新能源汽车电源系统研究及应用

2019-12-12 03:30闻俊杰白国军

汽车零部件 2019年11期

闻俊杰，白国军

(广东省珠海市质量计量监督检测所，广东广州 519000)

0 引言

全球能源及环境问题日益突出：一方面石油资源作为不可再生资源日益紧缺；另一方面传统的燃油发动机车辆废气排放对空气造成严重污染。为此替代燃油发动机汽车的方案越来越多，如氢能源汽车、燃料电池汽车、新能源汽车等，目前最有实用性价值并已有商业化模式的为新能源车。

新能源车同时装备热动力源(传统的汽油机或者柴油机)与电动力源(高压电池与高压电动机)，其燃油发动机工作模式发生了革新。因此需分析新能源车低压电源配电与传统燃油发动机车辆的低压电源配电系统的不同，根据其特点进行电源配电设计[1]。

汽车电气系统主要由储能器(蓄电池)、能量转换器(发电机、DC/DC)和用电器(仪器、装置等)组成[2]。由于燃油发动机工作模式发生了革新，新能源车电源系统应根据其自身特点进行设计。通过对新能源车低压电源配电系统研究，形成科学的设计方案，规避设计缺陷，缩短设计周期，提高设计质量。

新能源车的储能器(蓄电池)、能量转换器(发电机、DC/DC)以及起动机功能相对于传统燃油发动机车有了变化，因此电源系统参数的确定需根据新能源车的特点进行计算。新能源车与传统燃油发动机车的不同体现在以下几点：

(1)传统燃油发动机车采用起动机起动燃油发动机，新能源车取消12 V起动机或将12 V起动机作为备用。

(2)传统燃油发动机车辆的蓄电池主要作用是给起动系统提供电源、吸收瞬变过电压及在发电机不工作时为辅助用电器供电。新能源车蓄电池不为起动系统提供电源或起动瞬间其能量全部用于起动机。

(3)发电机输出电流能力与发动机转速有关，且发动机起动瞬间无法为整车提供电源，新能源车装备的DC/DC能输出的电流与发动机无关，且DC/DC的效率高于发电机效率。

根据新能源车的以上特点，本文作者从新能源车蓄电池容量计算[3]、电源系统设计、供电模式的划分、DC/DC额定电流确定等几个方面进行分析，得出新能源车电源系统计算方法，并将其成果应用于某新能源车电源配电系统设计中。

1 新能源车电源系统研究

1.1 辅助起动机对整车低压电源配电的影响

辅助起动机是整车低压电源配电设计的关键因素。目前新能源车可分为有辅助起动机与无辅助起动机2种类型。

奥迪Q5新能源车采用了辅助起动机，该辅助起动机只在特定情况下用于起动内燃机。整车电源配电原理见图1。整车配电由主蓄电池A(68 A·h)、备用蓄电池A1(12 A·h)、常闭继电器1、常开继电器2、DC/DC构成。当IG1电接通时，继电器2闭合，备用蓄电池A1接入整车配电网络进行充电；当辅助起动机工作时，蓄电池A由发动机控制单元通过继电器1与车载供电网断开，其全部能量用于起动发动机。断开后的车载电网由备用蓄电池A1与DC/DC变压器供电。奥迪A8也装备了辅助起动机，其配电方案与奥迪Q5新能源类似，起动蓄电池采用75 A·h AGM蓄电池，备用电池采用36 A·h铅酸蓄电池。

图1 Q5新能源汽车电源系统原理

普锐斯不装备辅助起动机，采用动力电机起动燃油发动机。由于不存在起动机起动瞬间电压跌落的问题，因此其整车车载电网由一个蓄电池和DC/DC为其供电。

1.2 供电模式的划分

传统燃油发动机车辆用电器的供电模式有以下几种：(1)蓄电池、发电机直接供电。(2)通过点火开关IG1挡供电。(3)通过点火开关IG2挡供电。(4)ACC挡供电。(5)点火开关START挡供电。由于发动机起动瞬间发电机没有工作，整车仅由蓄电池供电，因此IG2与ACC挡供电设备在发动机起动瞬间处于断电状态。

无辅助起动机的新能源车采用动力电机起动发动机，由于无起动机工作的模式并且IG挡供电时DC/DC已开始为整车供电，因此采用IG2与ACC挡供电的电气设备可以在发动机起动瞬间处于供电状态。装备12 V辅助起动机的新能源车若采用双蓄电池供电模式，当采用起动机起动燃油发动机时，主蓄电池与备用蓄电池断开，主蓄电池全部能量用于起动机，备用蓄电池与DC/DC为整车供电。由于整车用电设备用电电压不受起动机工作的影响，因此采用IG2与ACC挡供电的电气设备可以在发动机起动瞬间处于供电状态。

由于新能源车燃油发动机工作瞬间可保证采用IG2、ACC挡供电，设备处于供电状态，则新能源车的舒适度比传统燃油发动机车高。

1.3 蓄电池容量确定

传统燃油发动机车辆的蓄电池主要作用是给起动系统提供电源、吸收瞬变过电压及在发电机不工作时为辅助用电器供电[4]。因此蓄电池容量受2个因素影响：(1)起动机的功率；(2)整车静态电流。

根据起动机功率确定蓄电池的容量：

(1)

式中：C为蓄电池容量，A·h；n为短路变化系数；g为蓄电池短路系数；U为蓄电池额定电压，V；k为系数；P为起动机功率，kW。

为了保证车辆在放置一段时间内能正常发动，需根据整车静态电流校验依据起动机计算的蓄电池容量是否合适。整车电气系统设计时，蓄电池容量按照计算公式(2)进行校验，若蓄电池容量不满足式(2)，可根据蓄电池容量C(A·h)对整车静态电流I静(A)提出要求。

I静×90天(2 160 h)/(C×0.5)<1.0

(2)

若新能源车装备了12 V辅助起动机，则其蓄电池容量的确定方法与传统燃油发动机车辆蓄电池容量确定方法相同。否则，新能源车蓄电池的主要作用发生了变化，其作用是吸收瞬变过电压及在DC/DC不工作时为辅助用电器供电，蓄电池的容量仅与整车静态电流有关。公式(2)是根据蓄电池能保证起动机正常工作确定的，所以公式中的系数0.5需要根据蓄电池的特性进行修订，以完成蓄电池容量的确定。

蓄电池在新能源车上的功能已经发生了变化，需要分析其特点计算蓄电池容量。

1.4 DC/DC额定电流的确定

传统燃油发动机车装备的发电机，在汽车正常运行时，能保证向除起动机之外的所有用电设备供电，还能保证给蓄电池充电。发电机的电流输出能力受限于发动机转速、机舱温度，但是发电机的电流输出效率低。DC/DC与发电机相比，电流输出能力与发动机转速无关且效率远高于发电机，因此DC/DC的电流输出特性优于发电机。

通过电平衡计算确定发电机与DC/DC额定输出电流。整车电气系统电平衡是考核DC/DC(或发电机)、蓄电池以及用电设备之间匹配设计合理性的主要方法与手段，保证DC/DC在满足用电设备使用的同时还要为蓄电池充电。根据负载实际使用的时间长短将负载分为3类：(1)连续工作负载，如仪表、发动机ECU等。(2)长时间工作负载，如灯光、暖风电机等。(3)短时间工作负载，如转向灯等。在计算电平衡时，首先确定负载的加权系数，然后用加权系数对负载电流进行等价修正，结果作为负载的实际电流进行电平衡计算。

发动机怠速时发电机输出电流能力小，怠速时整车电流需求为连续工作负载乘以加权系数与长时间工作负载乘以加权系数之和。因此需要校核发电机在该情况下是否能满足整车怠速时的电流需求，如图2中点A所示。因此发电机输出能力需满足两个条件：(1)其怠速电流输出满足整车怠速时电流需求。(2)满足电平衡计算，如公式(3)。由于DC/DC输出电流与发动机无关，所以DC/DC额定电流输出仅需根据公式(3)确定。

Imax=∑ICONT+(15%～20%)×∑ICONT

(3)

式中：∑ICONT为负载电流，A；Imax为最大额定输出电流，A。

图2 发电机输出电流与转速特性曲线(28 V @ 25 ℃)

2 新能源车电源系统应用

某PHEV电源配电在其传统车电源配电基础上进行改进设计，以满足新增低压电气部件配电及行车中启动起动机防止电压跌落的要求。

2.1 输入条件影响分析

根据各专业的输入条件，电源系统方案需具备以下功能：(1)防止起动机启动时电压跌落。(2)重新定义与启动相关的IG电源分配。(3)重新开发新二号配电盒，集成原车二号配电盒配电与新增电气部件配电功能。(4)重新开发五号配电盒，具备前部电源分配功能。(5)增加起动机电源线与前部电源配电线长度，需布置于车底板下。

2.2 原车电源系统

某传统车低压电源配电简图如图3所示，采用4个配电盒实现整车电源配电。

图3 某新能源车电源系统原理

2.3 某PHEV电源系统设计

PHEV采用以下配电方案：一号配电盒不进行任何变动；取消原二号配电盒，集成原二号配电盒配电功能及新增电源配电功能为新二号配电盒；三号配电盒其配电功能进行局部调整；取消四号配电盒EHPS配电功能；增加五号配电盒，该配电盒集成风扇继电器盒功能、EHPS配电功能、一号配电盒配电功能。系统配电原理如图4所示。

新二号配电盒布置于后备箱左侧，该配电盒集成原配电盒配电功能及新增总成部件配电功能，配电盒结构如图5所示。该配电盒采用2个铜排及AMG的200 A熔断器，以实现电源分配功能。二号配电盒的五号配电盒接口实现整车前部配电；DC/DC接口可实现DC/DC为整车电源配电功能；AMG的200 A熔断器具有防电流冲击功能，可通过DC/DC补偿起动机工作时的大电流，防止整车电压跌落。铜排可满足200 A电流通过。