纯电动汽车车用电源系统设计
热度：263 日期:13-02-20, 10:15 AM 来源:
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）
Pv——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；ua——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Pv1为：
（9-2）
最大爬坡度am对应的车辆需求功率Pv2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Pv3。
（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。
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、2V、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Icmax为：
Icmax=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：Pv1=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。
同样，在进行容量的设计确定时，也需要考虑冗余，一般设计冗余在10%~30%。该设计可以采用500A·h的电源系统，初期一次充电可以行驶250km。
(7)电池组工作温度范围 电池组的工作温度范围一般在选定电池时已经确定了，Ni／MH电池的工作温度范围一般在－20~55℃；锰酸锂电池的工作范围为－20~50℃；磷酸铁锂电池的工作范围为－20~60℃。在低温时，电源系统应能满足启动的要求。由式(9-4)计算出车辆启动功率为65kW，考虑电机及其控制器转换效率，低温电源系统启动功率需求为76kW。低温启动电压按标称电压的90%计算，则低温启动电流约为220A，相对500A·h的电源系统来说，通常的Ni／MH电池、锂离子电池可以满足此要求。
(8)电动汽车电池组散热设计 根据车辆正常使用工况，计算车辆在正常行驶过程中产生的热量及可能引起的温升情况；根据充电要求计算充电过程中的产热情况。根据这两个计算情况确定所采取的散热方式等。在许多情况下，纯电动车正常运行（行驶）过程中的产
热比较少，可以不考虑散热，充电过程中产热量大，尤其在快充情况下。因此，某些条件下可以专门针对充电情况进行散热考虑，此时不一定要从电源系统的设计来考虑，可以利用停车充电的固定设施进行散热。
(9)系统BMS功能的设计与要求 按照选用的电池类型要求、整车控制要求、通信协议要求等设计BMS的功能。根据选用的电池特性确定均衡电流的大小。此系统采用500A·h的磷酸铁锂电池，电池自放电大约为每月5%（假设电池之间每月容量差别在5%），每天充电均衡时间在2h左右，则均衡电流应达到500×5%／(30×2)=0.417(A)，才能达到消除自放电引起的容量差别。
(10)电源系统结构 根据上面的功率需求和容量需求，目前的铅酸电池、镍氢电池及锂离子电池均能满足使用要求。根据目前各类电池的使用寿命、价格、体积、重量等参数，综合比较。采用铅酸电池，电池比能量低，比能量按35W·h/kg计算，则系统总质量达到5500kg；采用镍氢电池（系统比能量50W·h/kg），系统总质量为3600kg左右；锂离子电池系统的比能量通常在80~90W·h／kg，系统标称电压为384V（磷酸铁锂电池），标称容量500A·h，则质量大约在l700～2000kg。采用铅酸电池重量最大，已经严重影响到车辆的载重与行驶里程（由于重量加大而需要提高电源系统的功率和能量）。锂离子电池系统重量最低，并且从现有电池水平来着，锂离子电池寿命最长，一次购置价格也与镍氢电池相接近。所以采用动力锂离子电池。
电池包安装在车辆的四个位置，必须采用多个电池包的设计方案，并且根据车辆的空间位置以及在车辆上的排布确定每个电池包的尺寸和大小。为加工及维修方便，在条件允许下，电池包应为统一规格。每只电池包的重量不能太大，否则影响搬运和安装。本设计采用12只电池包的设计，每只电池包标称电压32 V(10只磷酸铁锂电池串联)，质量大约为170~200kg。
(11)电源系统的充电要求 纯电动汽车一般在地面充电，此时根据所选用的电池类型、电动汽车电源系统的散热特点、所要求的充电时间等，确定系统充电机的制度与参数、通信要求。通常标准充电电流为0.2C，根据采用的是锰酸锂电池还是磷酸铁锂电池，确定系统的电压。
3．模拟仿真测试
设计完成后，首先制作电池模块或电池包，进行台架性能测试，测量是否能够满足根据计算的电源系统的指标要求，根据测试结果进行初步改进。然后进行系统制作和台架测试。最后通过装车试验，对系统进行改进和完善。
