梅周盛 席文倩
摘 要:随着纯电动汽车的迅速发展,适用于极限环境条件下的可靠性高、适应性强的三电系统应运而生,对构成三电系统的电机、控制器和电池提出越来越高的性能要求,因此,三电系统在高温环境条件下的性能研究受到高度重视。本文主要完成了三电系统在高温环境下的性能研究,主要包括电池性能、热管理、整车动力性、制动能量回馈和故障处理。
关键词:三电系统;高温;性能研究
1 概述
新能源汽车作为汽车行业最为清洁、节能的交通代步工具,是全球汽车行业研究的热点。在国家相关政策的鼓励下,得到了极大的发展和应用,我国新能源汽车产销量位居世界第一。近年来,我国纯电动汽车发展迅猛,年产量增速超过60%。2018年,我国纯电动乘用车产量为79.19万辆,2019年,工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)提出,到2025年,我国新能源汽车新车销量占比达到25%左右。当前,我国的新能源汽车的市场仍处于由补贴、路权等扶持政策所主导的市场,虽然这些政策推动了市场初期的形成,但是随着纯电动汽车从初创期向稳步上升阶段的过渡,行业逐渐由政策拉动向市场驱动转变,各种关键技术问题也亟待解决。三电系统是纯电动车的核心系统,其可靠性和安全性对新能源汽车的推广至关重要。
纯电动汽车的三电系统是指—电池、电机、电控,其性能决定了整车性能。与传统燃油车相比,纯电动汽车的三电系统对高温环境更为敏感。车辆在高温状态下,电池组的放电功率、电机温度以及电池系统的热管理都会受到影响,因此,为了使三电系统对高温环境有更好的适应性,保证汽车在不同环境下的综合性能,需要对整车在高温工况下的各项性能进行试验研究,解决纯电动汽车在高温环境下的各种关键技术问题。
2 纯电动汽车的高温试验研究
本文对某纯电动汽车在高温环境下的可靠性和适应性开展了相关的试验研究,保证三电系统在高温环境下可以正常稳定的工作,从而使整车性能及相关功能要求满足实际行车要求。
2.1 电池系统性能试验研究
分别在不同的电池荷电量(SOC,State of Charge)区域行车试验,对电池性能进行研究。
2.1.1 高SOC区域行车的性能研究
研究电池荷电量较高时,电池进行行车放电试验,功率和电流的变化。电池荷电量SOC由100% 放电至90%,电池的持续放电功率、峰值放电功率以及电池电流变化正常。单体电池的最大电压为4.159V,最小电压为4.111V。电池管理系统(BMS,Battery Management System)狀态上报稳定,行车无告警上报,SOC下降过程平稳,功率边界(SOP,State of Power)与之对应变化,在SOC 95%以下有回馈电流产生。
2.1.2 低SOC区域行车的性能研究
车辆电量较小时行车试验,SOC由30%放电至8%,试验过程中,总压由320V下降到317.8V,单体电池最大电压3.342V,最小电压为3.253V。BMS状态上报稳定,行车无告警上报,SOC下降过程平稳,SOP与之对应下降。
2.1.3 行车放电试验
SOC由98%放电至8%,分别取98%~70%,40%~8%这两段单体电池电压变化进行分析。行车过程中无告警参数触发阈值现象,单体电池电压的变化情况如图1、图2。
图1、图2分别为电池荷电量由98%放电至70%,40%放电至8%,单体电池最大电压和最小电压的变化情况。图1中,随着SOC的减小,电压下降比较明显,电池的最大电压产生较大波动,这是由于随着放电深度的增加,电池温度升高,电池电压受到温度的影响,波动变大。图2中,单体电池电压整体波动较大,这是因为电池在更深度放电时,一致性性能变差。总体来说,行车放电试验中,单体电池最高电压4.19V~3.46V,最低电压4.16V~3.44V,满足电池性能要求,电池电压变化正常。
2.2 热管理
对于纯电动汽车来说,动力电池受温度影响较大,尤其在高温工况下使用时,如果积聚的热量不能及时散发,就会使电池内部温度升高,引发热失控。因此需要对电池系统的温度准确测量和监控,确保电池包的安全。热管理系统的试验研究包括慢充冷却性能试验,快充冷却性能试验和高温行车温度试验。
2.2.1 慢充冷却性能试验
电池慢充冷却性能试验中,水泵在温度大于40℃开启,空调AC检测到平均温度大于45℃时开启压缩机冷却。由表1可知,慢充冷却性能试验结束后,电池最高温度从46.5℃降温至34.5℃,冷却速率为6.67min/℃,证明在正常温度范围内,慢充冷却性能试验满足整车要求。
2.2.2 快充冷却性能试验
快充冷却性能试验主要对电池的冷却性能进行试验验证。试验时,当电池温度为43℃时插枪充电,空调检测到电池温度大于38℃时,进入快充充电冷却状态,BMS先后闭合主继电器和快充继电器。充电过程中,电池温升、电池电压、充电时间见表2。
由表2可知,在充电过程中,当检测到平均温度高于设定温度时,进入快速充电冷却状态,水泵、空调压缩机依次开始工作对电池进行冷却。电池SOC由20%充电至100%时的快充冷却试验表明,电池最低温度保持在26℃,平均冷却速率为18.6min/℃,最快冷却速率为14.6min/℃。结果表明,高温环境下的快充冷却试验能够满足充电要求。
2.2.3 高温行车温度试验
整车在环境(40℃)条件下做续航跑车试验,各个工况下,全程开空调(空调按最低温度开),载荷情况为半载。行驶工况为市区+市郊,直到无法行驶时结束试验。60km/h等速续航时,直到行驶速度达不到60km/h结束试验。100±2km/h工况下,车辆等速运行。
表3为5种工况下高温行车温度试验电池电压及电池温度变化情况,由表3可知,行车试验前电池电压为390V,行车试验后电池平均电压为306.4V,电池电压变化正常。行车试验过程中,续航电池温升开始平均温度32.6℃,结束平均温度38℃,热管理系统对电池的温度控制性能良好。
2.3 动力性试验
验证该纯电动汽车在高温环境下的动力性能,即加速性能、爬坡性能、最高车速。
图3(a)为车辆0~100km/h加速的信号响应图,对车辆的加速性能进行试验验证。电机控制器(MCU,Motor Control Unit)接收到加速踏板开度信号,MCU向电机发出信号,响应时间为94ms,响应时间满足加速性能要求。图3(b)为车辆最高车速测试时的信号响应图,最高车速为145km/h,满足要求。对车辆的最大爬坡度进行试验验证,信号响应图见图3(c),整车控制器(VCU,Vehicle Control Unit)向MCU发出扭矩请求,MCU响应VCU的请求扭矩并发出信号,输出扭矩258.9N·m,满足整车的爬坡需求。
2.4 制动能量回馈
纯电动汽车在减速或制动时,在能量回馈系统的作用下,可以将动能转化为电能存储在电池中。有效地回收制动能量,可以提高纯电动汽车的续驶里程。图4为整车制动回馈的信号响应图。
整车处于启动状态且车速大于43.8km/h时,车辆档位在D档,松开油门,踩下制动踏板进行制动。MCU进入滑行回馈并且检测到有回馈电流信号产生,从而给电池包充电。所以由图4可以看出,车辆在高温环境下,行车制动时,制动回馈系统能正常使用。
2.5 故障处理
2.5.1 电池故障处理
通过BMS内部CAN网络对告警处理阈值进行修改,让其达到触发条件,观察BMS的处理情况、整车响应情况:分别对电池注入总电压过高故障、总电压过低故障、单体电压过高故障、单体电压过低故障以及温度过高故障,经过试验验证,BMS能正确上报故障类型和故障等级,功率发送正确。
2.5.2 电机故障处理
当MCU发出三级故障信号后,整车控制器(VCU,Vehicle Control Unit)发送故障信号给仪表,点亮电机报警指示灯,同时VCU发出降扭需求信号,MCU不输出扭矩,执行降扭操作。
3 结论
本文对纯电动汽车的三电系统在高温环境下的性能进行了试验研究,由试验结果可知,该纯电动汽车的电池性能、热管理、整车动力性、能量回馈以及故障处理等性能均具有良好的可靠性和環境适应性,这对纯电动汽车在高温环境下的性能研究具有重要意义。
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