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        純電動汽車三電系統(tǒng)的高溫試驗研究

        2019-11-17 06:43:38梅周盛席文倩
        時代汽車 2019年20期
        關(guān)鍵詞:高溫

        梅周盛 席文倩

        摘 要:隨著純電動汽車的迅速發(fā)展,適用于極限環(huán)境條件下的可靠性高、適應(yīng)性強的三電系統(tǒng)應(yīng)運而生,對構(gòu)成三電系統(tǒng)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(tǒng)在高溫環(huán)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(tǒng)在高溫環(huán)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(guān)鍵詞:三電系統(tǒng);高溫;性能研究

        1 概述

        新能源汽車作為汽車行業(yè)最為清潔、節(jié)能的交通代步工具,是全球汽車行業(yè)研究的熱點。在國家相關(guān)政策的鼓勵下,得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用,我國新能源汽車產(chǎn)銷量位居世界第一。近年來,我國純電動汽車發(fā)展迅猛,年產(chǎn)量增速超過60%。2018年,我國純電動乘用車產(chǎn)量為79.19萬輛,2019年,工信部發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)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(dá)到25%左右。當(dāng)前,我國的新能源汽車的市場仍處于由補貼、路權(quán)等扶持政策所主導(dǎo)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(chuàng)期向穩(wěn)步上升階段的過渡,行業(yè)逐漸由政策拉動向市場驅(qū)動轉(zhuǎn)變,各種關(guān)鍵技術(shù)問題也亟待解決。三電系統(tǒng)是純電動車的核心系統(tǒng),其可靠性和安全性對新能源汽車的推廣至關(guān)重要。

        純電動汽車的三電系統(tǒng)是指—電池、電機、電控,其性能決定了整車性能。與傳統(tǒng)燃油車相比,純電動汽車的三電系統(tǒng)對高溫環(huán)境更為敏感。車輛在高溫狀態(tài)下,電池組的放電功率、電機溫度以及電池系統(tǒng)的熱管理都會受到影響,因此,為了使三電系統(tǒng)對高溫環(huán)境有更好的適應(yīng)性,保證汽車在不同環(huán)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(huán)境下的各種關(guān)鍵技術(shù)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(huán)境下的可靠性和適應(yīng)性開展了相關(guān)的試驗研究,保證三電系統(tǒng)在高溫環(huán)境下可以正常穩(wěn)定的工作,從而使整車性能及相關(guān)功能要求滿足實際行車要求。

        2.1 電池系統(tǒng)性能試驗研究

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

        2.1.1 高SOC區(qū)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(xù)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(tǒng)(BMS,Battery Management System)狀態(tài)上報穩(wěn)定,行車無告警上報,SOC下降過程平穩(wěn),功率邊界(SOP,State of Power)與之對應(yīng)變化,在SOC 95%以下有回饋電流產(chǎn)生。

        2.1.2 低SOC區(qū)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(tài)上報穩(wěn)定,行車無告警上報,SOC下降過程平穩(wěn),SOP與之對應(yīng)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(shù)觸發(fā)閾值現(xiàn)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(chǎn)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??傮w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(fā),就會使電池內(nèi)部溫度升高,引發(fā)熱失控。因此需要對電池系統(tǒng)的溫度準(zhǔn)確測量和監(jiān)控,確保電池包的安全。熱管理系統(tǒng)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(diào)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(jié)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(nèi),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(dāng)電池溫度為43℃時插槍充電,空調(diào)檢測到電池溫度大于38℃時,進入快充充電冷卻狀態(tài),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(dāng)檢測到平均溫度高于設(shè)定溫度時,進入快速充電冷卻狀態(tài),水泵、空調(diào)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(jié)果表明,高溫環(huán)境下的快充冷卻試驗?zāi)軌驖M足充電要求。

        2.2.3 高溫行車溫度試驗

        整車在環(huán)境(40℃)條件下做續(xù)航跑車試驗,各個工況下,全程開空調(diào)(空調(diào)按最低溫度開),載荷情況為半載。行駛工況為市區(qū)+市郊,直到無法行駛時結(jié)束試驗。60km/h等速續(xù)航時,直到行駛速度達(dá)不到60km/h結(jié)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(xù)航電池溫升開始平均溫度32.6℃,結(jié)束平均溫度38℃,熱管理系統(tǒng)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(huán)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(yīng)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(fā)出信號,響應(yīng)時間為94ms,響應(yīng)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(yīng)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(yīng)圖見圖3(c),整車控制器(VCU,Vehicle Control Unit)向MCU發(fā)出扭矩請求,MCU響應(yīng)VCU的請求扭矩并發(fā)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(tǒng)的作用下,可以將動能轉(zhuǎn)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(xù)駛里程。圖4為整車制動回饋的信號響應(yīng)圖。

        整車處于啟動狀態(tài)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(chǎn)生,從而給電池包充電。所以由圖4可以看出,車輛在高溫環(huán)境下,行車制動時,制動回饋系統(tǒng)能正常使用。

        2.5 故障處理

        2.5.1 電池故障處理

        通過BMS內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)對告警處理閾值進行修改,讓其達(dá)到觸發(fā)條件,觀察BMS的處理情況、整車響應(yīng)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(jīng)過試驗驗證,BMS能正確上報故障類型和故障等級,功率發(fā)送正確。

        2.5.2 電機故障處理

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

        3 結(jié)論

        本文對純電動汽車的三電系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的性能進行了試驗研究,由試驗結(jié)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(huán)境適應(yīng)性,這對純電動汽車在高溫環(huán)境下的性能研究具有重要意義。

        參考文獻(xiàn):

        [1]朱紅,葉明. 新能源汽車在高溫工況下電池性能的研究[J].新能源汽車,2019.

        [2]鞠濤.某款純電動商用車三電系統(tǒng)架構(gòu)及動力性匹配[J].汽車工程師,2017(7).

        [3]程源,劉培培,趙林平,盧生林,徐有忠.汽車“三高”環(huán)境適應(yīng)性試驗開發(fā)和驗證[J].公路與汽運,2016(1)

        [4]胡杰.純電動客車三電系統(tǒng)選型設(shè)計及其熱管理分析[D].吉林大學(xué),2018.

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