电动商用车系统工程技术体系及关键技术研究

孙逢春 ,  何洪文

中国工程科学 ›› 2018, Vol. 20 ›› Issue (1) : 59 -67.

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中国工程科学 ›› 2018, Vol. 20 ›› Issue (1) : 59 -67. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2018.01.009
专题研究

电动商用车系统工程技术体系及关键技术研究

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Key Technologies for System Engineering of Electric Commercial Vehicles

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摘要

发展新能源汽车是世界共识，以纯电驱动为特点的新能源汽车被确定为我国的战略性新兴产业和“中国制造2025”重点领域。本文对我国电动商用车发展的历程和技术路线、特点等进行了综述，结合北京奥运会“零排放区24 h 不间断安全运行”的需求背景，系统提出并明确了“电动商用车系统工程”的内涵，就其三大核心组成要素“电动商用车平台、充/换电站、运营监控”及其关键技术，分别进行了研究分析。最后，针对我国新能源汽车2020 年500 万辆级规模应用和2022年北京冬季奥林匹克运动会–25 ℃环境下的应用需求，探讨了电动商用车系统工程体系化升级的抓手，目标是真正实现纯电动商用车“性能优越、技术无短板、推广应用无禁区”。

Abstract

The development of new energy vehicles has reached a world consensus. Accordingly, pure electric vehicles have been identified as a national strategic emerging industry in China and a key field of the "China Manufacture 2025". This study reviews the history, technical route, and characteristic of the development of electric commercial vehicles in China. Combining the requirements of "zero-emission" and "24 h non-interrupted safe operation" in the Beijing Olympics, we propose herein the concept of “system engineering of electric commercial vehicles” with three core components, namely, vehicle platform, swap charging station, and operation monitoring. This study also introduces and investigates the key technologies of the three components. Lastly, this study discusses the main technical measures for upgrading the system engineering of electric commercial vehicles to realize a 5 million-level application of the new energy vehicle in 2020 and satisfy the application in an environment of -25 ℃ in the Beijing Winter Olympics in 2022. The study aims to realize a pure electric commercial vehicle with superior performance, no technical defects, and a forbidden application zone.

关键词

电动商用车 / 充/ 换电站 / 运营监控 / 系统工程 / 冬季奥林匹克运动会

Key words

electric commercial vehicle / charging/changing station / operation monitoring / system engineering / Winter Olympics

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孙逢春,何洪文. 电动商用车系统工程技术体系及关键技术研究[J]. 中国工程科学, 2018, 20(1): 59-67 DOI:10.15302/J-SSCAE-2018.01.009

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一、前言

发展新能源汽车是世界共识。我国自“十五” 计划以来，稳步推进新能源汽车整车和零部件的关 键技术攻关，纯电动客车总体技术处于国际先进水 平，能耗指标国际领先 [1]。2008 年北京奥林匹克 运动会（简称北京奥运会）期间，在奥运中心零排 放区昼夜不间断运行的 50 辆纯电动公交车，成功 完成“零故障运行”的国家目标，为“无与伦比的 奥运会”做出了贡献。2010 年上海世界博览会期间， 在世博园区内运行的 120 辆纯电动客车在半年内经 受住了高温、高湿环境的考验，载客 9 018 万人次， 车辆完好率为 99.8 %。以国家新能源汽车“十城千 辆”示范城市项目为牵引，25 个示范城市成功推 广应用新能源客车、轿车和城市商用车 3.98 万辆。 2014 年，我国新能源汽车应用规模加速提升，该年 被称为中国新能源汽车推广元年，当年全国各种新 能源车辆销量就达 74 763 辆，其中纯电动汽车占比 为 60.3%。截至 2016 年年底，我国新能源汽车保有 量达到 109 万辆，其中纯电动汽车保有量为 74.1 万 辆，占比达到 67.98%。截至 2017 年 10 月，累计推 广纯电动商用车 28.8 万辆，其中纯电动客车 19.4 万 辆（大中轻型），纯电动客车规模全球第一。以宇通 集团有限公司、比亚迪股份有限公司为代表的中国 客车企业，在 50 个国家和 200 个城市实现销售或示 范运营，已进入英国、法国、美国、日本、澳大利 亚等发达国家的高端市场 [1]。得益于纯电驱动战略 的实施，我国新能源汽车和纯电动汽车的应用规模 呈几何级数增长，新能源汽车发展已经进入快车道， 已成为世界上新能源汽车保有量最大的国家。我国 新能源汽车技术达到国际先进水平，纯电动商用车 平台成套技术出口欧盟等国家和地区，我国纯电动 商用车走出了一条技术特色鲜明的道路。

二、电动商用车系统工程技术体系

（一）电动商用车系统工程技术体系的内涵

电动商用车产业的发展受到动力电池、成本控 制、充电、运营模式等多方面的影响，有必要从系 统工程的角度对其进行规划、开发和推广应用。如 图 1 所示，电动商用车系统工程体系主要包括三大 子系统：电动商用车平台、充 / 换电基础设施以及 运营实时监控与管理系统。三大系统间相互支撑成 为综合解决电动汽车“续驶里程、充电时间、安全 高效运行”等技术需求的关键。

作为对上述纯电动客车动力系统构型的补充， 近年来，适用于城市公交客车的无变速器单电机直 驱动力系统构型以及适用于超低地板客车应用的分 布式电机驱动系统构型 [2,3]，也在一定范围内得到 了行业应用。

2. 整车数字化信息控制技术

国内电动商用车平台已经形成了基于多路控制 器局域网络（CAN）总线的电动客车通信协议标准， 开发了电动客车专用的数字化信息控制系统，如图 3 所示，具体包括整车控制器、车身控制器及智能仪 表等核心单元。实现了基于总线技术的信息共享及 系统间协调控制，具备整车故障诊断、报警和分级 保护等功能。

4. 一体化动力传动控制系统

奥运电动客车项目团队开发了无离合器多挡电 控机械自动变速箱（AMT）动力传动系统，如图 5 所示，实现了基于 CAN 总线的一体化动力传动效 率最优控制，有效提高了整车的经济性和动力性 能 [7~10]。该团队还提出了基于空间矢量脉宽调制 （SVPWM）控制的逆变器死区补偿方法，开发出高 效全数字矢量控制交流电机驱动系统，提高了动力 传动的系统效率。攻克了系统悬浮状态下二次绝缘、 电磁兼容和静电释放等技术难题，并采用冗余控制 和故障诊断技术提高了系统的可靠性。

（三）充 / 换电基础设施

电动车辆充电时间长、车辆利用效率低、充 电安全等问题长期以来都是电动车辆产业发展的瓶 颈。目前主要有快速充电和电池箱快速自动更换两 种技术解决方案。

1. 充电和更换兼容的充 / 换电站

2008 年 , 北京奥运会使用了当时国际上首创的 规模最大的电动客车充 / 换兼容充电站，如图 7 所 示。在奥运会期间为 50 辆电动客车提供 24 h 充电、 动力电池更换服务以及相应的整车和电池维护保养 服务 [11]，取得了巨大成功。车辆在快速更换区域 通过自动更换机械实施电池分箱组合式快速更换， 5 min 左右可完成一辆车的电池更换工作。根据电 动汽车的特点和奥运会的应用需求，设计了续驶时 间和充电时间约束的车辆调度理论模型和方案，在 充电站设置了调度监控中心。

2. 大功率充电

为了极大缩短动力电池的充电时间，目前很多 大型跨国车企都提出了 350 kW、1 000 V 的大功率 充电。电动商用车用户对于大功率充电有着强烈需 求，因为快速充电在贴合用车习惯、提高充电效率， 降低车桩比等方面优势明显。然而，大功率充电模 式在我国的发展仍然在讨论和探索中，选择适合我 国国情的充电功率十分重要。大功率充电对电动汽 车的安全性、电网高效稳定运行等都会造成一定影 响，权衡功率和安全性之间的平衡是需要解决的难 题之一；另一方面，高压大功率的使用对于电池系 统、高压保护、高压接口、电控单元、高压传输回 路等部件的耐压与过流能力有了更高的要求，对成 本控制会造成影响，预估会比当前成本增加约 3 倍。 随着技术的进步，电池的充电倍率特性、电池容量、 续驶里程会逐渐增加，因此大功率快速充电需要谨 慎探索，应该仔细分析和对比电动商用车快速充电 与电池箱快速自动更换的优势及互补性。

（四）运营监控与管理技术

随着新能源汽车运行规模的不断扩大，在工业 和信息化部等国家相关部委的领导下，启动建设了 新能源汽车运行国家、地方政府和企业三级监控与管理体系，以实现“车辆运行安全可监测，企业主 体责任可监管，车辆运行里程可追溯，财政补贴效 益可评估，产品质量电耗可调查”等国家监管目标。

根据自奥运会以来北京电动车辆运行实时监控 与管理的实践与经验，在国家工业和信息化部、财 政部和北京市政府的领导和支持下，由北京理工大 学牵头建设了“北京市电动汽车运行监控与服务中 心”以及“新能源汽车国家监测与管理中心”，并 对地方政府监管平台、新能源汽车企业监控平台的 开发和建设提供技术支撑。由国家、地方政府、企 业三级平台组成的新能源汽车安全运行监管体系正 在逐步形成。截至目前，约有 400 家新能源汽车生 产企业申请接入国家监控平台，4 000 多种新能源 车型通过了标准体系符合性测试，并可按国家要求 随时接入国家监测平台。

三、电动商用车技术展望

当前，新一代通信技术、新能源、新材料等技 术与汽车产业正在加快融合。2022 年北京冬季奥林 匹克运动会即将到来，电动商用车将在冬季奥林匹 克运动会的交通服务保障中再次承担重要角色。面 对冬季奥林匹克运动会 –25℃环境下的应用需求， 电动商用车平台的系统技术升级至关重要。

（一）突破低温禁区，研究全天候动力电池及电动 车辆系统技术

提升动力电池的能量密度、循环使用寿命、安 全性及降低成本是关键。锂离子动力电池的能量密 度和功率性能在低温下大大降低，严重限制了其在 低温环境中的应用。作为 2022 年北京冬季奥林匹 克运动会举办地之一的河北省张家口地区，冬季平 均温度处于 –10℃左右，而崇礼室外赛区在极寒时 温度将降至约 –23℃。全气候动力电池作为一种全 新的电池技术（如图 9 所示），革命性地突破了电池 在低温下的性能局限。全气候电池通过在内部插入 了一片镍片，用很少量的电池能量能够在低于 0℃ 时进行电池“自加热”，当电池温度上升到可用范围 后，它又会自动停止加热，以免造成更多的能量损 失 [12]。此项技术能将锂离子动力电池在 –30℃下的 功率提高 10 倍以上，同时不减弱电池在常温下的性 能和寿命。北京理工大学、中信国安盟固利动力科 技有限公司和美国 EC Power 公司，合作开发了超低 温区域应用带自加热技术的锂离子动力电池系统产 品并进行产业化量产，成功实现动力电池系统自加 热每分钟升温10℃以上且总加热能耗不超过5%。“全 气候电池”将使得新能源汽车的推广应用再无禁区。

 （二）突破低温禁区，研究高效热泵空调技术

在冬季和夏季，车内空调系统是电动商用车 主要的耗能部件之一。提高空调系统的制冷 / 制热 效率是整车节能和提升续驶里程的重要举措。低温 增焓技术具有高效、节能的优势，并能在严寒条件 下使性能得到提升，是新一代电动商用车平台技术 升级的一项关键技术。通过宽温区变工况空气源热 泵高效制冷 / 制热循环理论、低温环境下高制热能 效热泵空调系统等技术突破以及采用低温增焓、高 效换热器、高效的风扇电机、优化的风罩设计等 技术，低温增焓空调低温制热能效比预期能达到 1.6，在 –15℃下制热能力预期提高近 20 %~50 %， 在 –25℃时也能正常工作，能完全满足在严寒地区 使用时的高效供暖需求。

（三）提升整车动力性，研发高效电驱动系统

进一步提升整车的动力性能、降低能耗，对电 机、电机控制器以及电驱动总成化集成提出了更高 的要求。技术关键包括高效高密度电机和控制器、 电机与传动高密度一体化集成以及高压集成控制器 等，双电机耦合无动力中断自动变速电驱动系统、 高效高集成度分布式电驱动系统成为可行的技术 方案，如图 10 所示。另外研发效率达双 90 %（效 率≥ 90 % 的工作区域占整个工作区域的百分比达 到 90 % 以上）的电机驱动系统也成为技术攻关的 重点。

（四）提升整车的智能化水平，研究网联整车控制

器及整车智能驾驶技术 智能化是新一代电动汽车的主要技术特征，也成 为提升整车综合性能的主要技术抓手。技术关键包括 整车线控底盘 [13]、整车网联控制电气架构、网联整 车控制器及信息安全、基于云端多源信息的融合 / 决 策 / 控制标定、整车智能辅助驾驶等。北京冬季奥林 匹克运动会河北赛区地形主要为山区，进入冬季，道 路坡度与冰雪路面等将导致车辆行驶工况十分复杂， 对整车智能辅助驾驶提出了更高的要求。急需对智能 网联控制技术、驱动电机与自动变速控制技术、系统 智能控制技术等进行重新设计和开发，使整车达到更 高的可靠性、安全性等综合性能。

四、结语

本文提出并明确了“电动商用车系统工程”的 内涵，就其三大核心组成要素“电动商用车平台、 充 / 换电站、运营实时监控”及其关键技术，分别 进行了研究分析和讨论。面对 2022 年北京冬季奥 林匹克运动会 –25℃环境下的应用需求，突破目前 纯电动商用车的低温应用禁区和提升整车动力性 能、安全性等综合性能至关重要，从自加热全气候 锂离子动力电池、低温增焓高效空调、高效电驱动 系统、整车智能控制四个方面讨论了电动商用车平 台技术升级的途径和关键技术。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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基金资助

中国工程院咨询项目“汽车强国战略研究”(2015-XZ-36)()

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