纯电动城市客车电气系统计算及分析

2013-03-01唐瑜亮

汽车电器 2013年5期

唐瑜亮

（桂林客车工业集团有限公司，广西桂林 541805）

从国际发展趋势看，随着技术的不断创新与突破，面对油价攀升和日益严峻的节能减排压力，发展电动汽车是提高汽车产业竞争力、保障能源安全和发展低碳经济的重要途径。从培育战略性新兴产业角度看，发展电气化程度比较高的纯电驱动电动汽车是我国新能源汽车技术的发展方向和重中之重。要以城市客车为重点，加强各种纯电驱动大客车的开发、推广力度，形成主流商业模式［1］。

目前，影响纯电动汽车发展的主要原因之一是续驶里程短。如何充分利用携带的有限能量，降低不同行驶工况下的能量消耗和车上用电设备的用电量，最大限度提高纯电动汽车续驶里程，需要考虑电气系统各部件的匹配问题（功率、电流、电压间的关系）。

纯电动城市客车特点：流线型造型减小空气阻力；轻量化设计减轻自重；运行工况下要求频繁起动、加速、减速、停车。因此，纯电动公交车驱动系统要有较好的动力特性，基本要求：调速范围宽、起动转矩大、后备功率大等；电车停止时不消耗电量，同时具有制动能量回馈技术，提高能源利用率；能实现200km以上续驶里程；真正实现无污染、零排放、低噪声的环保要求，符合城市建设发展的要求。

某12m纯电动城市客车主要电气参数见表1。

表1 某12m纯电动城市客车主要电气参数

1 纯电动汽车电气系统简介

纯电动汽车电气系统包括低压电气系统和高压电气系统两部分：动力电池组通过DC－DC变换器将高压直流电转换为24 V低压直流电，为仪表、照明、控制系统和车身附件提供电能，并给辅助蓄电池充电，辅助蓄电池由2个12 V电池所组成，这构成了整车的低压电气系统。动力电池组输出的高压直流电通过电机控制器驱动电机转动，同时通过直流电压转换器或逆变器向空调压缩机、油泵电机、气泵电机提供电能，这构成了整车的高压电气系统。

2 纯电动汽车低压电气系统

纯电动汽车实际工作中的低电压是由DC－DC变换器输入的高压直流转换为隔离、稳定的28V电压输出。在电车上输出DC28 V与辅助蓄电池（24 V）直接连接，时时向蓄电池充电，保证电车低压用电。在计算电器的电流、功率时以28V来进行。

1）低压电器用导线线径分析和计算汽车线束设计中，确定导线的截面积是关键环节，导线截面积计算公式

式中：I——电流，A；P——负载功率，W；Ua——系统提供的电压（28V）；A——导线截面积，mm2；ρ——铜电阻率（约为0.018 5 Ωmm2／m）；L——导线长度，m；Ud——导线允许的电压降，V。

为避免导线过度发热，应该检查电流密度，其公式为：S=I／A［2］。

同时根据工作环境、温度、导线走向、插接件数量（即电压降大小）适当改变导线截面积；长时间工作的电气设备选择实际载流量60%的导线；短时间工作的电气设备可选用实际载流量60%～100%之间的导线。考虑到导线的强度，除特殊用途外，应选用0.75mm2以上的导线。

对于控制电路中的线径选择，因控制电路的电流都小于1 A，综合考虑到导线的强度及防护，所有控制电路的线径都采用0.75mm2的导线。

2）低压电器用熔断丝的分析和计算根据电路负载性质的不同，区别选取熔断片的值：灯具电路按负载电流1.5～2倍选取；电机电路（如刮水器、门泵等）按负载电流2.5～3倍选取。

3）低压电器部件功率的计算整车电器在极限状况下的总功率约为5kW。

4）辅助蓄电池容量的分析和计算除空调、动力转向、液压制动或气压制动和除霜器外，其他子系统的能耗大约为0.7 kW，即使主电源完全放完电或DC－DC转换器出现故障，辅助电源也应该能提供这些能量消耗，以确保车辆行驶的安全性和可靠性。辅助电源的容量通常确定为在紧急情况下连续工作1h的能量储存量。选用2个12 V铅酸蓄电池，其容量计算公式：Qe=5487×n×P总／（g×Ua），不同环境温度下，蓄电池容量计算经验公式见表2。

对于无特殊要求的地区选择+5℃计算。综合各因素，所选辅助蓄电池的容量不能小于Qe。

表2 蓄电池容量计算经验公式

5）继电器的选取设计继电器分电流式和电压式，一般根据用电器的功率和开关的承载能力来决定是否选用继电器。常用继电器的设备一般有刮水器、喇叭、除霜、前照灯、雾灯、风扇、转向灯等，常用的继电器额定电压为24V。继电器的主要技术要求：可靠性好、性能稳定、质量轻、体积小、寿命长、对周围元器件影响小、结构简单、工艺性好、成本低等。

3 动力电源系统的分析及计算

纯电动汽车动力电源系统是一门交叉学科，涉及电化学、机械、电子及计算机、制冷等学科。动力电源系统设计的目的就是在现有电池技术条件下，依据整车的设计要求进行优化，使车辆具有最佳的能力性、经济性。

3.1 整车设计主要技术参数

对整车的了解越多，设计的电源系统越完善。主要技术参数：整备质量、满载总质量、迎风面积、传动系效率、电机及其控制器效率、加速时间、电子附件功率、空调功率、空气阻力系数0.7、滚动阻力系数0.0076+0.000056ua、最高车速60km／h（中国典型城市客车行驶工况）、最大爬坡度、续航里程等。

3.2 电机功率、电压参数的设计

3.2.1 电机功率设计

纯电动汽车在行驶每一瞬间，电机发出功率始终等于机械传动损失与全部运动阻力所消耗功率。根据汽车理论，汽车功率平衡关系应满足

式中：PM——电机输出功率，kW；η——传动系统效率；m——满载总质量，kg；va——行驶速度，km／h；j——加速度，m／s2；CD——风阻系数；A——迎风面积，m2；α——坡道角；δ——旋转质量换算系数1.29。

分别计算在最高车速、爬坡度和加速性能来确定电机功率，最大值作为电机需求功率。

最高车速vmax对应的车辆功率

最大爬坡度αmax对应的车辆功率

式中va取值为10km／h。

原地起步加速到指定加速时间T（0—30km／h，加速时间取值≤10s），可以计算出全力加速时电机对应于车速va的功率

所以初步选定电机的额定功率应不小于：PMe= max（PM1，PM2，PM3）。电机的最大功率为：PMmax=λPMe式中：λ——电机的过载系数［4］。

3.2.2 确定系统电压范围

根据整车所选择的电机，确定电源系统的标称电压及电压应用范围［5］。

电机额定电压的选择与动力电池组电压密切相关。在相同输出功率条件下，电池组电压高则电流小，对导线和开关等电器元件要求较低，但总电压不能超过IGBT决定的电机最高允许电压限制值。较高的电压需要数量较多的单体电池串联，引起成本及整车质量的增加和动力性的下降，并且难于布置。

标准要求电机及控制器必须能在电源电压为120%额定电压值下安全承受最大电流。同时电机在电源电压降为75%额定电压时，应能在最大电流下运行（不要求连续运行）。对于最低电压，比较稳妥的是保证直流总线电压不低于电机额定电压的80%。

根据采用的不同电池类型和数量，如Ni／MH、LiMn2O4、LiFePO4电池额定电压分别为3.7V、3.7V、3.2V，来确定电源系统的额定电压U。

电机额定电压一般由所选取的电机参数决定，并与电机额定功率成正比，电机的额定电压越高，额定功率越大，考虑上述结果确定电机的额定电压范围。综合以上计算结果和分析，同时调研市场上现有电机产品的性能参数，从中选择合适的电机。

3.3 动力电池最大输出功率与电流的确定

经上述计算确定电机功率。设电机、控制器效率分别为ηM、ηC，电子附件、空调等功率为P辅助，则电源系统需求的最大功率为：Pbmax=PM／ηMηC+P辅助；系统要求最大输出电流为：Imax=Pbmax／（U×0.9）［4］。

在电源系统设计时，还要注意保留一定的设计余量。因随着电池的使用，电源系统逐渐老化，所以电源系统的最大输出功率必须大于计算值，通常设计余量为15%～30%。

3.4 动力电池SOC应用范围确定

动力电池在使用中充放电原则：充电时不必太饱（SOC≦90%），放电时不要太深（DOD≦80%），浅充浅放对电流寿命有好处；一般建议SOC应用范围：20%≦SOC≦90%。

3.5 动力电池容量的确定

影响电动汽车商品化和实用化进程的关键因素是电动汽车的续驶里程和电池的使用性能，在选择电池的容量时，既要满足汽车的续驶里程设计要求，又要考虑整车的空间结构和底盘承载能力。

电池组容量的选择主要考虑车辆行驶时的最大输出功率和消耗的能量，以保证电动汽车对动力性和续驶里程的要求。容量的确定用以下3种方法来确定。

2）根据每公里能耗计算汽车上1kg重物行驶1km所消耗的能量约为0.032 Wh（不考虑风阻，匀速40 km／h理想工况下），电池放电效率ηB，取值0.80，则实际电源系统的容量应为：C2=0.032×m／ηB（Ah）。

3）根据车辆参数计算车辆平均行驶速度40 km／h，假设续驶里程S（km），则连续行驶时间t=S／40h，需要的能量为W=Pe×t。实际电源系统的容量应为：C3=W×1000／（U×ηB）（Ah）。因此，电池容量：C=max（C1，C2，C3）。

在进行电池容量确定时，还需要考虑辅助系统（空调系统、气泵电机、油泵电机）和低压电气系统的能量消耗，一般设计在15%～30%。

3.6 动力电源系统充电要求

根据所选用的电池类型、电源系统的散热特点、所需要的充电时间等，来设定充电机的充电电流、充电电压。通常标准充电电流为0.2CA。下面以锂离子电池为例进行说明。

电池首先要进行最高充电限制电压及最大充电限制电流的设定，最理想的最高充电限制电压是U= S×3.65V，S为电池组数量。最大限制充电电流是按1CA恒流的电流设定，而最佳的充电电流是设为0.2CA，即I=CA×0.2（A），CA为电池标称容量。选择充电器功率为：P=U×I（W）。

3.7 空调系统

空调系统能耗对电动汽车续行里程有较大影响。对配套的空调系统进行开发与研制，要了解空调制冷量／制热量、输入电压变化范围／电流、额定电压／电流／功率、能效比。同时，空调应有足够的制冷量和高可靠性，更应具有高效节能、轻质低噪、安全环保、高安全性、安装方便的优势。

汽车空调制冷量的计算就是汽车空调热负荷的计算，提供2种计算方法。

1）较简化的理论计算城市客车空调制冷量：

式中：Q——电动城市客车所需制冷量，W；A1——乘员制冷因素值，见表3；N——最大乘员人数；A2——车内空间制冷因素值，6 m以上车型为553 W／m3；V——车内空间体积，m3；A3——太阳热辐射制冷因素值，6 m以上车型为1 190 W／m3；S——所有窗、乘客门、玻璃总面积，m2；A4——车型密封保温效果因素值，见表4；A5——气候条件因素值，见表5［6］。

表3 乘员制冷因素值

表4 车型密封保温效果因素值

表5 气候条件因素值

2）经验估算法。在实际选择汽车空调时，有时受条件限制，也可采用经验估算的方法来得到所需空调系统的制冷量。此方法是根据汽车的额定乘员人数来确定空调的制冷量，根据表3乘员制冷因素值，在乘员人数段中选择相应的每人制冷量值，再与乘员人数相乘，即可计算出汽车空调的制冷量。

制冷系数、制热系数是空调机组制冷及制热效率的体现。经以上方法计算求出汽车空调制冷量，了解电动汽车空调综合能效比，可计算出空调压缩机和蒸发风机、冷凝风机的输入功率：P空调输入=Q／A制冷系数。

3.8 DC－DC变换器

DD－DC电源变换器是将输入的高压直流电转换为28 V输出，其输出电流要能满足车上的低压用电。根据整车电器在极限情况下的总功率，计算出最大电流、短时工作电流（电除霜器工作）、正常使用的电流。因此DD－DC电源变换器功率应能满足正常低压电器使用的电流。

电源变换器相关参数：输入电压DC、输出电压DC28V、输出电流、输出功率。

3.9 电动液压式动力转向系统

电动汽车一般配置动力转向系统以提高汽车的驾驶性能，相应的动力转向系统必须符合高效利用能源的要求。在电动城市客车上常采用整体电动液压式动力转向系统。

电机使用DC／AC转换过来的交流电。转向油泵用电机参数：输入电压值、额定功率／电流／电压、额定转速。

3.10 制动系统的气泵电机

气泵用电机参数：输入电压值、额定功率／电流／电压、额定转速、效率。

3.11 动力电池工作温度值

动力电池工作温度与电池的种类有关，Ni／MH电池为－20～55℃；LiMn2O4为－20～50℃；LiFePO4电池为－20～60℃。在低温起动时，电压按标称电压的90%计算。

3.12 BMS系统功能的设计与要求

电池管理系统主要有3个功能：①实时监测电池状态，通过检测电池电压、电流、温度等，采用适当算法，实现电池内部（如容量、SOC等）的估算和监控，这是电池管理系统有效运行的基础和关键；②在正确获取电池的状态后，进行热管理、电池均衡管理、充放电管理、故障报警等；③建立通信总线，向显示系统、整车控制器和充电机等实现数据交换。

根据选用的电池特性确定均衡电流的数值。假设电池容量为C（Ah），自放电每月为5%，每天充电均衡时间在T（h），则均衡电流应达到C×5%／（30×T），才能达到消除自放电导致的容量差别。目前BMS系统存在的主要问题：均衡电流小、SOC值计算误差大。

3.13 动力电池系统结构要求

根据上面计算的功率需求和容量需求，比较各类电池的使用寿命、价格、体积、质量等参数，确定电池的种类。根据车辆的空间位置及排布，确定每个电池包的尺寸和大小，在条件允许下，电池包应为统一规格。电池箱在车上的布局，既要充分考虑电池在电池箱内的通风散热，又须在电池箱上有效采取防尘、防雨、防震、绝缘措施；还要充分考虑为后期检修和维护电池提供方便，做到电池箱拆装简单，电池拆卸方便；保证电池工作环境最佳，延长电池使用寿命，减少用户更换电池的成本。

3.14 电磁场抗干扰设计

①仪表板处线束必须有防电磁干扰措施；②电机控制模块信号线、BMS信号线、仪表信号线、ABS信号线必须有防电磁干扰（如采用双绞线、屏蔽线等），确保各个系统能够正常工作；③避开零件电磁干扰源，如将一些信号线的位置布置到尽可能离干扰源（电喇叭、电机类用电器等）较远的位置；④传感器信号电源线应避开大电流零部件的电源线，其间隔应大于300mm；⑤在容易受到干扰位置的用电器外壳上，增加屏幕搭铁。