基于純電車型的電平衡試驗(yàn)方法淺析

孫 坤，劉鐵山，沈曉青

（寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司 路特斯項(xiàng)目研究院，浙江 寧波 315336）

目前，整車電平衡研究在汽車行業(yè)里已經(jīng)非常成熟，基本在每個(gè)企業(yè)里都有電平衡性能管理團(tuán)隊(duì)，電平衡的標(biāo)準(zhǔn)也比較系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)電平衡的研究主要分為兩個(gè)工況：冬季工況和夏季工況［1］。因?yàn)檫@是由國(guó)內(nèi)的氣候條件決定的，冬季及夏季是主要的氣候條件，也是汽車運(yùn)行的主要?dú)夂驐l件，這對(duì)于主要面對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的車型沒有問題，但是對(duì)于面向全球的汽車企業(yè)來說還不夠，還需要考慮其他典型工況，比如：中東干熱工況、熱帶濕熱工況、極地寒帶工況，及用戶在這些典型工況下使用電器的情況。國(guó)際上面向全球的車企對(duì)電平衡的研究都會(huì)考慮其銷售市場(chǎng)的氣候情況和客戶的使用習(xí)慣問題，對(duì)這些市場(chǎng)的車型進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，對(duì)于電平衡性能也一樣。

當(dāng)前對(duì)電平衡試驗(yàn)方法的研究主要集中在常規(guī)燃油車方面，因?yàn)閺钠嚦霈F(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)100多年的歷史，基本都是使用燃油驅(qū)動(dòng)，所以一直以來燃油車的電平衡研究一直是汽車電器人研究的重點(diǎn)方向。隨著新能源汽車的興起，對(duì)于新能源電平衡的要求也需要與時(shí)俱進(jìn)，本文基于電平衡研究的現(xiàn)狀，對(duì)純電車型電平衡試驗(yàn)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。當(dāng)然，純電車型電平衡試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)還是常規(guī)電平衡，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行引申、擴(kuò)展并發(fā)展成一個(gè)能獨(dú)立進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。

1 電平衡的定義

1.1 什么是電平衡

電平衡是研究發(fā)電/變電裝置 （DCDC）、低壓蓄電池、耗電設(shè)備之間的匹配程度，用于確認(rèn)理論計(jì)算的電平衡與實(shí)際電平衡的吻合程度，還用于改進(jìn)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)整電池電量繁余，優(yōu)化整車電氣性能。

1.2 電平衡試驗(yàn)方法

電平衡試驗(yàn)包括實(shí)車環(huán)境路試和環(huán)境艙里轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行的測(cè)試。兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

1）實(shí)際環(huán)境路試能模擬客戶的實(shí)際使用情況，是最接近實(shí)際用電平衡的情況，但是模擬環(huán)境變化較難控制，如溫度、濕度、光照等都影響到用電器的開啟，均對(duì)電平衡有影響。

2）模擬環(huán)境艙里轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行試驗(yàn)，環(huán)境條件較好控制，根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)程序進(jìn)行，能科學(xué)地模擬用戶的使用習(xí)慣，缺點(diǎn)是與實(shí)際使用情況有差別。

為了對(duì)比和試驗(yàn)的便利性，我們選擇在環(huán)境艙里模擬工況進(jìn)行試驗(yàn)方法的研究。

當(dāng)然，如果條件允許，首先需要進(jìn)行電平衡虛擬仿真分析，輸入電平衡試驗(yàn)的條件和參數(shù)，虛擬驗(yàn)證電平衡試驗(yàn)結(jié)果，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，更好地驗(yàn)證整車電平衡性能。

2 影響純電車型電平衡的因素

與燃油車不同，純電車型有自己特殊的電氣系統(tǒng)，所以影響電平衡的因素也有區(qū)別。

首先，純電車型沒有發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)，沒有啟動(dòng)工況，所以電池容量一般選擇得比較小，只要滿足基本的電器屬性要求即可。由于以上原因，純電車型用DCDC代替了發(fā)電機(jī)的功能，通過DCDC把整車高壓動(dòng)力電池的電能轉(zhuǎn)化成低壓，為全車用電器供電的同時(shí)為低壓蓄電池充電。純電車型電氣系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 純電車型電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

所以影響純電車型電平衡的因素就不再是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)功率等，而是DCDC功率、DCDC特性和算法、高壓電池電壓、充電邏輯、低壓蓄電池容量及電壓等。

1）純電車型在高溫和低溫下的特性與常規(guī)車型有差別，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)特性受到溫度的影響較明顯，而動(dòng)力電池及DCDC受溫度的影響較小。

2）負(fù)載對(duì)電平衡的影響，燃油車的用電器負(fù)載均為低壓蓄電池供電，包括ECM、空調(diào)、EPAS等，但是在純電車型中空調(diào)為高壓部件，由動(dòng)力電池供電，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)電控部分，改為BECM等電池控制器。

3）蓄電池選型對(duì)電平衡的影響，常規(guī)車蓄電池選型主要考慮啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、冷啟動(dòng)、靜態(tài)電流要求等需求，所以一般選擇較大容量的鉛酸蓄電池，而純電車型沒有啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)需求，同時(shí)由于輕量化的現(xiàn)實(shí)需要，一般選擇質(zhì)量和體積較小的鋰電池，因?yàn)闆]有大容量需求，所以鋰電池的容量也較小。

4）其他影響電平衡的因素還包括車輛駕駛響應(yīng)速度，純電車型與常規(guī)車型的在變速器、擋位、電機(jī)上的差別也會(huì)影響電平衡的結(jié)果。

3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備與常規(guī)測(cè)試區(qū)別不大，主要有數(shù)據(jù)記錄儀、總線測(cè)試儀器、電壓電流傳感器和溫度傳感器等。

需要注意的是需要監(jiān)控動(dòng)力電池的電壓和電流情況，另外，為了提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，建議電流測(cè)量的時(shí)候選擇分流器測(cè)量，分流器適配電阻建議在1mΩ。

測(cè)試對(duì)象建議選用同等級(jí)別里的高配車型，這樣用電器的總耗電多，能更接近惡劣情況。

4 負(fù)載開啟情況

對(duì)于純電車型，負(fù)載的開啟情況分為兩部分，一是長(zhǎng)時(shí)負(fù)載，包括車輛運(yùn)行時(shí)默認(rèn)開啟的負(fù)載，如車輛上電之后直接運(yùn)行的負(fù)載 （如CEM、儀表、日行燈等）、車輛行駛時(shí)的負(fù)載 （如主動(dòng)懸架、EPS、ABS/ESP、A/T等）。二是短時(shí)負(fù)載，這種情況需要按照實(shí)際需要打開，具體情況可以參考表1。

對(duì)于在轉(zhuǎn)轂上無法實(shí)現(xiàn)的負(fù)載，需要外加電子負(fù)載進(jìn)行模擬，方式由設(shè)計(jì)人員提供。

5 試驗(yàn)工況

如果車輛只在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售，則只需要考慮常規(guī)高溫工況和低溫工況即可，即在測(cè)試的時(shí)候只需要設(shè)置環(huán)境溫濕度模擬，見表2。

如果車輛為全球車型，則需要考慮具體的銷售市場(chǎng)環(huán)境要求，為滿足各種使用環(huán)境，推薦測(cè)試環(huán)境模擬工況，參考表3。

6 試驗(yàn)步驟

6.1 常規(guī)測(cè)試工況

1）試驗(yàn)開始前需選擇車輛最耗電模式，如sport模式，將車輛置于試驗(yàn)環(huán)境下。

2）開始數(shù)據(jù)記錄儀、總線測(cè)試儀。

3）5min，準(zhǔn)備狀態(tài)，靜止不動(dòng)。

4）4分鐘45秒，時(shí)速50km。

5）15s緩慢制動(dòng)，靠邊停車 （將方向盤打至最右/最左）。

6）1min，準(zhǔn)備狀態(tài)。

7）從路邊駛出15s內(nèi)加速到50km/h（將方向盤打至最右/最左）。

8）30s，時(shí)速50km。

9）15s緩慢制動(dòng)，然后靠邊停車 （將方向盤打至最右/最左）。

10）轉(zhuǎn)到第6步，循環(huán)重復(fù)25次，總運(yùn)行時(shí)間為60min。

11）關(guān)閉。

12）60min測(cè)試之后，靜置車輛60min，鎖車、設(shè)防?？倻y(cè)試時(shí)間為2h。

注①：以上靜止模式需要D擋踩制動(dòng)。

注②：夏季：內(nèi)部環(huán)境系統(tǒng)為自動(dòng)+22℃。手動(dòng)控制風(fēng)扇在前9分鐘45秒以100%的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，若有座椅通風(fēng)則在整個(gè)測(cè)試過程中全開。若有后排空調(diào)出風(fēng)口則測(cè)試過程中全開。

冬季：先除霜工作10min，然后設(shè)置自動(dòng)+22℃。風(fēng)窗加熱和玻璃除霜*）（*）表示僅在寒冷條件下測(cè)試時(shí)使用）。電動(dòng)外后視鏡加熱*）。電動(dòng)座椅加熱*）。音響系統(tǒng)：正常音量。制動(dòng)燈：駐車時(shí)開啟。可能影響電平衡的其他系統(tǒng)。

表1 負(fù)載開啟表

表2 國(guó)內(nèi)車型電平衡工況

表3 全球車電平衡模擬工況

車輛上電后，應(yīng)手動(dòng)盡快打開影響電負(fù)載的系統(tǒng)。

下電后，汽車閉鎖并激活報(bào)警系統(tǒng)，并繼續(xù)記錄1h。

6.2 最大負(fù)載工況

最大負(fù)載工況主要模擬用戶在車輛使用過程中，除了車輛本身的電器外，另外添加外置用電器，如：車載電冰箱、車載熱水器、車載充氣泵等 （主要考慮從低壓取電的情況，不包括直接從高壓取電的情況）。這里主要考察車輛增加電器負(fù)載的余量，為了滿足用戶大部分的用電需求，建議最大外接負(fù)載為50A。試驗(yàn)后的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)建議從以下兩個(gè)方向考慮：一是在試驗(yàn)過程中，低壓蓄電池是否放電，即蓄電池SOC是否是上升趨勢(shì)；二是蓄電池的電壓是否是上升趨勢(shì)，如果是上升趨勢(shì)則表明蓄電池是充電狀態(tài)，說明最大負(fù)載測(cè)試是可以接受的。

7 試驗(yàn)結(jié)果判定

試驗(yàn)開始30min后，低壓蓄電池處于充電狀態(tài)，且試驗(yàn)結(jié)束后蓄電池容量比試驗(yàn)開始狀態(tài)增加15%（溫暖/熱態(tài)）或2%（冷態(tài)），則電平衡性能可判定通過。在循環(huán)工況的最后30min內(nèi)，電池狀態(tài)也應(yīng)呈充電趨勢(shì)。

在試驗(yàn)結(jié)果判定的時(shí)候需要同時(shí)考慮非常規(guī)電池的SOC特性，以及純電動(dòng)車低壓蓄電池的工作特性影響，如鋰電池正常充電無法到達(dá)SOC100%的情況等。這時(shí)就需要適當(dāng)降低初始低壓蓄電池的SOC值。

8 數(shù)據(jù)分析示例

圖2為-20℃下的電平衡波形，由波形可以看出，在測(cè)試的第30~60min內(nèi)，SOC是上升的趨勢(shì)，電平衡測(cè)試合格。

9 結(jié)論

純電車型的電平衡測(cè)試可以考察理論計(jì)算的電平衡與實(shí)際電平衡的吻合程度，也可以考察各個(gè)工況下車輛的電平衡符合情況，對(duì)后繼車型電平衡性能的開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。

圖2 -20℃下的電平衡波形