純電動汽車低壓供電系統(tǒng)的選型和分析

楊國亮 柳熹 馬宇坤

（天津清源電動車輛有限責(zé)任公司）

發(fā)展電動汽車是提高汽車競爭力、保障能源安全和發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要途徑。電動汽車相對傳統(tǒng)車而言，電氣化程度更高。由于電動汽車用驅(qū)動電機代替了發(fā)動機，故電動汽車用DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器替代了傳統(tǒng)燃油車中的發(fā)電機，由輔助蓄電池和DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器共同為汽車用電器提供電能。為確保整車電量平衡，需對供電系統(tǒng)進行詳細的計算和選型。文章針對某款純電動轎車進行低壓供電系統(tǒng)的選型和分析。

1 電動汽車電氣系統(tǒng)構(gòu)成

電動汽車電氣系統(tǒng)主要包括高壓直流電氣系統(tǒng)、交流電氣系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)和整車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。高壓直流電氣系統(tǒng)主要由動力電池系統(tǒng)、驅(qū)動電機和電機控制系統(tǒng)、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、車載充電機、電動壓縮機和PTC等高壓電氣設(shè)備組成。車載充電機由電網(wǎng)供電，將220V交流電經(jīng)整流濾波變成300多V直流電為動力電池補充電能。低壓電氣系統(tǒng)采用直流12 V電源，一方面為燈光和刮水器等常規(guī)低壓電器供電，另一方面為整車控制器、電機控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及高壓電氣設(shè)備的控制器和冷卻電動水泵等輔助部件供電。CAN通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是為整車控制器與汽車其他控制單元進行信息通訊。圖1示出純電動汽車簡化電氣模塊框圖。

2 電動汽車整車低壓電氣系統(tǒng)

2.1 整車低壓電氣系統(tǒng)

由于電動汽車的特殊性，根據(jù)電動汽車整車狀態(tài)，可將電動汽車低壓電氣系統(tǒng)分為運行狀態(tài)和充電狀態(tài)2種模式。

1）運行狀態(tài)。此時車輛供電系統(tǒng)由蓄電池、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、電線束、開關(guān)和繼電器等組成。對供電系統(tǒng)的要求是：DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器必須在汽車運行的所有工況下，均能提供足夠的電能滿足低壓用電器的需求，同時還要保證為蓄電池充電。

2）充電狀態(tài)。此時車輛供電系統(tǒng)由蓄電池、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、車載充電機、電線束、開關(guān)和繼電器等組成。在充電狀態(tài)下，供電系統(tǒng)只需提供足夠的電能滿足充電相關(guān)電器部件工作并提供一定的電流為蓄電池充電即可。

2.2 汽車低壓電器用電負荷

汽車用電負荷圖是DC/DC選型的重要依據(jù)。根據(jù)汽車運行時各低壓用電器的工作時間長短及頻率，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⒓竟?jié)和外界環(huán)境影響，可將用電設(shè)備分為連續(xù)工作用電器、短時間工作用電器、隨機使用工作用電器及EV附加電器。連續(xù)工作用電器包括車輛控制系統(tǒng)、儀表及監(jiān)控系統(tǒng)等；短時間工作用電器包括前照燈、夜行燈、安全警告燈、霧燈、鼓風(fēng)機、電子風(fēng)扇及刮水器等；隨機使用工作用電器包括電動門窗、洗滌、倒車燈、制動燈、轉(zhuǎn)向燈、喇叭、安全氣囊、防盜聲光報警裝置以及其他用電設(shè)備；EV附加電器包括電動真空泵助力制動系統(tǒng)、電動水泵、電動空調(diào)、電池包散熱系統(tǒng)及電池包加熱系統(tǒng)等。由于部分汽車電器的使用頻度系數(shù)與季節(jié)和外部環(huán)境有著很大關(guān)系，故對電器設(shè)備引入使用頻度系數(shù)來計算整車的用電量，如表1所示[1]。

表1 純電動汽車低壓電氣設(shè)備用電量統(tǒng)計表

一般來說，汽車在行駛過程中有12種用電量較為典型的工況：平常日間、平常夜間、平常雨夜、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜、平常充電、夏季充電及冬季充電。夏季雨夜和冬季雪夜是整車用電設(shè)備用電量的極限情況。各工況下用電設(shè)備具體分布，如表2所示。根據(jù)表1和表2，可計算出純電動汽車分別在行駛和充電各工況下運行時低壓電氣設(shè)備用電負荷，如圖2所示[2]。

表2 純電動汽車低壓電氣設(shè)備運行統(tǒng)計表

3 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器功率選型

3.1 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的基本功能

在純電動汽車DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器選型時，考慮到DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的工作原理是由動力電池（320 V）經(jīng)過濾波和輸出等電路處理后輸出13.8 V額定電壓，為整車低壓用電器設(shè)備供電，由于動力電池電壓在汽車運行狀態(tài)時電壓變化范圍較大，這就要求DC/DC變換器在輸入電壓寬范圍內(nèi)能夠為用電器提供穩(wěn)定的13.8 V輸出電壓。

DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器屬電動汽車高壓附件設(shè)備，故DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有輸入欠壓/過壓保護、輸入反向、輸出過壓/過流、輸出短路及過溫等保護功能，且當(dāng)故障消失后有自恢復(fù)功能。防水等級根據(jù)布置的位置應(yīng)能達到相應(yīng)的防護等級。

3.2 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器控制原理

當(dāng)整車控制器接收到駕駛員啟動汽車的有效信息后，綜合電池管理系統(tǒng)上報的電池綜合狀態(tài)控制DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的啟停。若動力電池狀態(tài)滿足放電需求，則整車控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換器開始工作，由動力高壓電池提供電能，電壓經(jīng)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成13.8 V供整車用電器用電并為鉛酸蓄電池充電。DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器控制原理圖，如圖3所示。

3.3 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器功率選擇

根據(jù)表1，可計算出在不同工況下所有用電器用電量總和。按照圖2可計算出純電動汽車在夏季雨夜的工況下用電需求是最大的，所以只要所選DC/DC轉(zhuǎn)換器功率能滿足夏季雨夜所有用電器的需求即可。根據(jù)電功率計算公式（P=UI）得出，在極端工況下用電器的總功率約為1.716 kW，但為滿足在各工況下DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器都能滿足各用電器用電需求，保證蓄電池可靠充電[3]，使蓄電池的充放電達到平衡，蓄電池的充電系數(shù)一般取0.15，因而所需DC/DC的輸出功率（PS/kW）為：

式中：P——用電器的總功率，kW；

k——蓄電池的充電系數(shù)。

考慮將來會增加一兩個低壓電器部件并結(jié)合目前市場現(xiàn)有產(chǎn)品等綜合考慮，DC/DC功率定為2.16 kW。

4 蓄電池的選擇

傳統(tǒng)燃油汽車中蓄電池擔(dān)負著啟動機的大功率負荷，而電動汽車用鉛酸蓄電池只需滿足汽車運行前車輛控制器和高壓系統(tǒng)供電即可。所以，在選擇蓄電池的容量（Q/A·h）時，只需根據(jù)以下方法對Q進行計算即可[4]。

1）蓄電池漏電達到總?cè)萘康?0%時，汽車將不能正常工作；

2）全車在正常環(huán)境下（已經(jīng)考慮自放電）的整車靜態(tài)電流不超過30mA；

3）初步設(shè)計的停放時間（t）為 15 d，即 360 h，汽車應(yīng)能正常啟動。

根據(jù)以上條件，由公式t=Q×60%/0.03 A=360 h，可計算出：Q=18 A·h。綜合考慮，選取Q=20 A·h即可滿足需求。

5 結(jié)論

1）經(jīng)過對項目汽車整車低壓用電器用電量的計算以及綜合市場現(xiàn)有產(chǎn)品等綜合因素考慮，初步選取DC/DC功率為2.16 kW；

2）由于純電動汽車的鉛酸蓄電池不用承擔(dān)傳統(tǒng)燃油車鉛酸蓄電池在汽車啟動時的大電流放電，純電動汽車鉛酸蓄電池只需滿足停放一段時間后，能夠提供足夠的能量供各控制系統(tǒng)正常工作即可，故綜合考慮，鉛酸蓄電池容量選取20 A·h；

3）經(jīng)過3萬km道路可靠性試驗，汽車未出現(xiàn)過因由低壓供電系統(tǒng)引發(fā)的故障，也未出現(xiàn)過蓄電池虧電現(xiàn)象；

4）隨著電動汽車技術(shù)的不斷提高以及對電動汽車安全等方面的考慮，車輛控制器以及車身電器數(shù)量會越來越多，今后DC/DC的功率會逐漸增大，整車的控制策略也會不斷優(yōu)化。