純電動汽車車用電源系統(tǒng)設(shè)計

1、純電動汽車車用電源系統(tǒng)設(shè)計熱度：263 日期：13-02-20, 10:15 AM來源：純電動汽車 的結(jié)構(gòu)相對簡單，只有一個能量來源動力電池，所以電源系統(tǒng)的設(shè)計 相對也比較簡單，本節(jié)以一種純電動公交車的電源系統(tǒng)設(shè)計來進行說明。1 .整車設(shè)計要求整車設(shè)計參數(shù)如表 9-1所示。表務1批電動汽車性能要求.參數(shù)-整車聃第庾量.麻12610空氣阻力系數(shù)"胃丁.7整華嘀或總噗量”,媼17 ISO濯過阻力票數(shù)cr M7E+C. 00005fl Vu鼬比/'Em59時加速時時要求.613迎網(wǎng)面積/一皆酰里：理要求2律口（平均變速iO km/ h）傳動系統(tǒng)效軍0.以電附忤、空酒等力率小Wg整車

2、行駛工況滿足表 9-2中國典型城市公交車行駛工況要求。* 9-2中國典型城市公交車行駛工況參數(shù)君稱參數(shù)指標參慰名稱平均iS發(fā)Xhn/bJ16. 1最富巴理（km h）6Q CD最大減速度*E / ）2,47平均仃行車速7? Sb Ju »- -UV均減速寞Nm-'S0. S3總行裝中鋰"mj.晶總邂所止時間百分比為況37B行映時間方1304勻速折自時間口'分比17. 11最大值1速度1. 2b加廛所內(nèi)時間有分比，為32. 13平均跑速度4e/f。凡36臧邈所在時間百分比/好22. 0S動力電源系統(tǒng)分布在車輛兩側(cè)四個相同的空間內(nèi)（原行李箱位置）。2.電源系統(tǒng)設(shè)

3、計（1）確定車輛的功率需求 根據(jù)汽車理論，汽車功率平衡關(guān)系應滿足式（9-1）。p = _L 呼gf+熱或就0j_ 口兒8mudu 中丫飛600 多方 標布十麗山）（9-1Pv 車輛需求功率，kW;2g 重力加速度，m/S ；m 車輛滿載質(zhì)量， kg ;i道路坡度； 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；2du/dt 加速度，m/s ;ua車速，km /h ; 傳動系統(tǒng)效率；A車輛迎風面積，m2；fr 滾動阻力系數(shù)；CD 風阻系數(shù)。在啟動加速、爬坡、最高車速三種情況下車輛的需求功率是最高的，分別計算這三種 情況下車輛的需求功率，選擇功率要求最大的作為車輛的需求功率。最高車速（imax對應的車輛功率需求 Pv1為：p

4、 _ （mg j $ 猶mat _i_ Q A優(yōu)max 36。十 76140 ）（9.2）最大爬坡度am對應的車輛需求功率 Pv2為：P 2 _ J_ （嗎琴口配'入 卜mg號inQm% Cd Ait： x避 喬（3600-360016U0）（9-3原地起步加速到指定加速時間T如式9-4所示，可以計算出給定全力加速時 電動汽車電機對應于車速ua的需求功率Pv3。丁 f1 氏"，心 360076140 ,T=jodt = fibi （衍一文一同向“ 由式（9-2卜 式（9-4）以及表9-1與表9-2中的數(shù)據(jù)，可以得到車輛的最高車速、最大爬坡 度和全力加速時車輛對應的功率需求，分

5、別為 98.7kW,91.8kW 、65kW 。純電動汽車的電機的功率應能同時滿足汽車對最高車速、加速度及爬坡度的要求，所 以電動機的額定功率為：P = rmx （尸"Pd PG（9-5）國家標準推薦的電機功率等級為 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。根據(jù)式（95）計算結(jié)果 以及車輛輔件的功率需求，電機額定功率可以選定為 110kW。電源系統(tǒng)的功率應不低于 P,

6、 即應大于110kW 。（2）確定系統(tǒng)電壓范圍 根據(jù)整車所選擇的電機，確定電源系統(tǒng)的標稱電壓及電壓應用 范圍。采用合理的高電壓設(shè)計，可以減小電機逆變器的成本和體積，并且有利于控制總線的 工作電流在一定范圍內(nèi)，從而保護電源系統(tǒng)。 同時，總線電壓越高，驅(qū)動電機能夠輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩和最大功率數(shù)值也就越大，車輛動力性能好。但直流總線的最高電壓也不能過高，否則會對功率逆變器中的功率開關(guān)器件造成較大的沖擊，總線電壓不能超過IGBT決定的電機最高允許電壓限制。國標中推薦的電動汽車電機的電源電壓等級為：120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360

7、V、384V、408V 等。標準要求電機及控制器必須能在電源電壓為120%額定電壓值下安全承受最大電流。另外，電機在電源電壓降為 75%額定電壓時，應能在最大電流下運行 (不要求連續(xù)運行)。對于最低電壓，比較穩(wěn)妥的是保證直流總線電壓不低于電機額定電壓的80%。以整車采用360 V 的電機為例，電源系統(tǒng)的正常工作電壓應在288432V 。根據(jù)采用的不同的 電動汽車電池 類型，來確定電源系統(tǒng)的標稱電壓。選用純電動車常用的 LiFePO 4體系的鋰離子電池，單體電壓正常應用范圍一般在2.53.6V ,串聯(lián)電池數(shù)量為115120 只，選用120只串聯(lián)的系統(tǒng)，電源系統(tǒng)標稱電壓為384V。若選用鎰酸鋰體系

8、的鋰離子電池(其正常應用電壓范圍為2.94.1V ),則選用100只電池串聯(lián)的系統(tǒng)，標稱電壓為360V 。(3)電源系統(tǒng)最大輸出功率與電流的確定上面確定電機功率為 110kW，假設(shè)電機轉(zhuǎn)換效率及控制器效率分別為 0.9及0.95 ,電子附件、空調(diào)等功率 8kW ,則電源系統(tǒng)需求的最大 功率為：黑;+產(chǎn)新助=麗瑞麗+8=137 (kW)(9-6 )根據(jù)車輛設(shè)計的最長爬坡時間、加速時間等，來確定電源系統(tǒng)的功率需求。以LiFePO 4電源系統(tǒng)為例，要求輸出功率 137kW 。系統(tǒng)標稱電壓 384V。系統(tǒng)在大功率輸出情況下的電壓會下降比較大，一般以低于標稱電壓10%來計算。則系統(tǒng)要求最大輸出電流為：L

9、m,137000”384X 0. 9) = 396(A(9-7)即系統(tǒng)應當在此電流下持續(xù)所要求的時間，若連續(xù)爬坡要求時間為30s ,則此電流下至少需要30s的持續(xù)時間。純電動車應在 30%SOC 下能承受此電流下的持續(xù)時間。在電源系統(tǒng)設(shè)計時，還注意要保留一定的設(shè)計冗余。隨著車輛的使用，電源系統(tǒng)逐漸老化，式(9-6)、式(9-7)計算的最大電流和只是最低要求。當電源系統(tǒng)壽命接近終止時(如循環(huán)剩余80%的額定容量)，此時同樣應能滿足此最低要求。電源系統(tǒng)的最大輸出功率必須大于計算值，通常設(shè)計冗余為30% 。(4)最大回饋功率與電流的確定能量回饋是提高電源系統(tǒng)能量利用效率的主要方法之一。純電動車同樣具

10、有能量回饋功能，以提高車輛的行駛里程。能量回饋時，電池組應能接 受短時間的大功率輸入或大電流充電，輸入功率與整車的能量制動控制策略有關(guān)。通?；仞伖β市∮陔姍C的最大功率。能量回饋時電壓會升高，由于純電動車使用的基本上是容量型電池，其充電電壓比功率型要高的多?；仞侂妷喊措姍C的上限電壓計算，功率按電機額定功率計算。假設(shè)整車要求的最大制動回饋功率為Pin ,持續(xù)時間為10s。若全部制動能量回收(電機最大發(fā)電功率，110kW 電機最大發(fā)電功率按 70kW 計算)，則回饋承受的最大電流I cmax為：I cmax=70000/432 =162(A)以此電流應能承受 10s的充電。由于純電動車 SOC應用范

11、圍比較寬，應能在80%SOC 下 承受此時的回饋功率。 實際情況中車輛的制動回饋策略不同，機械制動和電機能量回收的比例不同，電機回饋功率通常較小，實際電流小于上述計算電流。按 50%的制動能量回收， 則反饋功率為55kW ,電流約為100A 。 5).電動汽車電源系統(tǒng)SOC應用范圍確定 為更好地保護電源系統(tǒng)，一般應用中不提倡充電時將電源系統(tǒng)完全充滿電，放電時不提倡完全放徹底，否則容易損壞電池。 一般建議充電到90%左右，放電應剩余 5%10%的容量，可以更好地保護系統(tǒng)中的弱勢電池。一般建議應用范圍在 10%90%SOC。(6)電源系統(tǒng)容量的確定容量的確定可以按以下幾種方法來確定。根據(jù)平均行駛速

12、度與里程計算已知平均行駛速度為 40km/h ,平均輸出功率為25kW ,電機標稱電壓為 384V ,行駛里程要求不低于200km 。則電源系統(tǒng)的容量為：25000 X 200 /(40 X384) =325(Ah)SOC應用范圍為10%90%。則實際電源系統(tǒng)的容量應能達到325/0.8=407(A h)根據(jù)每公里能耗計算若事先了解電動汽車的每公里能耗，則更容易計算出電源系統(tǒng)所需求的容量。根據(jù)車輛設(shè)計仿真模擬，該車輛每公里能耗約為 0.63kW力，續(xù)駛里程要求200km , 系統(tǒng)標稱電壓 384V 。則：電源系統(tǒng)容量=200X 630/384=328(A h)即電池組實際應能提供 328A h

13、的容量。電源系統(tǒng)的容量應為328A h/0.8=410Ah(0.8 為車輛應用 SOC 范圍)。按照車輛參數(shù)計算車輛平均行駛速度為 40km/h ，假設(shè)續(xù)駛里程要求 200km。則要求連續(xù)行駛時間：t=5h車輛行駛功率需求按式(9-2)計算：Pv1=25kW則需要的能量為： W=25X 5=125(kW h)電源系統(tǒng)標稱電壓以 384V計算，SOC應用范圍按10%90% 計算。則系統(tǒng)容量為：C=125 X 1000 /(384 X0.8)=407(A h)幾種計算方法的結(jié)果接近。從上述計算結(jié)果可以看出，動力電源系統(tǒng)的容量至少應保證在400A h ,才能滿足車輛正常行駛 200km 的要求。同樣

14、，在進行容量的設(shè)計確定時，也需要考慮冗余，一般設(shè)計冗余在10%30% 。該設(shè)計可以采用 500A h的電源系統(tǒng)，初期一次充電可以行駛250km 。(7)電池組工作溫度范圍電池組的工作溫度范圍一般在選定電池時已經(jīng)確定了，Ni/MH電池的工作溫度范圍一般在 2055 C;鎰酸鋰電池的工作范圍為2050 C;磷酸鐵鋰電池的工作范圍為一2060 C。在低溫時，電源系統(tǒng)應能滿足啟動的要求。由式(9-4)計算出車輛啟動功率為 65kW ,考慮電機及其控制器轉(zhuǎn)換效率，低溫電源系統(tǒng)啟動功率需 求為76kW 。低溫啟動電壓按標稱電壓的90%計算，則低溫啟動電流約為220A ,相對500A h的電源系統(tǒng)來說，通常

15、的 Ni/MH電池、鋰離子電池可以滿足此要求。(8).電動汽車電池一組散熱設(shè)計 根據(jù)車輛正常使用工況，計算車輛在正常行駛過程中產(chǎn)生的熱量及可能引起的溫升情況；根據(jù)充電要求計算充電過程中的產(chǎn)熱情況。根據(jù)這兩個計算情況確定所采取的散熱方式等。在許多情況下，純電動車正常運行(行駛)過程中的產(chǎn)熱比較少，可以不考慮散熱，充電過程中產(chǎn)熱量大，尤其在快充情況下。因此，某些條件下可 以專門針對充電情況進行散熱考慮，此時不一定要從電源系統(tǒng)的設(shè)計來考慮，可以利用停車充電的固定設(shè)施進行散熱。(9)系統(tǒng)BMS功能的設(shè)計與要求 按照選用的電池類型要求、整車控制要求、通信協(xié)議要求等設(shè)計BMS的功能。根據(jù)選用的電池特性確定

16、均衡電流的大小。此系統(tǒng)采用500A h的磷酸鐵鋰電池，電池自放電大約為每月5% (假設(shè)電池之間每月容量差別在5% ),每天充電均衡時間在 2h左右，則均衡電流應達到 500X 5% /(30 X 2)=0.417(A),才能達到 消除自放電引起的容量差別。(10)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)上面的功率需求和容量需求，目前的鉛酸電池、饃氫電池及鋰離子電池均能滿足使用要求。根據(jù)目前各類電池的使用壽命、價格、體積、重量等參數(shù)，綜 合比較。采用鉛酸電池，電7比能量低，比能量按35W- h/kg計算，則系統(tǒng)總質(zhì)量達到5500kg ;采用饃氫電池(系統(tǒng)比能量50W - h/kg ),系統(tǒng)總質(zhì)量為 3600kg 左右；

17、鋰離子電池系統(tǒng)的比能量通常在8090W h/kg,系統(tǒng)標稱電壓為 384V (磷酸鐵鋰電池)，標稱容量500A h,則質(zhì)量大約在l7002000kg 。采用鉛酸電池重量最大，已經(jīng)嚴重影響到車輛的載重與行駛里程(由于重量加大而需要提高電源系統(tǒng)的功率和能量)。鋰離子電池系統(tǒng)重量最低，并且從現(xiàn)有電池水平來著，鋰離子電池壽命最長，一次購置價格也與饃氫電池相接近。所以采用動力鋰離子電池。電池包安裝在車輛的四個位置，必須采用多個電池包的設(shè)計方案，并且根據(jù)車輛的空 間位置以及在車輛上的排布確定每個電池包的尺寸和大小。為加工及維修方便，在條件允許下，電池包應為統(tǒng)一規(guī)格。每只電池包的重量不能太大，否則影響搬運和安裝。本設(shè)計采用12只電池包的設(shè)計，每只電池包標稱電壓32