新能源汽車電源系統研究及應用

聞俊杰，白國軍

(廣東省珠海市質量計量監督檢測所，廣東廣州 519000)

0 引言

全球能源及環境問題日益突出：一方面石油資源作為不可再生資源日益緊缺；另一方面傳統的燃油發動機車輛廢氣排放對空氣造成嚴重污染。為此替代燃油發動機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，目前最有實用性價值并已有商業化模式的為新能源車。

新能源車同時裝備熱動力源(傳統的汽油機或者柴油機)與電動力源(高壓電池與高壓電動機)，其燃油發動機工作模式發生了革新。因此需分析新能源車低壓電源配電與傳統燃油發動機車輛的低壓電源配電系統的不同，根據其特點進行電源配電設計[1]。

汽車電氣系統主要由儲能器(蓄電池)、能量轉換器(發電機、DC/DC)和用電器(儀器、裝置等)組成[2]。由于燃油發動機工作模式發生了革新，新能源車電源系統應根據其自身特點進行設計。通過對新能源車低壓電源配電系統研究，形成科學的設計方案，規避設計缺陷，縮短設計周期，提高設計質量。

新能源車的儲能器(蓄電池)、能量轉換器(發電機、DC/DC)以及起動機功能相對于傳統燃油發動機車有了變化，因此電源系統參數的確定需根據新能源車的特點進行計算。新能源車與傳統燃油發動機車的不同體現在以下幾點：

(1)傳統燃油發動機車采用起動機起動燃油發動機，新能源車取消12 V起動機或將12 V起動機作為備用。

(2)傳統燃油發動機車輛的蓄電池主要作用是給起動系統提供電源、吸收瞬變過電壓及在發電機不工作時為輔助用電器供電。新能源車蓄電池不為起動系統提供電源或起動瞬間其能量全部用于起動機。

(3)發電機輸出電流能力與發動機轉速有關，且發動機起動瞬間無法為整車提供電源，新能源車裝備的DC/DC能輸出的電流與發動機無關，且DC/DC的效率高于發電機效率。

根據新能源車的以上特點，本文作者從新能源車蓄電池容量計算[3]、電源系統設計、供電模式的劃分、DC/DC額定電流確定等幾個方面進行分析，得出新能源車電源系統計算方法，并將其成果應用于某新能源車電源配電系統設計中。

1 新能源車電源系統研究

1.1 輔助起動機對整車低壓電源配電的影響

輔助起動機是整車低壓電源配電設計的關鍵因素。目前新能源車可分為有輔助起動機與無輔助起動機2種類型。

奧迪Q5新能源車采用了輔助起動機，該輔助起動機只在特定情況下用于起動內燃機。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構成。當IG1電接通時，繼電器2閉合，備用蓄電池A1接入整車配電網絡進行充電；當輔助起動機工作時，蓄電池A由發動機控制單元通過繼電器1與車載供電網斷開，其全部能量用于起動發動機。斷開后的車載電網由備用蓄電池A1與DC/DC變壓器供電。奧迪A8也裝備了輔助起動機，其配電方案與奧迪Q5新能源類似，起動蓄電池采用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原理

普銳斯不裝備輔助起動機，采用動力電機起動燃油發動機。由于不存在起動機起動瞬間電壓跌落的問題，因此其整車車載電網由一個蓄電池和DC/DC為其供電。

1.2 供電模式的劃分

傳統燃油發動機車輛用電器的供電模式有以下幾種：(1)蓄電池、發電機直接供電。(2)通過點火開關IG1擋供電。(3)通過點火開關IG2擋供電。(4)ACC擋供電。(5)點火開關START擋供電。由于發動機起動瞬間發電機沒有工作，整車僅由蓄電池供電，因此IG2與ACC擋供電設備在發動機起動瞬間處于斷電狀態。

無輔助起動機的新能源車采用動力電機起動發動機，由于無起動機工作的模式并且IG擋供電時DC/DC已開始為整車供電，因此采用IG2與ACC擋供電的電氣設備可以在發動機起動瞬間處于供電狀態。裝備12 V輔助起動機的新能源車若采用雙蓄電池供電模式，當采用起動機起動燃油發動機時，主蓄電池與備用蓄電池斷開，主蓄電池全部能量用于起動機，備用蓄電池與DC/DC為整車供電。由于整車用電設備用電電壓不受起動機工作的影響，因此采用IG2與ACC擋供電的電氣設備可以在發動機起動瞬間處于供電狀態。

由于新能源車燃油發動機工作瞬間可保證采用IG2、ACC擋供電，設備處于供電狀態，則新能源車的舒適度比傳統燃油發動機車高。

1.3 蓄電池容量確定

傳統燃油發動機車輛的蓄電池主要作用是給起動系統提供電源、吸收瞬變過電壓及在發電機不工作時為輔助用電器供電[4]。因此蓄電池容量受2個因素影響：(1)起動機的功率；(2)整車靜態電流。

根據起動機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；g為蓄電池短路系數；U為蓄電池額定電壓，V；k為系數；P為起動機功率，kW。

為了保證車輛在放置一段時間內能正常發動，需根據整車靜態電流校驗依據起動機計算的蓄電池容量是否合適。整車電氣系統設計時，蓄電池容量按照計算公式(2)進行校驗，若蓄電池容量不滿足式(2)，可根據蓄電池容量C(A·h)對整車靜態電流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輔助起動機，則其蓄電池容量的確定方法與傳統燃油發動機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生了變化，其作用是吸收瞬變過電壓及在DC/DC不工作時為輔助用電器供電，蓄電池的容量僅與整車靜態電流有關。公式(2)是根據蓄電池能保證起動機正常工作確定的，所以公式中的系數0.5需要根據蓄電池的特性進行修訂，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發生了變化，需要分析其特點計算蓄電池容量。

1.4 DC/DC額定電流的確定

傳統燃油發動機車裝備的發電機，在汽車正常運行時，能保證向除起動機之外的所有用電設備供電，還能保證給蓄電池充電。發電機的電流輸出能力受限于發動機轉速、機艙溫度，但是發電機的電流輸出效率低。DC/DC與發電機相比，電流輸出能力與發動機轉速無關且效率遠高于發電機，因此DC/DC的電流輸出特性優于發電機。

通過電平衡計算確定發電機與DC/DC額定輸出電流。整車電氣系統電平衡是考核DC/DC(或發電機)、蓄電池以及用電設備之間匹配設計合理性的主要方法與手段，保證DC/DC在滿足用電設備使用的同時還要為蓄電池充電。根據負載實際使用的時間長短將負載分為3類：(1)連續工作負載，如儀表、發動機ECU等。(2)長時間工作負載，如燈光、暖風電機等。(3)短時間工作負載，如轉向燈等。在計算電平衡時，首先確定負載的加權系數，然后用加權系數對負載電流進行等價修正，結果作為負載的實際電流進行電平衡計算。

發動機怠速時發電機輸出電流能力小，怠速時整車電流需求為連續工作負載乘以加權系數與長時間工作負載乘以加權系數之和。因此需要校核發電機在該情況下是否能滿足整車怠速時的電流需求，如圖2中點A所示。因此發電機輸出能力需滿足兩個條件：(1)其怠速電流輸出滿足整車怠速時電流需求。(2)滿足電平衡計算，如公式(3)。由于DC/DC輸出電流與發動機無關，所以DC/DC額定電流輸出僅需根據公式(3)確定。

Imax=∑ICONT+(15%～20%)×∑ICONT

(3)

式中：∑ICONT為負載電流，A；Imax為最大額定輸出電流，A。

圖2 發電機輸出電流與轉速特性曲線(28 V @ 25 ℃)

2 新能源車電源系統應用

某PHEV電源配電在其傳統車電源配電基礎上進行改進設計，以滿足新增低壓電氣部件配電及行車中啟動起動機防止電壓跌落的要求。

2.1 輸入條件影響分析

根據各專業的輸入條件，電源系統方案需具備以下功能：(1)防止起動機啟動時電壓跌落。(2)重新定義與啟動相關的IG電源分配。(3)重新開發新二號配電盒，集成原車二號配電盒配電與新增電氣部件配電功能。(4)重新開發五號配電盒，具備前部電源分配功能。(5)增加起動機電源線與前部電源配電線長度，需布置于車底板下。

2.2 原車電源系統

某傳統車低壓電源配電簡圖如圖3所示，采用4個配電盒實現整車電源配電。

圖3 某新能源車電源系統原理

2.3 某PHEV電源系統設計

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

新二號配電盒布置于后備箱左側，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，配電盒結構如圖5所示。該配電盒采用2個銅排及AMG的200 A熔斷器，以實現電源分配功能。二號配電盒的五號配電盒接口實現整車前部配電；DC/DC接口可實現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補償起動機工作時的大電流，防止整車電壓跌落。銅排可滿足200 A電流通過。

圖4 某PHEV電源系統原理

圖5 二號配電盒簡圖

采用原車四號配電盒，取消其EHPS配電功能，四號配電盒為二號配電盒配電及起動機配電，原理如圖6所示。

圖6 四號配電盒簡圖

五號配電盒結構如圖7所示。

圖7 五號配電盒簡圖

五號配電盒由一個風扇繼電器、一個100 A熔斷器、一個150 A熔斷器及一個銅排組成。銅排實現前部電流分配功能，100 A熔斷器為EHPS配電，150 A熔斷器為一號配電盒配電，風扇繼電器是原車風扇繼電器。該配電盒為改進車型預留一個接口。

2.4 供電模式的重新劃分

起動機工作時將關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機啟動及靜態電流要求，通過計算PHEV采用DC/DC額定輸出電流120 A可滿足要求。

2.6 起動機回路的設計

對起動機回路進行了兩種方案論證，最終采用方案二，其具體分析如表1所示。

表1 起動機電源方案分析

3 結論

通過新能源車電源系統分析，可以得出以下結論：

(1)新能源車取消起動機或將起動機作為備用起動機，起動機功能的轉變從根本上改變了電源系統。

(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算方法。

(3)DC/DC電流輸出特性優于發電機，改善了整車設備用電環境。

(4)新能源車燃油發動機工作瞬間可保證采用IG2、ACC擋供電設備處于供電狀態，即新能源車的舒適度比傳統燃油發動機車高。

通過新能源車電源系統設計，可以積累相關設計的經驗，為日后新能源車電源系統設計奠定基礎。