聞俊杰，白國(guó)軍

(廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東廣州 519000)

0 引言

全球能源及環(huán)境問題日益突出：一方面石油資源作為不可再生資源日益緊缺；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛廢氣排放對(duì)空氣造成嚴(yán)重污染。為此替代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的方案越來越多，如氫能源汽車、燃料電池汽車、新能源汽車等，目前最有實(shí)用性價(jià)值并已有商業(yè)化模式的為新能源車。

新能源車同時(shí)裝備熱動(dòng)力源(傳統(tǒng)的汽油機(jī)或者柴油機(jī))與電動(dòng)力源(高壓電池與高壓電動(dòng)機(jī))，其燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式發(fā)生了革新。因此需分析新能源車低壓電源配電與傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的低壓電源配電系統(tǒng)的不同，根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行電源配電設(shè)計(jì)[1]。

汽車電氣系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能器(蓄電池)、能量轉(zhuǎn)換器(發(fā)電機(jī)、DC/DC)和用電器(儀器、裝置等)組成[2]。由于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式發(fā)生了革新，新能源車電源系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)其自身特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對(duì)新能源車低壓電源配電系統(tǒng)研究，形成科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

新能源車的儲(chǔ)能器(蓄電池)、能量轉(zhuǎn)換器(發(fā)電機(jī)、DC/DC)以及起動(dòng)機(jī)功能相對(duì)于傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車有了變化，因此電源系統(tǒng)參數(shù)的確定需根據(jù)新能源車的特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。新能源車與傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車的不同體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車采用起動(dòng)機(jī)起動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，新能源車取消12 V起動(dòng)機(jī)或?qū)?2 V起動(dòng)機(jī)作為備用。

(2)傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的蓄電池主要作用是給起動(dòng)系統(tǒng)提供電源、吸收瞬變過電壓及在發(fā)電機(jī)不工作時(shí)為輔助用電器供電。新能源車蓄電池不為起動(dòng)系統(tǒng)提供電源或起動(dòng)瞬間其能量全部用于起動(dòng)機(jī)。

(3)發(fā)電機(jī)輸出電流能力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，且發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間無(wú)法為整車提供電源，新能源車裝備的DC/DC能輸出的電流與發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)關(guān)，且DC/DC的效率高于發(fā)電機(jī)效率。

根據(jù)新能源車的以上特點(diǎn)，本文作者從新能源車蓄電池容量計(jì)算[3]、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、供電模式的劃分、DC/DC額定電流確定等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，得出新能源車電源系統(tǒng)計(jì)算方法，并將其成果應(yīng)用于某新能源車電源配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

1 新能源車電源系統(tǒng)研究

1.1 輔助起動(dòng)機(jī)對(duì)整車低壓電源配電的影響

輔助起動(dòng)機(jī)是整車低壓電源配電設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。目前新能源車可分為有輔助起動(dòng)機(jī)與無(wú)輔助起動(dòng)機(jī)2種類型。

奧迪Q5新能源車采用了輔助起動(dòng)機(jī)，該輔助起動(dòng)機(jī)只在特定情況下用于起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。整車電源配電原理見圖1。整車配電由主蓄電池A(68 A·h)、備用蓄電池A1(12 A·h)、常閉繼電器1、常開繼電器2、DC/DC構(gòu)成。當(dāng)IG1電接通時(shí)，繼電器2閉合，備用蓄電池A1接入整車配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充電；當(dāng)輔助起動(dòng)機(jī)工作時(shí)，蓄電池A由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過繼電器1與車載供電網(wǎng)斷開，其全部能量用于起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。斷開后的車載電網(wǎng)由備用蓄電池A1與DC/DC變壓器供電。奧迪A8也裝備了輔助起動(dòng)機(jī)，其配電方案與奧迪Q5新能源類似，起動(dòng)蓄電池采用75 A·h AGM蓄電池，備用電池采用36 A·h鉛酸蓄電池。

圖1 Q5新能源汽車電源系統(tǒng)原理

普銳斯不裝備輔助起動(dòng)機(jī)，采用動(dòng)力電機(jī)起動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。由于不存在起動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間電壓跌落的問題，因此其整車車載電網(wǎng)由一個(gè)蓄電池和DC/DC為其供電。

1.2 供電模式的劃分

傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛用電器的供電模式有以下幾種：(1)蓄電池、發(fā)電機(jī)直接供電。(2)通過點(diǎn)火開關(guān)IG1擋供電。(3)通過點(diǎn)火開關(guān)IG2擋供電。(4)ACC擋供電。(5)點(diǎn)火開關(guān)START擋供電。由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間發(fā)電機(jī)沒有工作，整車僅由蓄電池供電，因此IG2與ACC擋供電設(shè)備在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間處于斷電狀態(tài)。

無(wú)輔助起動(dòng)機(jī)的新能源車采用動(dòng)力電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，由于無(wú)起動(dòng)機(jī)工作的模式并且IG擋供電時(shí)DC/DC已開始為整車供電，因此采用IG2與ACC擋供電的電氣設(shè)備可以在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間處于供電狀態(tài)。裝備12 V輔助起動(dòng)機(jī)的新能源車若采用雙蓄電池供電模式，當(dāng)采用起動(dòng)機(jī)起動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，主蓄電池與備用蓄電池?cái)嚅_，主蓄電池全部能量用于起動(dòng)機(jī)，備用蓄電池與DC/DC為整車供電。由于整車用電設(shè)備用電電壓不受起動(dòng)機(jī)工作的影響，因此采用IG2與ACC擋供電的電氣設(shè)備可以在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間處于供電狀態(tài)。

由于新能源車燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作瞬間可保證采用IG2、ACC擋供電，設(shè)備處于供電狀態(tài)，則新能源車的舒適度比傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車高。

1.3 蓄電池容量確定

傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的蓄電池主要作用是給起動(dòng)系統(tǒng)提供電源、吸收瞬變過電壓及在發(fā)電機(jī)不工作時(shí)為輔助用電器供電[4]。因此蓄電池容量受2個(gè)因素影響：(1)起動(dòng)機(jī)的功率；(2)整車靜態(tài)電流。

根據(jù)起動(dòng)機(jī)功率確定蓄電池的容量：

(1)

式中：C為蓄電池容量，A·h；n為短路變化系數(shù)；g為蓄電池短路系數(shù)；U為蓄電池額定電壓，V；k為系數(shù)；P為起動(dòng)機(jī)功率，kW。

為了保證車輛在放置一段時(shí)間內(nèi)能正常發(fā)動(dòng)，需根據(jù)整車靜態(tài)電流校驗(yàn)依據(jù)起動(dòng)機(jī)計(jì)算的蓄電池容量是否合適。整車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，蓄電池容量按照計(jì)算公式(2)進(jìn)行校驗(yàn)，若蓄電池容量不滿足式(2)，可根據(jù)蓄電池容量C(A·h)對(duì)整車靜態(tài)電流I靜(A)提出要求。

I靜×90天(2 160 h)/(C×0.5)<1.0

(2)

若新能源車裝備了12 V輔助起動(dòng)機(jī)，則其蓄電池容量的確定方法與傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛蓄電池容量確定方法相同。否則，新能源車蓄電池的主要作用發(fā)生了變化，其作用是吸收瞬變過電壓及在DC/DC不工作時(shí)為輔助用電器供電，蓄電池的容量?jī)H與整車靜態(tài)電流有關(guān)。公式(2)是根據(jù)蓄電池能保證起動(dòng)機(jī)正常工作確定的，所以公式中的系數(shù)0.5需要根據(jù)蓄電池的特性進(jìn)行修訂，以完成蓄電池容量的確定。

蓄電池在新能源車上的功能已經(jīng)發(fā)生了變化，需要分析其特點(diǎn)計(jì)算蓄電池容量。

1.4 DC/DC額定電流的確定

傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車裝備的發(fā)電機(jī)，在汽車正常運(yùn)行時(shí)，能保證向除起動(dòng)機(jī)之外的所有用電設(shè)備供電，還能保證給蓄電池充電。發(fā)電機(jī)的電流輸出能力受限于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)艙溫度，但是發(fā)電機(jī)的電流輸出效率低。DC/DC與發(fā)電機(jī)相比，電流輸出能力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)且效率遠(yuǎn)高于發(fā)電機(jī)，因此DC/DC的電流輸出特性優(yōu)于發(fā)電機(jī)。

通過電平衡計(jì)算確定發(fā)電機(jī)與DC/DC額定輸出電流。整車電氣系統(tǒng)電平衡是考核DC/DC(或發(fā)電機(jī))、蓄電池以及用電設(shè)備之間匹配設(shè)計(jì)合理性的主要方法與手段，保證DC/DC在滿足用電設(shè)備使用的同時(shí)還要為蓄電池充電。根據(jù)負(fù)載實(shí)際使用的時(shí)間長(zhǎng)短將負(fù)載分為3類：(1)連續(xù)工作負(fù)載，如儀表、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU等。(2)長(zhǎng)時(shí)間工作負(fù)載，如燈光、暖風(fēng)電機(jī)等。(3)短時(shí)間工作負(fù)載，如轉(zhuǎn)向燈等。在計(jì)算電平衡時(shí)，首先確定負(fù)載的加權(quán)系數(shù)，然后用加權(quán)系數(shù)對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行等價(jià)修正，結(jié)果作為負(fù)載的實(shí)際電流進(jìn)行電平衡計(jì)算。

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電流能力小，怠速時(shí)整車電流需求為連續(xù)工作負(fù)載乘以加權(quán)系數(shù)與長(zhǎng)時(shí)間工作負(fù)載乘以加權(quán)系數(shù)之和。因此需要校核發(fā)電機(jī)在該情況下是否能滿足整車怠速時(shí)的電流需求，如圖2中點(diǎn)A所示。因此發(fā)電機(jī)輸出能力需滿足兩個(gè)條件：(1)其怠速電流輸出滿足整車怠速時(shí)電流需求。(2)滿足電平衡計(jì)算，如公式(3)。由于DC/DC輸出電流與發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)關(guān)，所以DC/DC額定電流輸出僅需根據(jù)公式(3)確定。

Imax=∑ICONT+(15%～20%)×∑ICONT

(3)

式中：∑ICONT為負(fù)載電流，A；Imax為最大額定輸出電流，A。

圖2 發(fā)電機(jī)輸出電流與轉(zhuǎn)速特性曲線(28 V @ 25 ℃)

2 新能源車電源系統(tǒng)應(yīng)用

某PHEV電源配電在其傳統(tǒng)車電源配電基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以滿足新增低壓電氣部件配電及行車中啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)防止電壓跌落的要求。

2.1 輸入條件影響分析

根據(jù)各專業(yè)的輸入條件，電源系統(tǒng)方案需具備以下功能：(1)防止起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓跌落。(2)重新定義與啟動(dòng)相關(guān)的IG電源分配。(3)重新開發(fā)新二號(hào)配電盒，集成原車二號(hào)配電盒配電與新增電氣部件配電功能。(4)重新開發(fā)五號(hào)配電盒，具備前部電源分配功能。(5)增加起動(dòng)機(jī)電源線與前部電源配電線長(zhǎng)度，需布置于車底板下。

2.2 原車電源系統(tǒng)

某傳統(tǒng)車低壓電源配電簡(jiǎn)圖如圖3所示，采用4個(gè)配電盒實(shí)現(xiàn)整車電源配電。

圖3 某新能源車電源系統(tǒng)原理

2.3 某PHEV電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PHEV采用以下配電方案：一號(hào)配電盒不進(jìn)行任何變動(dòng)；取消原二號(hào)配電盒，集成原二號(hào)配電盒配電功能及新增電源配電功能為新二號(hào)配電盒；三號(hào)配電盒其配電功能進(jìn)行局部調(diào)整；取消四號(hào)配電盒EHPS配電功能；增加五號(hào)配電盒，該配電盒集成風(fēng)扇繼電器盒功能、EHPS配電功能、一號(hào)配電盒配電功能。系統(tǒng)配電原理如圖4所示。

新二號(hào)配電盒布置于后備箱左側(cè)，該配電盒集成原配電盒配電功能及新增總成部件配電功能，配電盒結(jié)構(gòu)如圖5所示。該配電盒采用2個(gè)銅排及AMG的200 A熔斷器，以實(shí)現(xiàn)電源分配功能。二號(hào)配電盒的五號(hào)配電盒接口實(shí)現(xiàn)整車前部配電；DC/DC接口可實(shí)現(xiàn)DC/DC為整車電源配電功能；AMG的200 A熔斷器具有防電流沖擊功能，可通過DC/DC補(bǔ)償起動(dòng)機(jī)工作時(shí)的大電流，防止整車電壓跌落。銅排可滿足200 A電流通過。

圖4 某PHEV電源系統(tǒng)原理

圖5 二號(hào)配電盒簡(jiǎn)圖

采用原車四號(hào)配電盒，取消其EHPS配電功能，四號(hào)配電盒為二號(hào)配電盒配電及起動(dòng)機(jī)配電，原理如圖6所示。

圖6 四號(hào)配電盒簡(jiǎn)圖

五號(hào)配電盒結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 五號(hào)配電盒簡(jiǎn)圖

五號(hào)配電盒由一個(gè)風(fēng)扇繼電器、一個(gè)100 A熔斷器、一個(gè)150 A熔斷器及一個(gè)銅排組成。銅排實(shí)現(xiàn)前部電流分配功能，100 A熔斷器為EHPS配電，150 A熔斷器為一號(hào)配電盒配電，風(fēng)扇繼電器是原車風(fēng)扇繼電器。該配電盒為改進(jìn)車型預(yù)留一個(gè)接口。

2.4 供電模式的重新劃分

起動(dòng)機(jī)工作時(shí)將關(guān)閉不需要工作的電源，因此將部分IG2電源移至ACC，如圖8所示。

圖8 供電模式重新劃分

2.5 確定蓄電池容量及DC/DC額定輸出電流

整車借用原車75 A·h鉛酸蓄電池可滿足起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及靜態(tài)電流要求，通過計(jì)算PHEV采用DC/DC額定輸出電流120 A可滿足要求。

2.6 起動(dòng)機(jī)回路的設(shè)計(jì)

對(duì)起動(dòng)機(jī)回路進(jìn)行了兩種方案論證，最終采用方案二，其具體分析如表1所示。

表1 起動(dòng)機(jī)電源方案分析

3 結(jié)論

通過新能源車電源系統(tǒng)分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)新能源車取消起動(dòng)機(jī)或?qū)⑵饎?dòng)機(jī)作為備用起動(dòng)機(jī)，起動(dòng)機(jī)功能的轉(zhuǎn)變從根本上改變了電源系統(tǒng)。

(2)鉛酸蓄電池功能及布置位置的變化，影響了線束布置及蓄電池容量計(jì)算方法。

(3)DC/DC電流輸出特性優(yōu)于發(fā)電機(jī)，改善了整車設(shè)備用電環(huán)境。

(4)新能源車燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作瞬間可保證采用IG2、ACC擋供電設(shè)備處于供電狀態(tài)，即新能源車的舒適度比傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)車高。

通過新能源車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以積累相關(guān)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，為日后新能源車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。