼電器控制驅動功能，本項目至少需控制繼電器：總正繼電器，總負繼電器，預充繼電器，快充繼電器；3）支持Bootloader功能，能夠進行FLASHY寫；4）具備診斷和標定功能；5）支持UDSB議，支持OB酸斷口刷寫程序。6）具備至少3路CAN總線，滿足SAE-J1939協(xié)議；7）

15、具備多種激活模式，至少能夠 On電激活和充電激活；8）滿足交直流充電功能，應能檢測符合充電國標的充電控制和確認信號CC/CP/CC2交流充電方式按照GB/T20234.2中的充電模式3連接方式B,應能自動識別家用16A插座和交流充 電樁并實現(xiàn)交流充電；直流充電方式按照 GB/T20234.3,與非車載充電樁之間的通信協(xié)議按照 GB/T 27930；9）具備熱管理功能，能夠控制冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)；10）具備電池均衡控制功能，支持被動均衡；11）具備正 / 負接觸器狀態(tài)監(jiān)控功能，可通過輔助觸點和電壓判斷方式確認狀態(tài)；12）具備預充功能，預充電電壓至少為系統(tǒng)電壓的95%，預充時間2s 以內；13）具

16、備高壓互鎖檢測功能；14）具備絕緣檢測功能，按照 GB/T 18384進行，絕緣電阻計算精度0 5%15）具備電池SOC、SOH、SOE古算功能，精度0 5%16）具備高壓采集功能，精度&± 0.5%FSR具備電流采集功能，精度&± 0.5%FSR具備 單體電壓采集功能，精度&± 10mV具備溫度采集功能，精度&± 2C；17）具備電池故障狀態(tài)實時診斷功能。18）具備故障診斷及保護功能，能夠實現(xiàn)在線報警，實時故障處理，故障存儲、歷史故障記錄等；19）具備電池最大充放電能力估算功能，能夠實時估計電池的最大充放電電流/ 功率；

17、4、整車控制系統(tǒng)技術特點說明4.1 整車控制策略構型VMSS合管理整個電力驅動系統(tǒng)。整車同駕駛員接口由 VMSE完成。VMS!過駕駛員 操縱加速踏板、制動踏板、檔位等來判斷駕駛員駕駛意圖，并根據相關零部件反饋的 信息，計算出整車運行需要的驅動、制動扭矩、可用功率等，通過CAN總線及硬線連接對相關零部件進行控制，以及將需要警示駕駛員的信息顯示在儀表上來顯示整車狀 態(tài)。同時整車控制器會在車輛運行中實時監(jiān)測整車及各零部件的狀態(tài)，根據故障等級 進行相應的處理，保證車輛及駕駛人員的安全。 I. H ,日，圖11 整車控制系統(tǒng)構型圖整車控制器實現(xiàn)以下功能：?上下電控制：根據駕駛員的不同輸入條件、車輛狀態(tài)及

18、零部件狀態(tài)，對高壓電池 系統(tǒng)進行上電、下電管理?驅動控制：根據駕駛員的駕駛需求、車輛狀態(tài)等進行分析和處理，控制電機的工 作狀態(tài)，滿足各種工況的要求，包括前進、倒車、再生制動等。?再生制動：當檔位處于D擋、未踩加速踏板、高壓電池連接、車速/轉速高于一定 值，SOC氐于一定值，并且無系統(tǒng)故障時，則滿足能量回饋條件；有制動信號為制動回饋； 無制動信號則為滑行回饋。?巡航控制：巡航控制模塊根據定速巡航使能信號、以及當前車輛狀態(tài)，判斷是否 進入/退出巡航功能，并在進入巡航功能后控制電機工作模式以及電機轉速?電機模式控制：電機模式控制模塊根據當前車輛狀態(tài)、轉矩請求及巡航控制等信號，對電機的模式進行控制，并

19、輸出的相應的轉矩 /轉速請求?檔位管理：檔位管理模塊根據檔位請求、當前車輛狀態(tài)等信號，判斷是否允許換擋，并輸出最終檔位狀態(tài)?系統(tǒng)能力估算：系統(tǒng)能力估算根據電池狀態(tài)、電機效率等因素，對電池最大許用功率、電機最大驅動/回饋力矩進行估算，并經過比較計算，輸出最終的系統(tǒng)最大能力?附件控制：附件控制模塊根據車輛狀態(tài)和駕駛員請求信號，對空調、DCDC冷卻系統(tǒng)等附件進行控制?故障診斷及處理：故障診斷及處理模塊根據各控制器發(fā)送的故障信息，以及 VMS 自己診斷的故障，通過分級處理，輸出最終的故障等級和處理方式整車控制器的原理方案圖如下：E動fl?:M由量找«.FiIJ; j1,j伐， 憤號精向 耦前

20、 控制空網 秦展 種制機就M 電模獰圖12整車控制器原理方案圖4.2 輸入信號處理策略模擬輸入信號處理（1）加速踏板信號的處理AD采樣值轉換VMS單析加速品§板信號AD采樣值，將其轉化為0100%勺無量綱工程量。 兩路加速踏板信號同步校驗VMS!判斷兩路加速踏板采樣信號是否同步， 并分析故障類型（瞬時故障或確認故障） 加速踏板信號失效檢測VMS需要對兩路信號進行失效模式檢測，包括斷路、與地短路和電源短路，并分析故 障類型（脈沖故障和確認故障）。制動優(yōu)先當檢測到同時有加速踏板信號和制動踏板信號，如制動踏板開度大于一定值，則加速踏板信號輸出應為零濾波處理最終輸出的加速踏板開度信號使用一階

21、慣性濾波。加速踏板開度應進行限幅處理應限制在0-100%之間。(2) KL30信號的處理KL30電壓信號處理KL30電壓ADCfi直接通過硬彳信號得到，VMS0#析KL30電壓的ADCfi,將其轉化 為電壓值。KL30電壓需要進行限幅處理VMS!要對該電壓值進行限幅處理，范圍在0, 30之間，幅值應可標定。最終輸出的KL30電壓信號需要進行濾波處理VMS!要對該電壓值進行一階慣性濾波，濾波時間常數應可標定。(3)制動真空度信號的處理AD采樣值轉換VMS0W析真空度信號的ADCfi,將其轉化為制空真空度值。制動真空度信號的故障處理若制動真空度信號無故障，則輸出為正常信號值；若制動真空度信號有對地或對電源短路瞬時故障，則輸出為前一周期的真空度信號；若有對地或對電源短路確認故障，則輸出 101kPa (標準