唐瑜亮

（桂林客車工業(yè)集團(tuán)有限公司，廣西 桂林 541805）

從國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)看，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新與突破，面對(duì)油價(jià)攀升和日益嚴(yán)峻的節(jié)能減排壓力，發(fā)展電動(dòng)汽車是提高汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、保障能源安全和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。從培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)角度看，發(fā)展電氣化程度比較高的純電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車是我國(guó)新能源汽車技術(shù)的發(fā)展方向和重中之重。要以城市客車為重點(diǎn)，加強(qiáng)各種純電驅(qū)動(dòng)大客車的開(kāi)發(fā)、推廣力度，形成主流商業(yè)模式［1］。

目前，影響純電動(dòng)汽車發(fā)展的主要原因之一是續(xù)駛里程短。如何充分利用攜帶的有限能量，降低不同行駛工況下的能量消耗和車上用電設(shè)備的用電量，最大限度提高純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程，需要考慮電氣系統(tǒng)各部件的匹配問(wèn)題 （功率、電流、電壓間的關(guān)系）。

純電動(dòng)城市客車特點(diǎn)：流線型造型減小空氣阻力；輕量化設(shè)計(jì)減輕自重；運(yùn)行工況下要求頻繁起動(dòng)、加速、減速、停車。因此，純電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要有較好的動(dòng)力特性，基本要求：調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、后備功率大等；電車停止時(shí)不消耗電量，同時(shí)具有制動(dòng)能量回饋技術(shù)，提高能源利用率；能實(shí)現(xiàn)200km以上續(xù)駛里程；真正實(shí)現(xiàn)無(wú)污染、零排放、低噪聲的環(huán)保要求，符合城市建設(shè)發(fā)展的要求。

某12m純電動(dòng)城市客車主要電氣參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某12m純電動(dòng)城市客車主要電氣參數(shù)

1 純電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

純電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)包括低壓電氣系統(tǒng)和高壓電氣系統(tǒng)兩部分：動(dòng)力電池組通過(guò)DC－DC變換器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為24 V低壓直流電，為儀表、照明、控制系統(tǒng)和車身附件提供電能，并給輔助蓄電池充電，輔助蓄電池由2個(gè)12 V電池所組成，這構(gòu)成了整車的低壓電氣系統(tǒng)。動(dòng)力電池組輸出的高壓直流電通過(guò)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)直流電壓轉(zhuǎn)換器或逆變器向空調(diào)壓縮機(jī)、油泵電機(jī)、氣泵電機(jī)提供電能，這構(gòu)成了整車的高壓電氣系統(tǒng)。

2 純電動(dòng)汽車低壓電氣系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車實(shí)際工作中的低電壓是由DC－DC變換器輸入的高壓直流轉(zhuǎn)換為隔離、穩(wěn)定的28V電壓輸出。在電車上輸出DC28 V與輔助蓄電池 （24 V）直接連接，時(shí)時(shí)向蓄電池充電，保證電車低壓用電。在計(jì)算電器的電流、功率時(shí)以28V來(lái)進(jìn)行。

1）低壓電器用導(dǎo)線線徑分析和計(jì)算 汽車線束設(shè)計(jì)中，確定導(dǎo)線的截面積是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，導(dǎo)線截面積計(jì)算公式

式中：I——電流，A；P——負(fù)載功率，W；Ua——系統(tǒng)提供的電壓 （28V）；A——導(dǎo)線截面積，mm2；ρ——銅電阻率 （約為0.018 5 Ωmm2／m）；L——導(dǎo)線長(zhǎng)度，m；Ud——導(dǎo)線允許的電壓降，V。

為避免導(dǎo)線過(guò)度發(fā)熱，應(yīng)該檢查電流密度，其公式為：S=I／A［2］。

同時(shí)根據(jù)工作環(huán)境、溫度、導(dǎo)線走向、插接件數(shù)量 （即電壓降大?。┻m當(dāng)改變導(dǎo)線截面積；長(zhǎng)時(shí)間工作的電氣設(shè)備選擇實(shí)際載流量60%的導(dǎo)線；短時(shí)間工作的電氣設(shè)備可選用實(shí)際載流量60%～100%之間的導(dǎo)線?？紤]到導(dǎo)線的強(qiáng)度，除特殊用途外，應(yīng)選用0.75mm2以上的導(dǎo)線。

對(duì)于控制電路中的線徑選擇，因控制電路的電流都小于1 A，綜合考慮到導(dǎo)線的強(qiáng)度及防護(hù)，所有控制電路的線徑都采用0.75mm2的導(dǎo)線。

2）低壓電器用熔斷絲的分析和計(jì)算 根據(jù)電路負(fù)載性質(zhì)的不同，區(qū)別選取熔斷片的值：燈具電路按負(fù)載電流1.5～2倍選??；電機(jī)電路 （如刮水器、門泵等）按負(fù)載電流2.5～3倍選取。

3）低壓電器部件功率的計(jì)算 整車電器在極限狀況下的總功率約為5kW。

4）輔助蓄電池容量的分析和計(jì)算 除空調(diào)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、液壓制動(dòng)或氣壓制動(dòng)和除霜器外，其他子系統(tǒng)的能耗大約為0.7 kW，即使主電源完全放完電或DC－DC轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障，輔助電源也應(yīng)該能提供這些能量消耗，以確保車輛行駛的安全性和可靠性。輔助電源的容量通常確定為在緊急情況下連續(xù)工作1h的能量?jī)?chǔ)存量。選用2個(gè)12 V鉛酸蓄電池，其容量計(jì)算公式：Qe=5487×n×P總／（g×Ua），不同環(huán)境溫度下，蓄電池容量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)表2。

對(duì)于無(wú)特殊要求的地區(qū)選擇+5℃計(jì)算。綜合各因素，所選輔助蓄電池的容量不能小于Qe。

表2 蓄電池容量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

5）繼電器的選取設(shè)計(jì) 繼電器分電流式和電壓式，一般根據(jù)用電器的功率和開(kāi)關(guān)的承載能力來(lái)決定是否選用繼電器。常用繼電器的設(shè)備一般有刮水器、喇叭、除霜、前照燈、霧燈、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)向燈等，常用的繼電器額定電壓為24V。繼電器的主要技術(shù)要求：可靠性好、性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、對(duì)周圍元器件影響小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、成本低等。

3 動(dòng)力電源系統(tǒng)的分析及計(jì)算

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源系統(tǒng)是一門交叉學(xué)科，涉及電化學(xué)、機(jī)械、電子及計(jì)算機(jī)、制冷等學(xué)科。動(dòng)力電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是在現(xiàn)有電池技術(shù)條件下，依據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行優(yōu)化，使車輛具有最佳的能力性、經(jīng)濟(jì)性。

3.1 整車設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

對(duì)整車的了解越多，設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)越完善。主要技術(shù)參數(shù)：整備質(zhì)量、滿載總質(zhì)量、迎風(fēng)面積、傳動(dòng)系效率、電機(jī)及其控制器效率、加速時(shí)間、電子附件功率、空調(diào)功率、空氣阻力系數(shù)0.7、滾動(dòng)阻力系數(shù)0.0076+0.000056ua、最高車速60km／h（中國(guó)典型城市客車行駛工況）、最大爬坡度、續(xù)航里程等。

3.2 電機(jī)功率、電壓參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.2.1 電機(jī)功率設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車在行駛每一瞬間，電機(jī)發(fā)出功率始終等于機(jī)械傳動(dòng)損失與全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗功率。根據(jù)汽車?yán)碚?，汽車功率平衡關(guān)系應(yīng)滿足

式中：PM——電機(jī)輸出功率，kW；η——傳動(dòng)系統(tǒng)效率；m——滿載總質(zhì)量，kg；va——行駛速度，km／h；j——加速度，m／s2；CD——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2；α——坡道角；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)1.29。

分別計(jì)算在最高車速、爬坡度和加速性能來(lái)確定電機(jī)功率，最大值作為電機(jī)需求功率。

最高車速vmax對(duì)應(yīng)的車輛功率

最大爬坡度αmax對(duì)應(yīng)的車輛功率

式中va取值為10km／h。

原地起步加速到指定加速時(shí)間T（0—30km／h，加速時(shí)間取值≤10s），可以計(jì)算出全力加速時(shí)電機(jī)對(duì)應(yīng)于車速va的功率

所以初步選定電機(jī)的額定功率應(yīng)不小于：PMe= max（PM1，PM2，PM3）。電機(jī)的最大功率為：PMmax=λPMe式中：λ——電機(jī)的過(guò)載系數(shù)［4］。

3.2.2 確定系統(tǒng)電壓范圍

根據(jù)整車所選擇的電機(jī)，確定電源系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓及電壓應(yīng)用范圍［5］。

電機(jī)額定電壓的選擇與動(dòng)力電池組電壓密切相關(guān)。在相同輸出功率條件下，電池組電壓高則電流小，對(duì)導(dǎo)線和開(kāi)關(guān)等電器元件要求較低，但總電壓不能超過(guò)IGBT決定的電機(jī)最高允許電壓限制值。較高的電壓需要數(shù)量較多的單體電池串聯(lián)，引起成本及整車質(zhì)量的增加和動(dòng)力性的下降，并且難于布置。

標(biāo)準(zhǔn)要求電機(jī)及控制器必須能在電源電壓為120%額定電壓值下安全承受最大電流。同時(shí)電機(jī)在電源電壓降為75%額定電壓時(shí)，應(yīng)能在最大電流下運(yùn)行 （不要求連續(xù)運(yùn)行）。對(duì)于最低電壓，比較穩(wěn)妥的是保證直流總線電壓不低于電機(jī)額定電壓的80%。

根據(jù)采用的不同電池類型和數(shù)量，如Ni／MH、LiMn2O4、LiFePO4電池額定電壓分別為3.7V、3.7V、3.2V，來(lái)確定電源系統(tǒng)的額定電壓U。

電機(jī)額定電壓一般由所選取的電機(jī)參數(shù)決定，并與電機(jī)額定功率成正比，電機(jī)的額定電壓越高，額定功率越大，考慮上述結(jié)果確定電機(jī)的額定電壓范圍。綜合以上計(jì)算結(jié)果和分析，同時(shí)調(diào)研市場(chǎng)上現(xiàn)有電機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)，從中選擇合適的電機(jī)。

3.3 動(dòng)力電池最大輸出功率與電流的確定

經(jīng)上述計(jì)算確定電機(jī)功率。設(shè)電機(jī)、控制器效率分別為ηM、ηC，電子附件、空調(diào)等功率為P輔助，則電源系統(tǒng)需求的最大功率為：Pbmax=PM／ηMηC+P輔助；系統(tǒng)要求最大輸出電流為：Imax=Pbmax／（U×0.9）［4］。

在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意保留一定的設(shè)計(jì)余量。因隨著電池的使用，電源系統(tǒng)逐漸老化，所以電源系統(tǒng)的最大輸出功率必須大于計(jì)算值，通常設(shè)計(jì)余量為15%～30%。

3.4 動(dòng)力電池SOC應(yīng)用范圍確定

動(dòng)力電池在使用中充放電原則：充電時(shí)不必太飽 （SOC≦90%），放電時(shí)不要太深 （DOD≦80%），淺充淺放對(duì)電流壽命有好處；一般建議SOC應(yīng)用范圍：20%≦SOC≦90%。

3.5 動(dòng)力電池容量的確定

影響電動(dòng)汽車商品化和實(shí)用化進(jìn)程的關(guān)鍵因素是電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和電池的使用性能，在選擇電池的容量時(shí)，既要滿足汽車的續(xù)駛里程設(shè)計(jì)要求，又要考慮整車的空間結(jié)構(gòu)和底盤承載能力。

電池組容量的選擇主要考慮車輛行駛時(shí)的最大輸出功率和消耗的能量，以保證電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力性和續(xù)駛里程的要求。容量的確定用以下3種方法來(lái)確定。

2）根據(jù)每公里能耗計(jì)算 汽車上1kg重物行駛1km所消耗的能量約為0.032 Wh（不考慮風(fēng)阻，勻速40 km／h理想工況下），電池放電效率ηB，取值0.80，則實(shí)際電源系統(tǒng)的容量應(yīng)為：C2=0.032×m／ηB（Ah）。

3）根據(jù)車輛參數(shù)計(jì)算 車輛平均行駛速度40 km／h，假設(shè)續(xù)駛里程S（km），則連續(xù)行駛時(shí)間t=S／40h，需要的能量為W=Pe×t。實(shí)際電源系統(tǒng)的容量應(yīng)為：C3=W×1000／（U×ηB）（Ah）。因此，電池容量：C=max（C1，C2，C3）。

在進(jìn)行電池容量確定時(shí)，還需要考慮輔助系統(tǒng)（空調(diào)系統(tǒng)、氣泵電機(jī)、油泵電機(jī)）和低壓電氣系統(tǒng)的能量消耗，一般設(shè)計(jì)在15%～30%。

3.6 動(dòng)力電源系統(tǒng)充電要求

根據(jù)所選用的電池類型、電源系統(tǒng)的散熱特點(diǎn)、所需要的充電時(shí)間等，來(lái)設(shè)定充電機(jī)的充電電流、充電電壓。通常標(biāo)準(zhǔn)充電電流為0.2CA。下面以鋰離子電池為例進(jìn)行說(shuō)明。

電池首先要進(jìn)行最高充電限制電壓及最大充電限制電流的設(shè)定，最理想的最高充電限制電壓是U= S×3.65V，S為電池組數(shù)量。最大限制充電電流是按1CA恒流的電流設(shè)定，而最佳的充電電流是設(shè)為0.2CA，即I=CA×0.2（A），CA為電池標(biāo)稱容量。選擇充電器功率為：P=U×I（W）。

3.7 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)能耗對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)行里程有較大影響。對(duì)配套的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與研制，要了解空調(diào)制冷量／制熱量、輸入電壓變化范圍／電流、額定電壓／電流／功率、能效比。同時(shí)，空調(diào)應(yīng)有足夠的制冷量和高可靠性，更應(yīng)具有高效節(jié)能、輕質(zhì)低噪、安全環(huán)保、高安全性、安裝方便的優(yōu)勢(shì)。

汽車空調(diào)制冷量的計(jì)算就是汽車空調(diào)熱負(fù)荷的計(jì)算，提供2種計(jì)算方法。

1）較簡(jiǎn)化的理論計(jì)算城市客車空調(diào)制冷量：

式中：Q——電動(dòng)城市客車所需制冷量，W；A1——乘員制冷因素值，見(jiàn)表3；N——最大乘員人數(shù)；A2——車內(nèi)空間制冷因素值，6 m以上車型為553 W／m3；V——車內(nèi)空間體積，m3；A3——太陽(yáng)熱輻射制冷因素值，6 m以上車型為1 190 W／m3；S——所有窗、乘客門、玻璃總面積，m2；A4——車型密封保溫效果因素值，見(jiàn)表4；A5——?dú)夂驐l件因素值，見(jiàn)表5［6］。

表3 乘員制冷因素值

表4 車型密封保溫效果因素值

表5 氣候條件因素值

2）經(jīng)驗(yàn)估算法。在實(shí)際選擇汽車空調(diào)時(shí)，有時(shí)受條件限制，也可采用經(jīng)驗(yàn)估算的方法來(lái)得到所需空調(diào)系統(tǒng)的制冷量。此方法是根據(jù)汽車的額定乘員人數(shù)來(lái)確定空調(diào)的制冷量，根據(jù)表3乘員制冷因素值，在乘員人數(shù)段中選擇相應(yīng)的每人制冷量值，再與乘員人數(shù)相乘，即可計(jì)算出汽車空調(diào)的制冷量。

制冷系數(shù)、制熱系數(shù)是空調(diào)機(jī)組制冷及制熱效率的體現(xiàn)。經(jīng)以上方法計(jì)算求出汽車空調(diào)制冷量，了解電動(dòng)汽車空調(diào)綜合能效比，可計(jì)算出空調(diào)壓縮機(jī)和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)的輸入功率：P空調(diào)輸入=Q／A制冷系數(shù)。

3.8 DC－DC變換器

DD－DC電源變換器是將輸入的高壓直流電轉(zhuǎn)換為28 V輸出，其輸出電流要能滿足車上的低壓用電。根據(jù)整車電器在極限情況下的總功率，計(jì)算出最大電流、短時(shí)工作電流 （電除霜器工作）、正常使用的電流。因此DD－DC電源變換器功率應(yīng)能滿足正常低壓電器使用的電流。

電源變換器相關(guān)參數(shù)：輸入電壓DC、輸出電壓DC28V、輸出電流、輸出功率。

3.9 電動(dòng)液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動(dòng)汽車一般配置動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以提高汽車的駕駛性能，相應(yīng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須符合高效利用能源的要求。在電動(dòng)城市客車上常采用整體電動(dòng)液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

電機(jī)使用DC／AC轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的交流電。轉(zhuǎn)向油泵用電機(jī)參數(shù)：輸入電壓值、額定功率／電流／電壓、額定轉(zhuǎn)速。

3.10 制動(dòng)系統(tǒng)的氣泵電機(jī)

氣泵用電機(jī)參數(shù)：輸入電壓值、額定功率／電流／電壓、額定轉(zhuǎn)速、效率。

3.11 動(dòng)力電池工作溫度值

動(dòng)力電池工作溫度與電池的種類有關(guān)，Ni／MH電池為－20～55℃；LiMn2O4為－20～50℃；LiFePO4電池為－20～60℃。在低溫起動(dòng)時(shí)，電壓按標(biāo)稱電壓的90%計(jì)算。

3.12 BMS系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與要求

電池管理系統(tǒng)主要有3個(gè)功能：①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)電池電壓、電流、溫度等，采用適當(dāng)算法，實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部 （如容量、SOC等）的估算和監(jiān)控，這是電池管理系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵；②在正確獲取電池的狀態(tài)后，進(jìn)行熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報(bào)警等；③建立通信總線，向顯示系統(tǒng)、整車控制器和充電機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

根據(jù)選用的電池特性確定均衡電流的數(shù)值。假設(shè)電池容量為C（Ah），自放電每月為5%，每天充電均衡時(shí)間在T（h），則均衡電流應(yīng)達(dá)到C×5%／（30×T），才能達(dá)到消除自放電導(dǎo)致的容量差別。目前BMS系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題：均衡電流小、SOC值計(jì)算誤差大。

3.13 動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求

根據(jù)上面計(jì)算的功率需求和容量需求，比較各類電池的使用壽命、價(jià)格、體積、質(zhì)量等參數(shù)，確定電池的種類。根據(jù)車輛的空間位置及排布，確定每個(gè)電池包的尺寸和大小，在條件允許下，電池包應(yīng)為統(tǒng)一規(guī)格。電池箱在車上的布局，既要充分考慮電池在電池箱內(nèi)的通風(fēng)散熱，又須在電池箱上有效采取防塵、防雨、防震、絕緣措施；還要充分考慮為后期檢修和維護(hù)電池提供方便，做到電池箱拆裝簡(jiǎn)單，電池拆卸方便；保證電池工作環(huán)境最佳，延長(zhǎng)電池使用壽命，減少用戶更換電池的成本。

3.14 電磁場(chǎng)抗干擾設(shè)計(jì)

①儀表板處線束必須有防電磁干擾措施；②電機(jī)控制模塊信號(hào)線、BMS信號(hào)線、儀表信號(hào)線、ABS信號(hào)線必須有防電磁干擾 （如采用雙絞線、屏蔽線等），確保各個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作；③避開(kāi)零件電磁干擾源，如將一些信號(hào)線的位置布置到盡可能離干擾源 （電喇叭、電機(jī)類用電器等）較遠(yuǎn)的位置；④傳感器信號(hào)電源線應(yīng)避開(kāi)大電流零部件的電源線，其間隔應(yīng)大于300mm；⑤在容易受到干擾位置的用電器外殼上，增加屏幕搭鐵。

4 模擬仿真及裝車試驗(yàn)

設(shè)計(jì)完成后，先制作電池模塊或電池包，進(jìn)行臺(tái)架性能測(cè)試，測(cè)量是否能夠滿足根據(jù)計(jì)算的電源系統(tǒng)的指標(biāo)要求，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行初步改進(jìn)。然后進(jìn)行系統(tǒng)制作和臺(tái)架測(cè)試。最后通過(guò)裝車試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善［5］。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著純電動(dòng)汽車的崛起，純電動(dòng)汽車成為各汽車企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)純電動(dòng)城市客車電氣系統(tǒng)主要部件電流匹配、電壓匹配、功率匹配、工作條件等的分析和計(jì)算，為純電動(dòng)汽車的研究和開(kāi)發(fā)提供必要的設(shè)計(jì)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

［1］科技部.電動(dòng)汽車科技發(fā)展 “十二五”專項(xiàng)規(guī)劃［Z］. 2012.

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