楊國亮 柳熹 馬宇坤

（天津清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司）

發(fā)展電動(dòng)汽車是提高汽車競爭力、保障能源安全和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。電動(dòng)汽車相對(duì)傳統(tǒng)車而言，電氣化程度更高。由于電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替了發(fā)動(dòng)機(jī)，故電動(dòng)汽車用DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器替代了傳統(tǒng)燃油車中的發(fā)電機(jī)，由輔助蓄電池和DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器共同為汽車用電器提供電能。為確保整車電量平衡，需對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和選型。文章針對(duì)某款純電動(dòng)轎車進(jìn)行低壓供電系統(tǒng)的選型和分析。

1 電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)構(gòu)成

電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)主要包括高壓直流電氣系統(tǒng)、交流電氣系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)和整車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。高壓直流電氣系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)、電動(dòng)壓縮機(jī)和PTC等高壓電氣設(shè)備組成。車載充電機(jī)由電網(wǎng)供電，將220V交流電經(jīng)整流濾波變成300多V直流電為動(dòng)力電池補(bǔ)充電能。低壓電氣系統(tǒng)采用直流12 V電源，一方面為燈光和刮水器等常規(guī)低壓電器供電，另一方面為整車控制器、電機(jī)控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及高壓電氣設(shè)備的控制器和冷卻電動(dòng)水泵等輔助部件供電。CAN通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是為整車控制器與汽車其他控制單元進(jìn)行信息通訊。圖1示出純電動(dòng)汽車簡化電氣模塊框圖。

2 電動(dòng)汽車整車低壓電氣系統(tǒng)

2.1 整車低壓電氣系統(tǒng)

由于電動(dòng)汽車的特殊性，根據(jù)電動(dòng)汽車整車狀態(tài)，可將電動(dòng)汽車低壓電氣系統(tǒng)分為運(yùn)行狀態(tài)和充電狀態(tài)2種模式。

1）運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)車輛供電系統(tǒng)由蓄電池、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、電線束、開關(guān)和繼電器等組成。對(duì)供電系統(tǒng)的要求是：DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器必須在汽車運(yùn)行的所有工況下，均能提供足夠的電能滿足低壓用電器的需求，同時(shí)還要保證為蓄電池充電。

2）充電狀態(tài)。此時(shí)車輛供電系統(tǒng)由蓄電池、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)、電線束、開關(guān)和繼電器等組成。在充電狀態(tài)下，供電系統(tǒng)只需提供足夠的電能滿足充電相關(guān)電器部件工作并提供一定的電流為蓄電池充電即可。

2.2 汽車低壓電器用電負(fù)荷

汽車用電負(fù)荷圖是DC/DC選型的重要依據(jù)。根據(jù)汽車運(yùn)行時(shí)各低壓用電器的工作時(shí)間長短及頻率，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⒓竟?jié)和外界環(huán)境影響，可將用電設(shè)備分為連續(xù)工作用電器、短時(shí)間工作用電器、隨機(jī)使用工作用電器及EV附加電器。連續(xù)工作用電器包括車輛控制系統(tǒng)、儀表及監(jiān)控系統(tǒng)等；短時(shí)間工作用電器包括前照燈、夜行燈、安全警告燈、霧燈、鼓風(fēng)機(jī)、電子風(fēng)扇及刮水器等；隨機(jī)使用工作用電器包括電動(dòng)門窗、洗滌、倒車燈、制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向燈、喇叭、安全氣囊、防盜聲光報(bào)警裝置以及其他用電設(shè)備；EV附加電器包括電動(dòng)真空泵助力制動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)水泵、電動(dòng)空調(diào)、電池包散熱系統(tǒng)及電池包加熱系統(tǒng)等。由于部分汽車電器的使用頻度系數(shù)與季節(jié)和外部環(huán)境有著很大關(guān)系，故對(duì)電器設(shè)備引入使用頻度系數(shù)來計(jì)算整車的用電量，如表1所示[1]。

表1 純電動(dòng)汽車低壓電氣設(shè)備用電量統(tǒng)計(jì)表

一般來說，汽車在行駛過程中有12種用電量較為典型的工況：平常日間、平常夜間、平常雨夜、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜、平常充電、夏季充電及冬季充電。夏季雨夜和冬季雪夜是整車用電設(shè)備用電量的極限情況。各工況下用電設(shè)備具體分布，如表2所示。根據(jù)表1和表2，可計(jì)算出純電動(dòng)汽車分別在行駛和充電各工況下運(yùn)行時(shí)低壓電氣設(shè)備用電負(fù)荷，如圖2所示[2]。

表2 純電動(dòng)汽車低壓電氣設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表

3 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器功率選型

3.1 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的基本功能

在純電動(dòng)汽車DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器選型時(shí)，考慮到DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的工作原理是由動(dòng)力電池（320 V）經(jīng)過濾波和輸出等電路處理后輸出13.8 V額定電壓，為整車低壓用電器設(shè)備供電，由于動(dòng)力電池電壓在汽車運(yùn)行狀態(tài)時(shí)電壓變化范圍較大，這就要求DC/DC變換器在輸入電壓寬范圍內(nèi)能夠?yàn)橛秒娖魈峁┓€(wěn)定的13.8 V輸出電壓。

DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器屬電動(dòng)汽車高壓附件設(shè)備，故DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有輸入欠壓/過壓保護(hù)、輸入反向、輸出過壓/過流、輸出短路及過溫等保護(hù)功能，且當(dāng)故障消失后有自恢復(fù)功能。防水等級(jí)根據(jù)布置的位置應(yīng)能達(dá)到相應(yīng)的防護(hù)等級(jí)。

3.2 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器控制原理

當(dāng)整車控制器接收到駕駛員啟動(dòng)汽車的有效信息后，綜合電池管理系統(tǒng)上報(bào)的電池綜合狀態(tài)控制DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的啟停。若動(dòng)力電池狀態(tài)滿足放電需求，則整車控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換器開始工作，由動(dòng)力高壓電池提供電能，電壓經(jīng)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成13.8 V供整車用電器用電并為鉛酸蓄電池充電。DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器控制原理圖，如圖3所示。

3.3 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器功率選擇

根據(jù)表1，可計(jì)算出在不同工況下所有用電器用電量總和。按照?qǐng)D2可計(jì)算出純電動(dòng)汽車在夏季雨夜的工況下用電需求是最大的，所以只要所選DC/DC轉(zhuǎn)換器功率能滿足夏季雨夜所有用電器的需求即可。根據(jù)電功率計(jì)算公式（P=UI）得出，在極端工況下用電器的總功率約為1.716 kW，但為滿足在各工況下DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器都能滿足各用電器用電需求，保證蓄電池可靠充電[3]，使蓄電池的充放電達(dá)到平衡，蓄電池的充電系數(shù)一般取0.15，因而所需DC/DC的輸出功率（PS/kW）為：

式中：P——用電器的總功率，kW；

k——蓄電池的充電系數(shù)。

考慮將來會(huì)增加一兩個(gè)低壓電器部件并結(jié)合目前市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品等綜合考慮，DC/DC功率定為2.16 kW。

4 蓄電池的選擇

傳統(tǒng)燃油汽車中蓄電池?fù)?dān)負(fù)著啟動(dòng)機(jī)的大功率負(fù)荷，而電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池只需滿足汽車運(yùn)行前車輛控制器和高壓系統(tǒng)供電即可。所以，在選擇蓄電池的容量（Q/A·h）時(shí)，只需根據(jù)以下方法對(duì)Q進(jìn)行計(jì)算即可[4]。

1）蓄電池漏電達(dá)到總?cè)萘康?0%時(shí)，汽車將不能正常工作；

2）全車在正常環(huán)境下（已經(jīng)考慮自放電）的整車靜態(tài)電流不超過30mA；

3）初步設(shè)計(jì)的停放時(shí)間（t）為 15 d，即 360 h，汽車應(yīng)能正常啟動(dòng)。

根據(jù)以上條件，由公式t=Q×60%/0.03 A=360 h，可計(jì)算出：Q=18 A·h。綜合考慮，選取Q=20 A·h即可滿足需求。

5 結(jié)論

1）經(jīng)過對(duì)項(xiàng)目汽車整車低壓用電器用電量的計(jì)算以及綜合市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品等綜合因素考慮，初步選取DC/DC功率為2.16 kW；

2）由于純電動(dòng)汽車的鉛酸蓄電池不用承擔(dān)傳統(tǒng)燃油車鉛酸蓄電池在汽車啟動(dòng)時(shí)的大電流放電，純電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池只需滿足停放一段時(shí)間后，能夠提供足夠的能量供各控制系統(tǒng)正常工作即可，故綜合考慮，鉛酸蓄電池容量選取20 A·h；

3）經(jīng)過3萬km道路可靠性試驗(yàn)，汽車未出現(xiàn)過因由低壓供電系統(tǒng)引發(fā)的故障，也未出現(xiàn)過蓄電池虧電現(xiàn)象；

4）隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷提高以及對(duì)電動(dòng)汽車安全等方面的考慮，車輛控制器以及車身電器數(shù)量會(huì)越來越多，今后DC/DC的功率會(huì)逐漸增大，整車的控制策略也會(huì)不斷優(yōu)化。