純電動汽車電平衡計(jì)算

2019-05-07 06:20:30王景松孫李璠張?jiān)铝?/span>

汽車電器 2019年4期

王景松，孫李璠，孫強(qiáng)，張?jiān)铝?/p>

（1.鄭州比克新能源汽車有限公司，河南鄭州 451450；2.海馬新能源汽車有限公司，河南鄭州 451450）

純電動汽車電平衡計(jì)算包括整車電平衡計(jì)算、蓄電池選型計(jì)算、熔斷絲選擇計(jì)算、導(dǎo)線線徑的選擇。上述的相關(guān)參數(shù)是作為整車選擇DC／DC、蓄電池、熔斷絲以及繪制整車電氣原理圖、2D線束圖的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 電能平衡計(jì)算

1.1 用電負(fù)荷概述

汽車用電負(fù)荷是進(jìn)行DC／DC（直流變換器）選型的重要依據(jù)，汽車上配置的所有電器設(shè)備一般不會在同一時(shí)間全部都投入工作，并且許多用電設(shè)備的工作時(shí)間、工作時(shí)間長短，主要取決于季節(jié)與環(huán)境的變化。

一般來說汽車在行駛中幾種較為典型的用電工況大致可分為：平常日間、冬季日間、夏季日間、夏季夜間、平常夜間、冬季夜間、冬季雪夜和夏季雨夜。

上述用電情況中，夏季雨夜為整車用電負(fù)荷最大的工況，因此在選擇DC／DC（直流變換器）時(shí)，應(yīng)確保其額定輸出電流大于夏季雨夜工況下的整車用電負(fù)荷。

1.2 電能平衡計(jì)算

整車用電設(shè)備可分為連續(xù)工作制、短時(shí)工作制、隨機(jī)工作制3種。

1）連續(xù)工作制使用頻度系數(shù)為100%。

2）短時(shí)工作制根據(jù)具體工況而定（在夏季雨夜的工況下：近光燈、小燈、前雨刮、空調(diào)系統(tǒng)等的使用頻度系數(shù)為100%）。

3）隨機(jī)工作制根據(jù)工況而定（國家無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）。

整車常用用電設(shè)備的工作電流、使用頻率系數(shù) （夏季雨夜）統(tǒng)計(jì)見表1（注：頻度系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值）。

根據(jù)整車電氣系統(tǒng)常用電器設(shè)備的工作電流及使用頻率系數(shù)統(tǒng)計(jì)表計(jì)算出整車在夏季雨夜工況下的整車用電負(fù)荷見表2。

2 DC／DC及蓄電池的選擇

2.1 DC／DC匹配計(jì)算

DC／DC變換器，即直流變換器；與傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)電機(jī)作用相似，是將高壓動力電池電壓轉(zhuǎn)換為14 V低壓，為整車附屬電器設(shè)備（車燈、儀表燈）提供電能。根據(jù)計(jì)算公式（P=UI），在極端工況下用電器的總功率約為1.47 kW，但為在各工況下DC／DC變換器都能滿足各用電器需求，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0.1，因而DC／DC變換器的輸出功率（Ps／kW）為：

考慮到將來可能增加一兩個(gè)低壓電器部件并結(jié)合目前市場現(xiàn)有產(chǎn)品等綜合因素，DC／DC變換器輸出功率定為2.0 kW。

2.2 蓄電池匹配計(jì)算

傳統(tǒng)燃油車中蓄電池?fù)?dān)負(fù)著起動機(jī)的大功率負(fù)荷，而電動汽車用鉛酸蓄電池只需滿足汽車運(yùn)行前控制器和高壓控制系統(tǒng)供電即可。所以，在選擇蓄電池的容量（Q／Ah）時(shí)，只需根據(jù)以下方法對Q進(jìn)行計(jì)算即可。

表1 工作電流、使用頻率系數(shù) （夏季雨夜）統(tǒng)計(jì)表

表2 整車用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

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）全車在正常情況下（考慮自放電）的整車靜電流不超過30 mA。

3）初步設(shè)計(jì)的停放時(shí)間（T）為30天，即720 h，汽車應(yīng)能正常啟動。

根據(jù)以上條件，由公式T=Q×60%／0.03 A=720 h，可計(jì)算出Q=36 Ah。

考慮到產(chǎn)品供應(yīng)綜合因素，選擇駱駝牌全免維護(hù)鉛酸蓄電池，容量為45 Ah。

3 熔斷絲的匹配及導(dǎo)線線徑選擇

通過對熔斷絲、導(dǎo)線對應(yīng)的負(fù)荷進(jìn)行分析，計(jì)算出對應(yīng)熔斷絲的容量、導(dǎo)線的線徑，來進(jìn)行電氣原理圖的設(shè)計(jì)和線束圖的制作。

3.1 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

3.1.1 連續(xù)負(fù)荷熔斷絲

連續(xù)負(fù)荷是指在特定條件下進(jìn)行連續(xù)通電的負(fù)荷。對于連續(xù)負(fù)荷的熔斷絲有以下計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Ifuse——計(jì)算所得的熔斷絲電流，熔斷絲選型時(shí)，將小數(shù)位全部進(jìn)位為整數(shù)，以確保安全；Iload——負(fù)載的電流；a——熔斷絲負(fù)荷率，依經(jīng)驗(yàn)取75%，但也要視情況而定，對于長時(shí)間工作的發(fā)熱電器件和高溫環(huán)境下的工作元器件取60%；K——環(huán)境溫度折算系數(shù)，可根據(jù)查表（表3）得知。

3.1.2 間斷負(fù)荷熔斷絲

間斷負(fù)荷是指動作時(shí)間短或斷斷續(xù)續(xù)通電的負(fù)荷。由于間斷負(fù)荷很少單獨(dú)配熔斷絲，對于連有間斷負(fù)荷的熔斷絲有以下計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Ifuse——計(jì)算所得的熔斷絲電流，熔斷絲計(jì)算時(shí)，將小數(shù)位全部進(jìn)位為整數(shù)，以確保安全；Iload——負(fù)載的電流；I1——連續(xù)負(fù)荷；I2——間斷負(fù)荷；a——熔斷絲負(fù)荷率，依經(jīng)驗(yàn)取90%，但也要視具體情況而定。

表3 環(huán)境溫度折算系數(shù)表

3.1.3 導(dǎo)線線徑

1）線束的設(shè)計(jì)是依據(jù)其上游的熔斷絲而設(shè)計(jì)的，線徑極限電流值必須大于其上游熔斷絲的值。導(dǎo)線截面積計(jì)算公式如下：

式中：A——電線的截面積，mm2；I——用電器額定電流，A；ρ——銅電阻率（約為0.018 5 Ω×mm2／m）；L——導(dǎo)線長度，m；Ud——允許最大電壓降損失。

根據(jù)選定的線徑極限電流值對照日標(biāo)的參數(shù)表可查出對應(yīng)的導(dǎo)線線徑。

2）一般采用經(jīng)驗(yàn)公式：I=（A×10+8）／2

式中：A——電線的截面積，mm2；I——導(dǎo)線通過電流，A。

3.2 快熔熔斷絲與慢熔熔斷絲的選擇

熔斷絲應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮：系統(tǒng)電壓等級、工作溫度、工作電流、負(fù)載類型、空間要求等。

1）系統(tǒng)電壓等級：系統(tǒng)電壓是12 V或24 V。

2）工作溫度：熔斷絲都有溫度降級特性，選擇熔斷絲時(shí)需考慮其工作環(huán)境是位于前艙還是駕駛艙。

3）工作電流：在正常工作情況下，熔斷絲必須能夠持續(xù)承載負(fù)載工作需要的電流而不會熔斷。

4）負(fù)載類型：汽車上的負(fù)載分為電阻性負(fù)載、容性負(fù)載和感性負(fù)載3類。①電阻性負(fù)載主要是一些加熱裝置，例如后窗除霧、座椅加熱、空氣或水溫預(yù)熱等；②容性負(fù)載包括燈類（前照燈、霧燈、轉(zhuǎn)向燈、小燈）和控制模塊里的濾波電容器等；③感性負(fù)載有電磁閥類、電機(jī)類和泵類，例如選換擋電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)、天窗電機(jī)、電動后視鏡折疊電機(jī)、調(diào)節(jié)電機(jī)、刮水電機(jī)、門鎖電機(jī)、背門鎖電機(jī)、洗滌電機(jī)、座椅電機(jī)、EPB執(zhí)行電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等。

3類負(fù)載主要區(qū)別如下：①感性負(fù)載：電流滯后于電壓；②容性負(fù)載：電流超前于電壓；③阻性負(fù)載：電流電壓同相位。

3.3 熔斷絲的應(yīng)用

依據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，熔斷絲的應(yīng)用概括如下。

1）對于小電流負(fù)載、短時(shí)間脈沖電流負(fù)載，一般選用MINI熔斷絲。通常用在各種外部燈和室內(nèi)照明，喇叭，各種控制模塊的常電、IG1電、ACC電，控制系統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行器，點(diǎn)煙器，外部電源等。

2）對于大電流負(fù)載、長時(shí)間脈沖電流負(fù)載、堵轉(zhuǎn)電流負(fù)載，一般選用慢熔熔斷器。通常用在上游熔斷絲，點(diǎn)火開關(guān)輸入電，冷卻風(fēng)扇，ABS模塊，鼓風(fēng)機(jī)，刮水，電動窗，天窗電機(jī)，電動座椅，門鎖電機(jī)，EPB執(zhí)行電機(jī) （一般由控制器供電）等。

快熔與慢熔熔斷絲示意圖見圖1。