摘 要：動(dòng)力電池是整車性能的重要影響因素，本文針對(duì)純電動(dòng)城市客車動(dòng)力電池主要能量參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并予以匹配及設(shè)計(jì)，其后對(duì)電池性能進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證匹配的合理性。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車 動(dòng)力電池 匹配 試驗(yàn)

隨著當(dāng)前環(huán)境污染與能源短缺問題的日益突出，世界各國(guó)著名汽車廠商都在研制各種類型的電動(dòng)汽車，并且取得了很大的進(jìn)展和突破。我國(guó)通過一系列重大科技專項(xiàng)的制定實(shí)施，促使電動(dòng)汽車技術(shù)蓬勃發(fā)展，其自主研發(fā)的電動(dòng)汽車關(guān)鍵裝置或整車技術(shù)，尤其是純電動(dòng)客車技術(shù)更是取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

動(dòng)力電池是純電動(dòng)車關(guān)鍵技術(shù)裝備，決定著車輛續(xù)駛里程，直接影響整車使用性能，因此電動(dòng)車輛動(dòng)力電池的合理匹配是整車性能的重要影響因素。筆者以廣州某公交公司自亞運(yùn)會(huì)投入使用某款純電動(dòng)客車為研究基礎(chǔ)，著眼于純電動(dòng)客車動(dòng)力電池匹配及設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)測(cè)試匹配的合理性，分析影響動(dòng)力電池使用性能的因素。

一、動(dòng)力電池的匹配

1.動(dòng)力電池匹配方案

純電動(dòng)汽車采用能量型電池，即動(dòng)力電池，是純電動(dòng)汽車唯一的能量源。電池參數(shù)匹配一般要滿足系統(tǒng)特別是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)、功率要求、最大充放電電流等多方面的因素，對(duì)于純電動(dòng)車主要計(jì)算電池的能量要求。而電池容量與其功率成正比，容量越大，輸出功率越大，其功率一般均能滿足電系統(tǒng)要求，匹配時(shí)主要考慮電池能量的要求，以滿足車輛續(xù)駛里程。續(xù)駛里程是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組完全充滿電能夠行駛的最大里程數(shù)。

2.動(dòng)力電池參數(shù)計(jì)算

（1）動(dòng)力電池額定電壓的確定。電池電壓的選擇應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的額定電壓相匹配，而該款電動(dòng)客車所選用的是額定電壓為384V的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因此動(dòng)力電池組的輸出電壓要大于384V。

（2）動(dòng)力電池額定容量的計(jì)算。根據(jù)車輛日營(yíng)運(yùn)里程的特點(diǎn)，動(dòng)力電池組充滿電應(yīng)保證車輛在勻速40km/h的情況下能至少連續(xù)行駛里程大于等于150km，即續(xù)駛里程為150km。

首先，計(jì)算出車輛勻速行駛要達(dá)到續(xù)駛里程所需要的能量，見公式1。

Wroad=Proad t=Proad（S/Vavg） （1）

式中：

Wroad——汽車能行駛的最大里程所需要的能量（kW·h）；

Proad——汽車正常行駛時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)功率（kW）；

S——汽車能行駛的最大里程，即汽車的續(xù)駛里程（km）；

Vavg——?jiǎng)蛩傩旭偟钠骄俣龋╧m/h）。

當(dāng)電動(dòng)汽車以勻速行駛時(shí)，其坡度阻力和加速阻力消耗的功率可忽略不計(jì)，只計(jì)算滾動(dòng)阻力和空氣阻力，根據(jù)功率平衡關(guān)系得出下式：

（2）

式中：

ηt——傳動(dòng)系總效率，一般取0.90；

m——車輛總質(zhì)量，為18000kg；

CD——空氣阻力系數(shù)，取0.5；

A——迎風(fēng)面積，為0.8×2.54m×3.2m=6.5m2；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)，客車一般取0.012。

將各參數(shù)代入公式2計(jì)算得出p=29kW，考慮驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)效率的影響，Proad的值為31kW。

其次，確定動(dòng)力電池組實(shí)際放出的能量，見公式3。

Wess=UessCess ξsoc /1000 （3）

式中：

Wess——?jiǎng)恿﹄姵亟M實(shí)際能放出的能量（kW·h）；

Uess——?jiǎng)恿﹄姵亟M工作電壓（V）；

Cess——?jiǎng)恿﹄姵亟M的容量（Ah）；

ξsoc——?jiǎng)恿﹄姵亟M有效放電容量系數(shù)。

所謂SOC是指參加反應(yīng)的電池內(nèi)部荷電狀態(tài)的變化狀態(tài)，新的電池在充電之前的SOC為0，經(jīng)過充電后達(dá)到充滿狀態(tài)，充滿狀態(tài)時(shí)的SOC為1。電池內(nèi)部電荷狀態(tài)的變化狀態(tài)可以用SOC的百分?jǐn)?shù)（%）的相對(duì)量來表示。

電池組有效放電容量系數(shù)ξsoc表示電池組不可能完全放出100%的容量，例如從開始放電時(shí)的100%放電到20%，那么該系數(shù)機(jī)為0.8。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛行駛一定的里程，要滿足公式4的關(guān)系條件：

Wess≥Wroad （4）

整理（2）、（3）和（4）三個(gè)公式，可導(dǎo)出公式5。

（5）

將相關(guān)參數(shù)代入公式（5）可計(jì)算出所需的電池額定容量為349A·h。

3.動(dòng)力電池匹配的結(jié)果

實(shí)際上車輛在行駛過程中所受的阻力是比較復(fù)雜的，還要考慮其他用電設(shè)備電能的需要，匹配電池的容量要比計(jì)算的容量大一些。

鋰離子電池在車輛上應(yīng)用綜合性能較好，有較大的發(fā)展?jié)摿Γ羌冸妱?dòng)汽車動(dòng)力電池應(yīng)用的主要方向。

因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和調(diào)研市場(chǎng)電池類型情況，選用容量為360A·h，額定總電壓為395V的錳酸鋰電池組。

二、動(dòng)力電池性能道路試驗(yàn)

動(dòng)力電池性能的道路測(cè)試方案是建立在純電動(dòng)客車整車試驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，通過實(shí)際道路試驗(yàn)，測(cè)試出動(dòng)力電池的性能參數(shù)，分析出電池的實(shí)際使用性能。試驗(yàn)時(shí)還需借助相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備，按照規(guī)定的方法內(nèi)容完成主要包括整車?yán)m(xù)駛里程和能量消耗率試驗(yàn)等測(cè)試內(nèi)容。

1.動(dòng)力電池性能道路試驗(yàn)內(nèi)容和方法

道路測(cè)試的主要目的是以電動(dòng)汽車在實(shí)際工況運(yùn)行時(shí)測(cè)試出動(dòng)力電池的放電容量、放電特性等方面的性能。放電性能可以通過汽車能量消耗率的試驗(yàn)獲得，放電容量可以直接通過電池充滿電后汽車以一定速度行駛的續(xù)駛里程來反映。

（1）試驗(yàn)的環(huán)境和道路條件。在環(huán)形汽車試驗(yàn)道路上進(jìn)行測(cè)試，環(huán)境和道路條件均滿足《GB/T18386-2005電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》中有關(guān)環(huán)境條件的要求。試驗(yàn)前，安裝在試驗(yàn)車上的動(dòng)力蓄電池必須在已經(jīng)使用300km以上。

（2）動(dòng)力電池性能道路測(cè)試主要試驗(yàn)設(shè)備。純電動(dòng)客車動(dòng)力電池性能道路試驗(yàn)首先需要配備使用第五輪儀，在進(jìn)行汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)時(shí)還需要用多功能電度表（0.2s級(jí)）來測(cè)算能量消耗。

（3）動(dòng)力電池性能道路試驗(yàn)的方法及過程。動(dòng)力電池性能道路試驗(yàn)主要測(cè)試純電動(dòng)城市客車的續(xù)駛里程和能量消耗率。

在試驗(yàn)前，按照《GB/T18386-2005電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》充電規(guī)程，使蓄電池達(dá)到完全充電狀態(tài)，在動(dòng)力蓄電池充電結(jié)束時(shí)記錄該時(shí)刻，在此之后4h之內(nèi)開始按照規(guī)定的試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)。用五輪儀記錄車輛行駛距離，并使試驗(yàn)車輛加載至試驗(yàn)質(zhì)量，合理分布，車上的照明、信號(hào)裝置以及輔助設(shè)備均關(guān)閉。使用等速法進(jìn)行續(xù)駛里程試驗(yàn)，在試驗(yàn)時(shí)，純電動(dòng)車輛在道路上進(jìn)行（40士2）km/h等速試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中允許停車兩次，每次停車時(shí)間不允許超過兩分鐘，當(dāng)車輛的行駛速度達(dá)不到36km/h時(shí)停止試驗(yàn)。記錄試驗(yàn)期間試驗(yàn)車輛的停車次數(shù)和停車時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束后，記錄試驗(yàn)車輛駛過的距離D，用km來表示，測(cè)量值按四舍五入圓整到整數(shù)，該距離即為等速法試驗(yàn)測(cè)量的續(xù)駛里程。同時(shí)記錄用小時(shí)（h）和分鐘（min）表示的整個(gè)試驗(yàn)過程所用時(shí)間，用T表示。在完成等速法續(xù)駛里程試驗(yàn)后，在2小時(shí)內(nèi)將車輛與電網(wǎng)連接，按照 GB/TI8385規(guī)定的充電規(guī)程為車輛的動(dòng)力蓄電池充滿電。在電網(wǎng)與車輛充電器之間連接的電度表，記錄了充電期間來自電網(wǎng)的能量E（單位：W·h），該能量則為車輛試驗(yàn)的能量消耗。

能量消耗率的計(jì)算，能量消耗率C，用W·h/km表示，并圓整到整數(shù)，按公式6。

C=E/D （6）

式中：

E——充電期間來自電網(wǎng)的能量，單位為瓦·時(shí)（W·h）；

D——試驗(yàn)期間行駛的總距離即續(xù)駛里程，單位為千米（km）。

（4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)整理見表1。

表1 續(xù)駛里程和能量消耗率試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

測(cè)試參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

D（km）156

T（min）238

E（W·h）126378

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程可知等速法測(cè)量的續(xù)駛里程為156km，并將表1的數(shù)據(jù)帶入公式5可得出能量消耗率為842W·h/km，另外根據(jù)公式（1）和（5）可計(jì)算出理論能量消耗率為827W·h/km。將其和目標(biāo)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 續(xù)駛里程和能量消耗率試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試項(xiàng)目目標(biāo)（理論）參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

續(xù)駛里程（km）150152滿足

能量消耗率（W·h/km）827842不滿足

2.動(dòng)力電池性能試驗(yàn)結(jié)果分析

從表2續(xù)駛里程和能量消耗率試驗(yàn)結(jié)果可以看出，續(xù)駛里程可以滿足目標(biāo)性能參數(shù)，而能量消耗率則超出了目標(biāo)參數(shù)。通過試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出續(xù)駛里程和能量消耗率試驗(yàn)過程中車輛的平均行駛速度為39km/h，從這個(gè)數(shù)據(jù)可以看出試驗(yàn)過程是符合要求的，試驗(yàn)結(jié)果是可信的。

關(guān)于能量消耗率超出了目標(biāo)參數(shù)值，一方面，經(jīng)進(jìn)一步檢測(cè)車輛發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池組的溫度較高，尤其是電池的極柱溫度很高。分析可知是由于動(dòng)力電池的容量較大，放電電流較大，容易發(fā)熱，產(chǎn)生了額外的熱損失，另外，觀察車輛在試驗(yàn)后其電池箱因固定不牢靠產(chǎn)生松動(dòng)，繼而造成電池極柱線路連接處因松動(dòng)摩擦出電火花，也直接影響到極柱溫度高，以致能量消耗率超出了目標(biāo)參數(shù)值。另一方面，由于該款車的變速器只有高低兩個(gè)擋位，若在駕駛操作換擋時(shí)機(jī)掌握不佳，也會(huì)降低傳動(dòng)效率。今后，在電池的總體容量或車輛的使用總功率不變的情況下，應(yīng)從動(dòng)力電池組的串并聯(lián)接方式上加以改進(jìn)，提高電池的放電電壓，減小放電電流，并提高安裝工藝將電池箱固定牢靠，可有效地降低工作熱損失。另外還應(yīng)配置三個(gè)以上擋位的變速器以提高傳動(dòng)效率?？傊瑥臄?shù)據(jù)和分析來看，動(dòng)力電池的匹配合理能適應(yīng)城市公共客運(yùn)交通使用。

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（作者單位：廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院）