純電動汽車三電系統的高溫試驗研究

梅周盛　席文倩

摘 要：隨著純電動汽車的迅速發展，適用于極限環境條件下的可靠性高、適應性強的三電系統應運而生，對構成三電系統的電機、控制器和電池提出越來越高的性能要求，因此，三電系統在高溫環境條件下的性能研究受到高度重視。本文主要完成了三電系統在高溫環境下的性能研究，主要包括電池性能、熱管理、整車動力性、制動能量回饋和故障處理。

關鍵詞：三電系統;高溫;性能研究

1 概述

新能源汽車作為汽車行業最為清潔、節能的交通代步工具，是全球汽車行業研究的熱點。在國家相關政策的鼓勵下，得到了極大的發展和應用，我國新能源汽車產銷量位居世界第一。近年來，我國純電動汽車發展迅猛，年產量增速超過60%。2018年，我國純電動乘用車產量為79.19萬輛，2019年，工信部發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》（征求意見稿）提出，到2025年，我國新能源汽車新車銷量占比達到25%左右。當前，我國的新能源汽車的市場仍處于由補貼、路權等扶持政策所主導的市場，雖然這些政策推動了市場初期的形成，但是隨著純電動汽車從初創期向穩步上升階段的過渡，行業逐漸由政策拉動向市場驅動轉變，各種關鍵技術問題也亟待解決。三電系統是純電動車的核心系統，其可靠性和安全性對新能源汽車的推廣至關重要。

純電動汽車的三電系統是指—電池、電機、電控，其性能決定了整車性能。與傳統燃油車相比，純電動汽車的三電系統對高溫環境更為敏感。車輛在高溫狀態下，電池組的放電功率、電機溫度以及電池系統的熱管理都會受到影響，因此，為了使三電系統對高溫環境有更好的適應性，保證汽車在不同環境下的綜合性能，需要對整車在高溫工況下的各項性能進行試驗研究，解決純電動汽車在高溫環境下的各種關鍵技術問題。

2 純電動汽車的高溫試驗研究

本文對某純電動汽車在高溫環境下的可靠性和適應性開展了相關的試驗研究，保證三電系統在高溫環境下可以正常穩定的工作，從而使整車性能及相關功能要求滿足實際行車要求。

2.1 電池系統性能試驗研究

分別在不同的電池荷電量（SOC，State of Charge）區域行車試驗，對電池性能進行研究。

2.1.1 高SOC區域行車的性能研究

研究電池荷電量較高時，電池進行行車放電試驗，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（BMS，Battery Management System）狀態上報穩定，行車無告警上報，SOC下降過程平穩，功率邊界（SOP，State of Power）與之對應變化，在SOC 95%以下有回饋電流產生。

2.1.2 低SOC區域行車的性能研究

車輛電量較小時行車試驗，SOC由30%放電至8%，試驗過程中，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狀態上報穩定，行車無告警上報，SOC下降過程平穩，SOP與之對應下降。

2.1.3 行車放電試驗

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行分析。行車過程中無告警參數觸發閾值現象，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，電池的最大電壓產生較大波動，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，波動變大。圖2中，單體電池電壓整體波動較大，這是因為電池在更深度放電時，一致性性能變差。總體來說，行車放電試驗中，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。

2.2 熱管理

對于純電動汽車來說，動力電池受溫度影響較大，尤其在高溫工況下使用時，如果積聚的熱量不能及時散發，就會使電池內部溫度升高，引發熱失控。因此需要對電池系統的溫度準確測量和監控，確保電池包的安全。熱管理系統的試驗研究包括慢充冷卻性能試驗，快充冷卻性能試驗和高溫行車溫度試驗。

2.2.1 慢充冷卻性能試驗

電池慢充冷卻性能試驗中，水泵在溫度大于40℃開啟，空調AC檢測到平均溫度大于45℃時開啟壓縮機冷卻。由表1可知，慢充冷卻性能試驗結束后，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，慢充冷卻性能試驗滿足整車要求。

2.2.2 快充冷卻性能試驗

快充冷卻性能試驗主要對電池的冷卻性能進行試驗驗證。試驗時，當電池溫度為43℃時插槍充電，空調檢測到電池溫度大于38℃時，進入快充充電冷卻狀態，BMS先后閉合主繼電器和快充繼電器。充電過程中，電池溫升、電池電壓、充電時間見表2。

由表2可知，在充電過程中，當檢測到平均溫度高于設定溫度時，進入快速充電冷卻狀態，水泵、空調壓縮機依次開始工作對電池進行冷卻。電池SOC由20%充電至100%時的快充冷卻試驗表明，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/℃。結果表明，高溫環境下的快充冷卻試驗能夠滿足充電要求。

2.2.3 高溫行車溫度試驗

整車在環境（40℃）條件下做續航跑車試驗，各個工況下，全程開空調（空調按最低溫度開），載荷情況為半載。行駛工況為市區+市郊，直到無法行駛時結束試驗。60km/h等速續航時，直到行駛速度達不到60km/h結束試驗。100±2km/h工況下，車輛等速運行。

表3為5種工況下高溫行車溫度試驗電池電壓及電池溫度變化情況，由表3可知，行車試驗前電池電壓為390V，行車試驗后電池平均電壓為306.4V，電池電壓變化正常。行車試驗過程中，續航電池溫升開始平均溫度32.6℃，結束平均溫度38℃，熱管理系統對電池的溫度控制性能良好。

2.3 動力性試驗

驗證該純電動汽車在高溫環境下的動力性能，即加速性能、爬坡性能、最高車速。

圖3（a）為車輛0～100km/h加速的信號響應圖，對車輛的加速性能進行試驗驗證。電機控制器（MCU，Motor Control Unit）接收到加速踏板開度信號，MCU向電機發出信號，響應時間為94ms，響應時間滿足加速性能要求。圖3（b）為車輛最高車速測試時的信號響應圖，最高車速為145km/h，滿足要求。對車輛的最大爬坡度進行試驗驗證，信號響應圖見圖3（c），整車控制器（VCU，Vehicle Control Unit）向MCU發出扭矩請求，MCU響應VCU的請求扭矩并發出信號，輸出扭矩258.9N·m，滿足整車的爬坡需求。

2.4 制動能量回饋

純電動汽車在減速或制動時，在能量回饋系統的作用下，可以將動能轉化為電能存儲在電池中。有效地回收制動能量，可以提高純電動汽車的續駛里程。圖4為整車制動回饋的信號響應圖。

整車處于啟動狀態且車速大于43.8km/h時，車輛檔位在D檔，松開油門，踩下制動踏板進行制動。MCU進入滑行回饋并且檢測到有回饋電流信號產生，從而給電池包充電。所以由圖4可以看出，車輛在高溫環境下，行車制動時，制動回饋系統能正常使用。

2.5 故障處理

2.5.1 電池故障處理

通過BMS內部CAN網絡對告警處理閾值進行修改，讓其達到觸發條件，觀察BMS的處理情況、整車響應情況：分別對電池注入總電壓過高故障、總電壓過低故障、單體電壓過高故障、單體電壓過低故障以及溫度過高故障，經過試驗驗證，BMS能正確上報故障類型和故障等級，功率發送正確。

2.5.2 電機故障處理

當MCU發出三級故障信號后，整車控制器（VCU，Vehicle Control Unit）發送故障信號給儀表，點亮電機報警指示燈，同時VCU發出降扭需求信號，MCU不輸出扭矩，執行降扭操作。

3 結論

本文對純電動汽車的三電系統在高溫環境下的性能進行了試驗研究，由試驗結果可知，該純電動汽車的電池性能、熱管理、整車動力性、能量回饋以及故障處理等性能均具有良好的可靠性和環境適應性，這對純電動汽車在高溫環境下的性能研究具有重要意義。

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