纯电动汽车车用电源系统设计匹配

纯电动汽车车用电源系统设计

纯电动汽车的结构相对简单，只有一个能量来源——动力电池，所以电源系统的设计相对也比较简单，本节以一种纯电动公交车的电源系统设计来进行说明。

1．整车设计要求

整车设计参数如表9-1所示。

整车行驶工况满足表9-2中国典型城市公交车行驶工况要求。

动力电源系统分布在车辆两侧四个相同的空间内（原行李箱位置）。

2．电源系统设计

(1)确定车辆的功率需求根据汽车理论，汽车功率平衡关系应满足式(9-1)。

（9-1）P v——车辆需求功率，kW；

g——重力加速度，m／S2；

m——车辆满载质量，kg；

i——道路坡度；

δ——旋转质量换算系数；

du／dt——加速度，m／s2；

u a——车速，km／h；

η——传动系统效率；

A——车辆迎风面积，m2；

fr——滚动阻力系数；

CD——风阻系数。

在启动加速、爬坡、最高车速三种情况下车辆的需求功率是最高的，分别计算这三种情况下车辆的需求功率，选择功率要求最大的作为车辆的需求功率。

最高车速μmax对应的车辆功率需求P v1为：

（9-2）最大爬坡度am对应的车辆需求功率P v2为：

（9-3）原地起步加速到指定加速时间T如式9-4所示，可以计算出给定全力加速时电动汽车电机对应于车速ua的需求功率P v3。

（9-4）由式(9-2)~式(9-4)以及表9-1与表9-2中的数据，可以得到车辆的最高车速、最大爬坡度和全力加速时车辆对应的功率需求，分别为98.7kW,91.8kW、65kW。

纯电动汽车的电机的功率应能同时满足汽车对最高车速、加速度及爬坡度的要求，所以电动机的额定功率为：

（9-5）

国家标准推荐的电机功率等级为5.5kW、7.5kW、11kW、15kW、18.5kW、22kW、30kW、37kW、45kW、55kW、75kW、90kW、110kW、132kW、150kW、160kW、185kW、200kW及以上，并符合GB／T4772.1-1999的要求。根据式(9—5)计算结果以及车辆辅件的功率需求，电机额定功率可以选定为110kW。电源系统的功率应不低于P，即应大于110kW。

(2)确定系统电压范围根据整车所选择的电机，确定电源系统的标称电压及电压应用范围。

采用合理的高电压设计，可以减小电机逆变器的成本和体积，并且有利于控制总线的工作电流在一定范围内，从而保护电源系统。同时，总线电压越高，驱动电机能够输出的最大电磁转矩和最大功率数值也就越大，车辆动力性能好。但直流总线的最高电压也不能过高，否则会对功率逆变器中的功率开关器件造成较大的冲击，总线电压不能超过IGBT决定的电机最高允许电压限制。

国标中推荐的电动汽车电机的电源电压等级为：120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V等。

标准要求电机及控制器必须能在电源电压为120%额定电压值下安全承受最大电流。另外，电机在电源电压降为75%额定电压时，应能在最大电流下运行（不要求连续运行）。对于最低电压，比较稳妥的是保证直流总线电压不低于电机额定电压的80%。

以整车采用360 V的电机为例，电源系统的正常工作电压应在288~432V。

根据采用的不同的电动汽车电池类型，来确定电源系统的标称电压。

选用纯电动车常用的LiFePO4体系的锂离子电池，单体电压正常应用范围一般在

2.5~

3.6V，串联电池数量为115~120只，选用120只串联的系统，电源系统标称电压为384V。若选用锰酸锂体系的锂离子电池（其正常应用电压范围为2.9~

4.1V），则选用100只电池串联的系统，标称电压为360V。

(3)电源系统最大输出功率与电流的确定上面确定电机功率为110kW，假设电机转换效率及控制器效率分别为0.9及0.95，电子附件、空调等功率8kW，则电源系统需求的最大功率为：

（9-6）根据车辆设计的最长爬坡时间、加速时间等，来确定电源系统的功率需求。

以LiFePO4电源系统为例，要求输出功率137kW。系统标称电压384V。系统在大功率输出情况下的电压会下降比较大，一般以低于标称电压10%来计算。

则系统要求最大输出电流为：

（9-7）即系统应当在此电流下持续所要求的时间，若连续爬坡要求时间为30s，则此电流下至少需要30s的持续时间。纯电动车应在30%SOC下能承受此电流下的持续时间。

在电源系统设计时，还注意要保留一定的设计冗余。随着车辆的使用，电源系统逐渐老化，式(9-6)、式(9-7)计算的最大电流和只是最低要求。当电源系统寿命接近终止时（如循环剩余80%的额定容量），此时同样应能满足此最低要求。电源系统的最大输出功率必须大于计算值，通常设计冗余为30%。

(4)最大回馈功率与电流的确定能量回馈是提高电源系统能量利用效率的主要方法之一。纯电动车同样具有能量回馈功能，以提高车辆的行驶里程。能量回馈时，电池组应能接受短时间的大功率输入或大电流充电，输入功率与整车的能量制动控制策略有关。

通常回馈功率小于电机的最大功率。能量回馈时电压会升高，由于纯电动车使用的基本上是容量型电池，其充电电压比功率型要高的多。回馈电压按电机的上限电压计算，功率

按电机额定功率计算。假设整车要求的最大制动回馈功率为Pin，持续时间为10s。若全部制动能量回收（电机最大发电功率，110kW电机最大发电功率按70kW计算），则回馈承受的最大电流I cmax为：

I cmax=70000/432 =162(A)

以此电流应能承受10s的充电。由于纯电动车SOC应用范围比较宽，应能在80%SOC 下承受此时的回馈功率。实际情况中车辆的制动回馈策略不同，机械制动和电机能量回收的比例不同，电机回馈功率通常较小，实际电流小于上述计算电流。按50%的制动能量回收，则反馈功率为55kW，电流约为100A。

(5)电动汽车电源系统SOC应用范围确定为更好地保护电源系统，一般应用中不提倡充电时将电源系统完全充满电，放电时不提倡完全放彻底，否则容易损坏电池。一般建议充电到90%左右，放电应剩余5%~10%的容量，可以更好地保护系统中的弱势电池。一般建议应用范围在10%~90%SOC。

(6)电源系统容量的确定容量的确定可以按以下几种方法来确定。

①根据平均行驶速度与里程计算已知平均行驶速度为40km/h，平均输出功率为25kW，电机标称电压为384V，行驶里程要求不低于200km。则电源系统的容量为：

25000×200／(40×384) =325(A·h)

SOC应用范围为10%~90%。

则实际电源系统的容量应能达到325/0.8=407(A·h)

②根据每公里能耗计算若事先了解电动汽车的每公里能耗，则更容易计算出电源系统所需求的容量。

根据车辆设计仿真模拟，该车辆每公里能耗约为0.63kW·h，续驶里程要求200km，系统标称电压384V。则：

电源系统容量=200×630/384=328(A·h)

即电池组实际应能提供328A·h的容量。电源系统的容量应为

328A·h/0.8=410A·h(0.8为车辆应用SOC范围)。

③按照车辆参数计算车辆平均行驶速度为40km/h，假设续驶里程要求200km。

则要求连续行驶时间：t=5h

车辆行驶功率需求按式(9-2)计算：P v1=25kW

则需要的能量为：W=25×5=125(kW·h)

电源系统标称电压以384V计算，SOC应用范围按10%~90%计算。则系统容量为：

C=125×1000／(384×0.8)=407(A·h)

几种计算方法的结果接近。从上述计算结果可以看出，动力电源系统的容量至少应保证在400A·h，才能满足车辆正常行驶200km的要求。