純電動(dòng)汽車(chē)三電系統(tǒng)的高溫試驗(yàn)研究

梅周盛 席文倩

漢騰汽車(chē)有限公司 江西省上饒市 334000

1 概述

新能源汽車(chē)作為汽車(chē)行業(yè)最為清潔、節(jié)能的交通代步工具，是全球汽車(chē)行業(yè)研究的熱點(diǎn)。在國(guó)家相關(guān)政策的鼓勵(lì)下，得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量位居世界第一。近年來(lái)，我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展迅猛，年產(chǎn)量增速超過(guò)60%。2018年，我國(guó)純電動(dòng)乘用車(chē)產(chǎn)量為79.19萬(wàn)輛，2019年，工信部發(fā)布的《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（征求意見(jiàn)稿）提出，到2025年，我國(guó)新能源汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)量占比達(dá)到25%左右。當(dāng)前，我國(guó)的新能源汽車(chē)的市場(chǎng)仍處于由補(bǔ)貼、路權(quán)等扶持政策所主導(dǎo)的市場(chǎng)，雖然這些政策推動(dòng)了市場(chǎng)初期的形成，但是隨著純電動(dòng)汽車(chē)從初創(chuàng)期向穩(wěn)步上升階段的過(guò)渡，行業(yè)逐漸由政策拉動(dòng)向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，各種關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題也亟待解決。三電系統(tǒng)是純電動(dòng)車(chē)的核心系統(tǒng)，其可靠性和安全性對(duì)新能源汽車(chē)的推廣至關(guān)重要。

純電動(dòng)汽車(chē)的三電系統(tǒng)是指—電池、電機(jī)、電控，其性能決定了整車(chē)性能。與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，純電動(dòng)汽車(chē)的三電系統(tǒng)對(duì)高溫環(huán)境更為敏感。車(chē)輛在高溫狀態(tài)下，電池組的放電功率、電機(jī)溫度以及電池系統(tǒng)的熱管理都會(huì)受到影響，因此，為了使三電系統(tǒng)對(duì)高溫環(huán)境有更好的適應(yīng)性，保證汽車(chē)在不同環(huán)境下的綜合性能，需要對(duì)整車(chē)在高溫工況下的各項(xiàng)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，解決純電動(dòng)汽車(chē)在高溫環(huán)境下的各種關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2 純電動(dòng)汽車(chē)的高溫試驗(yàn)研究

本文對(duì)某純電動(dòng)汽車(chē)在高溫環(huán)境下的可靠性和適應(yīng)性開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究，保證三電系統(tǒng)在高溫環(huán)境下可以正常穩(wěn)定的工作，從而使整車(chē)性能及相關(guān)功能要求滿足實(shí)際行車(chē)要求。

2.1 電池系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究

分別在不同的電池荷電量（SOC，State of Charge）區(qū)域行車(chē)試驗(yàn)，對(duì)電池性能進(jìn)行研究。

2.1.1 高SOC區(qū)域行車(chē)的性能研究

研究電池荷電量較高時(shí)，電池進(jìn)行行車(chē)放電試驗(yàn)，功率和電流的變化。電池荷電量SOC由100% 放電至90%，電池的持續(xù)放電功率、峰值放電功率以及電池電流變化正常。單體電池的最大電壓為4.159V，最小電壓為4.111V。電池管理系統(tǒng)（BMS，Battery Management System）狀態(tài)上報(bào)穩(wěn)定，行車(chē)無(wú)告警上報(bào)，SOC下降過(guò)程平穩(wěn)，功率邊界（SOP，State of Power）與之對(duì)應(yīng)變化，在SOC 95%以下有回饋電流產(chǎn)生。

2.1.2 低SOC區(qū)域行車(chē)的性能研究

車(chē)輛電量較小時(shí)行車(chē)試驗(yàn)，SOC由30%放電至8%，試驗(yàn)過(guò)程中，總壓由320V下降到317.8V，單體電池最大電壓3.342V，最小電壓為3.253V。BMS狀態(tài)上報(bào)穩(wěn)定，行車(chē)無(wú)告警上報(bào)，SOC下降過(guò)程平穩(wěn)，SOP與之對(duì)應(yīng)下降。

2.1.3 行車(chē)放電試驗(yàn)

SOC由98%放電至8%，分別取98%～70%，40%～8%這兩段單體電池電壓變化進(jìn)行分析。行車(chē)過(guò)程中無(wú)告警參數(shù)觸發(fā)閾值現(xiàn)象，單體電池電壓的變化情況如圖1、圖2。

圖1、圖2分別為電池荷電量由98%放電至70%，40%放電至8%，單體電池最大電壓和最小電壓的變化情況。圖1中，隨著SOC的減小，電壓下降比較明顯，電池的最大電壓產(chǎn)生較大波動(dòng)，這是由于隨著放電深度的增加，電池溫度升高，電池電壓受到溫度的影響，波動(dòng)變大。圖2中，單體電池電壓整體波動(dòng)較大，這是因?yàn)殡姵卦诟疃确烹姇r(shí)，一致性性能變差。總體來(lái)說(shuō)，行車(chē)放電試驗(yàn)中，單體電池最高電壓4.19V～3.46V，最低電壓4.16V～3.44V，滿足電池性能要求，電池電壓變化正常。

圖1 SOC 98%～70%單體電池電壓曲線

圖2 SOC 40%～8%單體電池電壓曲線

2.2 熱管理

對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池受溫度影響較大，尤其在高溫工況下使用時(shí)，如果積聚的熱量不能及時(shí)散發(fā)，就會(huì)使電池內(nèi)部溫度升高，引發(fā)熱失控。因此需要對(duì)電池系統(tǒng)的溫度準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控，確保電池包的安全。熱管理系統(tǒng)的試驗(yàn)研究包括慢充冷卻性能試驗(yàn)，快充冷卻性能試驗(yàn)和高溫行車(chē)溫度試驗(yàn)。

2.2.1 慢充冷卻性能試驗(yàn)

電池慢充冷卻性能試驗(yàn)中，水泵在溫度大于40℃開(kāi)啟，空調(diào)AC檢測(cè)到平均溫度大于45℃時(shí)開(kāi)啟壓縮機(jī)冷卻。由表1可知，慢充冷卻性能試驗(yàn)結(jié)束后，電池最高溫度從46.5℃降溫至34.5℃，冷卻速率為6.67min/℃，證明在正常溫度范圍內(nèi)，慢充冷卻性能試驗(yàn)滿足整車(chē)要求。

2.2.2 快充冷卻性能試驗(yàn)

快充冷卻性能試驗(yàn)主要對(duì)電池的冷卻性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)電池溫度為43℃時(shí)插槍充電，空調(diào)檢測(cè)到電池溫度大于38℃時(shí)，進(jìn)入快充充電冷卻狀態(tài)，BMS先后閉合主繼電器和快充繼電器。充電過(guò)程中，電池溫升、電池電壓、充電時(shí)間見(jiàn)表2。

由表2可知，在充電過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到平均溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，進(jìn)入快速充電冷卻狀態(tài)，水泵、空調(diào)壓縮機(jī)依次開(kāi)始工作對(duì)電池進(jìn)行冷卻。電池SOC由20%充電至100%時(shí)的快充冷卻試驗(yàn)表明，電池最低溫度保持在26℃，平均冷卻速率為18.6min/℃，最快冷卻速率為14.6min/℃。結(jié)果表明，高溫環(huán)境下的快充冷卻試驗(yàn)?zāi)軌驖M足充電要求。

2.2.3 高溫行車(chē)溫度試驗(yàn)

整車(chē)在環(huán)境（40℃）條件下做續(xù)航跑車(chē)試驗(yàn)，各個(gè)工況下，全程開(kāi)空調(diào)（空調(diào)按最低溫度開(kāi)），載荷情況為半載。行駛工況為市區(qū)+市郊，直到無(wú)法行駛時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。60km/h等速續(xù)航時(shí)，直到行駛速度達(dá)不到60km/h結(jié)束試驗(yàn)。100±2km/h工況下，車(chē)輛等速運(yùn)行。

表1 慢充冷卻性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 快充冷卻性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 高溫行車(chē)電池溫升表

表3為5種工況下高溫行車(chē)溫度試驗(yàn)電池電壓及電池溫度變化情況，由表3可知，行車(chē)試驗(yàn)前電池電壓為390V，行車(chē)試驗(yàn)后電池平均電壓為306.4V，電池電壓變化正常。行車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，續(xù)航電池溫升開(kāi)始平均溫度32.6℃，結(jié)束平均溫度38℃，熱管理系統(tǒng)對(duì)電池的溫度控制性能良好。

2.3 動(dòng)力性試驗(yàn)

驗(yàn)證該純電動(dòng)汽車(chē)在高溫環(huán)境下的動(dòng)力性能，即加速性能、爬坡性能、最高車(chē)速。

圖3 車(chē)輛動(dòng)力性能試驗(yàn)

圖3（a）為車(chē)輛0～100km/h加速的信號(hào)響應(yīng)圖，對(duì)車(chē)輛的加速性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。電機(jī)控制器（MCU，Motor Control Unit）接收到加速踏板開(kāi)度信號(hào)，MCU向電機(jī)發(fā)出信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間為94ms，響應(yīng)時(shí)間滿足加速性能要求。圖3（b）為車(chē)輛最高車(chē)速測(cè)試時(shí)的信號(hào)響應(yīng)圖，最高車(chē)速為145km/h，滿足要求。對(duì)車(chē)輛的最大爬坡度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，信號(hào)響應(yīng)圖見(jiàn)圖3（c），整車(chē)控制器（VCU，Vehicle Control Unit）向MCU發(fā)出扭矩請(qǐng)求，MCU響應(yīng)VCU的請(qǐng)求扭矩并發(fā)出信號(hào)，輸出扭矩258.9N·m，滿足整車(chē)的爬坡需求。

2.4 制動(dòng)能量回饋

純電動(dòng)汽車(chē)在減速或制動(dòng)時(shí)，在能量回饋系統(tǒng)的作用下，可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在電池中。有效地回收制動(dòng)能量，可以提高純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。圖4為整車(chē)制動(dòng)回饋的信號(hào)響應(yīng)圖。

圖4 制動(dòng)回饋試驗(yàn)驗(yàn)證圖

整車(chē)處于啟動(dòng)狀態(tài)且車(chē)速大于43.8km/h時(shí)，車(chē)輛檔位在D檔，松開(kāi)油門(mén)，踩下制動(dòng)踏板進(jìn)行制動(dòng)。MCU進(jìn)入滑行回饋并且檢測(cè)到有回饋電流信號(hào)產(chǎn)生，從而給電池包充電。所以由圖4可以看出，車(chē)輛在高溫環(huán)境下，行車(chē)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)回饋系統(tǒng)能正常使用。

2.5 故障處理

2.5.1 電池故障處理

通過(guò)BMS內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)告警處理閾值進(jìn)行修改，讓其達(dá)到觸發(fā)條件，觀察BMS的處理情況、整車(chē)響應(yīng)情況：分別對(duì)電池注入總電壓過(guò)高故障、總電壓過(guò)低故障、單體電壓過(guò)高故障、單體電壓過(guò)低故障以及溫度過(guò)高故障，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，BMS能正確上報(bào)故障類(lèi)型和故障等級(jí)，功率發(fā)送正確。

2.5.2 電機(jī)故障處理

當(dāng)MCU發(fā)出三級(jí)故障信號(hào)后，整車(chē)控制器（VCU，Vehicle Control Unit）發(fā)送故障信號(hào)給儀表，點(diǎn)亮電機(jī)報(bào)警指示燈，同時(shí)VCU發(fā)出降扭需求信號(hào)，MCU不輸出扭矩，執(zhí)行降扭操作。

3 結(jié)論

本文對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的三電系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，由試驗(yàn)結(jié)果可知，該純電動(dòng)汽車(chē)的電池性能、熱管理、整車(chē)動(dòng)力性、能量回饋以及故障處理等性能均具有良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，這對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)在高溫環(huán)境下的性能研究具有重要意義。