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新能源汽车车身电器教学设备方案研究分析
摘要：由于当代新能源汽车结合现代互联网技术，增添许多智能网联新功能，继而车辆上的传感器和电子控制单元也日益增多。如果继续采用过去传统汽车点对点的通信方式，会产生重量增加、布线复杂等问题。目前大多数新能源汽车采用分布式通信网络架构，线束简单、重量减少并且扩展性高的优点，但针对新能源汽车分布式通信网络架构的实训教学设备不完善。文章以比亚迪E5车型为例进行详细分析，针对新能源汽车分布式电气架构的教学设备进行方案设计，旨在提供一套针对新能源汽车完整的理实一体化教学设备资源。
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近几年，由于日益严重的环境问题和资源问题，新能源汽车发展迅速。并且新能源汽车结合了互联网技术，大部分采用了新型电子电气架构[1]。然而，新能源汽车产业的发展速度远远超过了新能源汽车产业相关技术人才的发展速度，对于新能源汽车的技术人才的培养还不够。目前，市场上汽车方面的教学资源仍然以传统汽车为主，对于新能源汽车的研究，也仅仅着眼于汽车动力系统和充放电系统上。因此，本文主要以比亚迪E5车型为例，研究新能源汽车下的电子电气架构，并设计一套符合现在发展趋势的新能源汽车教学实验实训设备。
1、比亚迪车型分析
比亚迪E平台是通过“33111”高度集成化设计来达到极限地压缩空间、从而更容易开发标准化模块的目的，最终形成标准化程度高的纯电动车平台。“33111”包括驱动电机三合一、高压控制器三合一、低压控制器多合一、一块动力电池和一块智能网联中控屏。总的来说就是把几大相关部件合为一体，让部件占用空间最小化、成本最低化、乘坐空间最大化、车辆性能最高化[2]。
基于比亚迪E平台研究的比亚迪E5车型是网约车和出租车的首选，销量占比达比亚迪所有新能源汽车的38.1%，成为国产纯电动家轿中最具性价比典范车型。比亚迪E5车型的电气架构如图1所示，主要包括7个网络：
图1比亚迪E5电气架构分析图
1）动力网包含的控制模块有驱动电机、换挡机构、组合仪表、整车控制器、充配电总成（DC-DC转换器、车载充电机OBC）、诊断座DLC、4G模块、车身控制器BCM。传输速率为250kbit/s，其终端电阻（120Ω）分别在网关和电池管理器模块中。
2)ESC网（汽车电子稳定控制系统）包含的控制模块有电子手刹EPB、防抱死制动系统ABS、方向盘转角传感器、诊断座DLC、4G模块。传输速率为500kbit/s，其终端电阻分别在网关和ABS模块中。
3）舒适网包含的控制模块有组合开关、空调面板、CD/多媒体、安全气囊SRS、引擎模拟器、多功能屏、玻璃升降开关、倒车雷达、外部胎压监测、空调控制器、诊断座DLC、4G模块、车身电脑BCM。传输速率为125kbit/s，其终端电阻分别在网关和车身控制器BCM模块中。
4）电池子网包含的控制模块有电池管理器、电池包。传输速率为125kbit/s，其终端电阻分别在电池管理器和电池包中。
5）充电子网包含的控制模块有电池管理器、直流充电口。传输速率为125kbit/s，其终端电阻在电池管理器模块中。
6）启动子网包含的控制模块有车身控制器BCM、智能钥匙keyless系统、转向轴锁。传输速率为125kbit/s，其终端电阻分别在车身控制器BCM和智能钥匙keyless模块中。
7）空调子网包含的控制模块有空调控制器、压缩机、空调加热模块PTC。传输速率为125kbit/s，其终端电阻分别在网关和压缩机模块中。
8）各网络之间通过网关实现不同通信速率间的信息交互，动力网和舒适网通过BCM（车身控制模块）发送指令控制执行机构操作。
2、新能源汽车车身电器教学设备方案设计
2.1 需求分析
目前新能源汽车实训教学设备的现状，教学设备功能单一，实训台架与实车相差过远，对学生吸引力不够，因此建立一套新能源汽车车身电器的模块教学设备。新能源汽车车身电器模块教学设备需要满足以下两点[3]:
2.1.1 实现汽车基本功能需求
实训台的操作应与实际驾驶过程中的操作相符合，实训台所使用的相关电器及配件应为汽车上的原装产品。同时，考虑到灯光信号系统在汽车中的实际布置，以便于学生了解灯光信号系统在汽车中的布置情况，实训台的布置方式应按照原车的布置方式来实施，模拟实车的场景，方便学生理解。
2.1.2 实现汽车故障诊断教学功能需求
为了便于学生对车身电器故障进行准确的检测与排除，还要确保教学实训台能够对汽车常见故障进行真实模拟。应在故障所涉及到的位置中设置对应的检测点，使学生能够通过这些检测点分析故障原因，并对故障进行有效排除，这样有助于培养学生对问题的分析与解决能力。
2.2 方案设计
2.2.1 功能设计
以比亚迪E5汽车为代表，构建新能源汽车车身电器模块化教学台架。将比亚迪E5车身电器划分为车灯、车门、仪表雨刮、舒适性、辅助电源五大模块，实现车身电器模块既能独立工作，又能联动调控。车身电器实验实训台独立工作时，控制模块能够实现汽车正常行驶功能以及相应的故障设置诊断功能。联动调控时，也可以将各模块通过CAN总线进行连接，实现各模块之间的信息交互。如图2所示，车身电器划分为五大模块，通过CAN总线相连实现通信。
2.2.2 机械设计
教学实验实训台架是汽车电器以及线束布置的支撑基础，结合成本以及强度、刚度的要求，综合考虑选用铝型材结构，铝型材结构密度小、质量轻、强度高、易于加工，适用于教学实验实训台架。根据车身电器功能需求，铝型材之间采用直角连接件进行加固，各模块之间选用碰珠卡扣实现对接，实训台底部装有刹车脚轮，既可以方便移动，同时也可以实现固定。
图2新能源汽车车身电器系统功能图
教学实验实训台架需要与比亚迪E5车身电器结构相符合，使车身电器以及相应线束依附台架固定，教学实验实训台架完成效果如图3所示。
图3车身电器教学实验实训台架组合图
2.2.3 电气设计
结合对比亚迪E5的电气系统的分析，车身电器教学实验实训台需要对比亚迪E5的电气系统进行拆分组合，实现模块化运行，联动调控时采用接插件进行通信连接。结合比亚迪E5车型的电路图，进行模块化电路设计，如图4图5所示，作为独立教学实验实训台运行时，仪表模块通过转向轴开关控制车灯相关指示灯和雨刮电器实现功能，而车灯模块通过实训台面板控制装置实现对车灯的操作。联动调控时，仪表模块与车灯模块CAN总线相连接，通过对仪表模块的转向柱开关操作，将信息发送至车灯模块，继而控制车灯动作。
图4仪表雨刮模块教学实验实训台电气原理图
图5左前车灯模块教学实验实训台电气原理图
2.2.4 故障设置与诊断系统方案设计
汽车教学设备需要结合实际生活中出现的常见故障问题，通过故障模拟装置对故障现象进行模拟，达到学生可以检测故障并维修的目的。
图6汽车左前车门故障设置系统图
故障设置总体布局如图6所示，通过一体机操作电脑设置故障点，故障设置板接收到指令操作相应位置的开关，实训台显示故障无法正常运行。常见故障设置类型主要分为：供电故障、通信故障、搭铁断路故障、失效损坏、保险故障。针对每个故障都需要设置故障检测端子，实现故障诊断功能。
3、结语
论文对比亚迪E5汽车的系统架构详细分析，并以该车型为载体，通过对实训教学特点和汽车故障检测技能进行研究，提出一套新能源汽车车身电器教学设备方案。
参考文献：
[1]贺强.新能源汽车CAN通信系统的设计与实现[D].辽宁大学,2016.
[2]杨意品.比亚迪纯电动汽车e平台技术解析[J].汽车维护与修理,2019(23):66-69.
[3]耿丽,张建峰.汽车电器多功能实训台架的设计探索[J].产业与科技论坛,2016,15(05):58-59.
金星辰,王春晖.新能源汽车车身电器教学设备方案设计[J].汽车实用技术,2020(15):109-111.
基金:天津职业技术师范大学研究生创新基金(SYC20-1)资助;天津动核芯科技有限公司教育部产学合作协同育人项目(项目编号为201901241013).
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期刊名称：新能源进展
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2020-08-17
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