純電動客車動力電池匹配及試驗

摘 要：動力電池是整車性能的重要影響因素，本文針對純電動城市客車動力電池主要能量參數(shù)進行了計算，并予以匹配及設(shè)計，其后對電池性能進行了實車道路試驗，分析試驗結(jié)果，驗證匹配的合理性。

關(guān)鍵詞：純電動客車 動力電池 匹配 試驗

隨著當(dāng)前環(huán)境污染與能源短缺問題的日益突出，世界各國著名汽車廠商都在研制各種類型的電動汽車，并且取得了很大的進展和突破。我國通過一系列重大科技專項的制定實施，促使電動汽車技術(shù)蓬勃發(fā)展，其自主研發(fā)的電動汽車關(guān)鍵裝置或整車技術(shù)，尤其是純電動客車技術(shù)更是取得了長足的進步。

動力電池是純電動車關(guān)鍵技術(shù)裝備，決定著車輛續(xù)駛里程，直接影響整車使用性能，因此電動車輛動力電池的合理匹配是整車性能的重要影響因素。筆者以廣州某公交公司自亞運會投入使用某款純電動客車為研究基礎(chǔ)，著眼于純電動客車動力電池匹配及設(shè)計，并通過試驗測試匹配的合理性，分析影響動力電池使用性能的因素。

一、動力電池的匹配

1.動力電池匹配方案

純電動汽車采用能量型電池，即動力電池，是純電動汽車唯一的能量源。電池參數(shù)匹配一般要滿足系統(tǒng)特別是驅(qū)動電動機的電壓等級、功率要求、最大充放電電流等多方面的因素，對于純電動車主要計算電池的能量要求。而電池容量與其功率成正比，容量越大，輸出功率越大，其功率一般均能滿足電系統(tǒng)要求，匹配時主要考慮電池能量的要求，以滿足車輛續(xù)駛里程。續(xù)駛里程是電動汽車動力電池組完全充滿電能夠行駛的最大里程數(shù)。

2.動力電池參數(shù)計算

（1）動力電池額定電壓的確定。電池電壓的選擇應(yīng)和電動機的額定電壓相匹配，而該款電動客車所選用的是額定電壓為384V的交流感應(yīng)電動機，因此動力電池組的輸出電壓要大于384V。

（2）動力電池額定容量的計算。根據(jù)車輛日營運里程的特點，動力電池組充滿電應(yīng)保證車輛在勻速40km/h的情況下能至少連續(xù)行駛里程大于等于150km，即續(xù)駛里程為150km。

首先，計算出車輛勻速行駛要達到續(xù)駛里程所需要的能量，見公式1。

Wroad=Proad t=Proad（S/Vavg） （1）

式中：

Wroad——汽車能行駛的最大里程所需要的能量（kW·h）；

Proad——汽車正常行駛時所需要的驅(qū)動功率（kW）；

S——汽車能行駛的最大里程，即汽車的續(xù)駛里程（km）；

Vavg——勻速行駛的平均速度（km/h）。

當(dāng)電動汽車以勻速行駛時，其坡度阻力和加速阻力消耗的功率可忽略不計，只計算滾動阻力和空氣阻力，根據(jù)功率平衡關(guān)系得出下式：

（2）

式中：

ηt——傳動系總效率，一般取0.90；

m——車輛總質(zhì)量，為18000kg；

CD——空氣阻力系數(shù)，取0.5；

A——迎風(fēng)面積，為0.8×2.54m×3.2m=6.5m2；

f——滾動阻力系數(shù)，客車一般取0.012。

將各參數(shù)代入公式2計算得出p=29kW，考慮驅(qū)動電動機效率的影響，Proad的值為31kW。

其次，確定動力電池組實際放出的能量，見公式3。

Wess=UessCess ξsoc /1000 （3）

式中：

Wess——動力電池組實際能放出的能量（kW·h）；

Uess——動力電池組工作電壓（V）；

Cess——動力電池組的容量（Ah）；

ξsoc——動力電池組有效放電容量系數(shù)。

所謂SOC是指參加反應(yīng)的電池內(nèi)部荷電狀態(tài)的變化狀態(tài)，新的電池在充電之前的SOC為0，經(jīng)過充電后達到充滿狀態(tài)，充滿狀態(tài)時的SOC為1。電池內(nèi)部電荷狀態(tài)的變化狀態(tài)可以用SOC的百分數(shù)（%）的相對量來表示。

電池組有效放電容量系數(shù)ξsoc表示電池組不可能完全放出100%的容量，例如從開始放電時的100%放電到20%，那么該系數(shù)機為0.8。

驅(qū)動電動車輛行駛一定的里程，要滿足公式4的關(guān)系條件：

Wess≥Wroad （4）

整理（2）、（3）和（4）三個公式，可導(dǎo)出公式5。

（5）

將相關(guān)參數(shù)代入公式（5）可計算出所需的電池額定容量為349A·h。

3.動力電池匹配的結(jié)果

實際上車輛在行駛過程中所受的阻力是比較復(fù)雜的，還要考慮其他用電設(shè)備電能的需要，匹配電池的容量要比計算的容量大一些。

鋰離子電池在車輛上應(yīng)用綜合性能較好，有較大的發(fā)展?jié)摿?，是純電動汽車動力電池?yīng)用的主要方向。

因此，根據(jù)計算結(jié)果和調(diào)研市場電池類型情況，選用容量為360A·h，額定總電壓為395V的錳酸鋰電池組。

二、動力電池性能道路試驗

動力電池性能的道路測試方案是建立在純電動客車整車試驗的基礎(chǔ)上的，通過實際道路試驗，測試出動力電池的性能參數(shù)，分析出電池的實際使用性能。試驗時還需借助相應(yīng)的測試設(shè)備，按照規(guī)定的方法內(nèi)容完成主要包括整車?yán)m(xù)駛里程和能量消耗率試驗等測試內(nèi)容。

1.動力電池性能道路試驗內(nèi)容和方法

道路測試的主要目的是以電動汽車在實際工況運行時測試出動力電池的放電容量、放電特性等方面的性能。放電性能可以通過汽車能量消耗率的試驗獲得，放電容量可以直接通過電池充滿電后汽車以一定速度行駛的續(xù)駛里程來反映。

（1）試驗的環(huán)境和道路條件。在環(huán)形汽車試驗道路上進行測試，環(huán)境和道路條件均滿足《GB/T18386-2005電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》中有關(guān)環(huán)境條件的要求。試驗前，安裝在試驗車上的動力蓄電池必須在已經(jīng)使用300km以上。

（2）動力電池性能道路測試主要試驗設(shè)備。純電動客車動力電池性能道路試驗首先需要配備使用第五輪儀，在進行汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗時還需要用多功能電度表（0.2s級）來測算能量消耗。

（3）動力電池性能道路試驗的方法及過程。動力電池性能道路試驗主要測試純電動城市客車的續(xù)駛里程和能量消耗率。

在試驗前，按照《GB/T18386-2005電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》充電規(guī)程，使蓄電池達到完全充電狀態(tài)，在動力蓄電池充電結(jié)束時記錄該時刻，在此之后4h之內(nèi)開始按照規(guī)定的試驗程序進行試驗。用五輪儀記錄車輛行駛距離，并使試驗車輛加載至試驗質(zhì)量，合理分布，車上的照明、信號裝置以及輔助設(shè)備均關(guān)閉。使用等速法進行續(xù)駛里程試驗，在試驗時，純電動車輛在道路上進行（40士2）km/h等速試驗。在試驗過程中允許停車兩次，每次停車時間不允許超過兩分鐘，當(dāng)車輛的行駛速度達不到36km/h時停止試驗。記錄試驗期間試驗車輛的停車次數(shù)和停車時間。試驗結(jié)束后，記錄試驗車輛駛過的距離D，用km來表示，測量值按四舍五入圓整到整數(shù)，該距離即為等速法試驗測量的續(xù)駛里程。同時記錄用小時（h）和分鐘（min）表示的整個試驗過程所用時間，用T表示。在完成等速法續(xù)駛里程試驗后，在2小時內(nèi)將車輛與電網(wǎng)連接，按照 GB/TI8385規(guī)定的充電規(guī)程為車輛的動力蓄電池充滿電。在電網(wǎng)與車輛充電器之間連接的電度表，記錄了充電期間來自電網(wǎng)的能量E（單位：W·h），該能量則為車輛試驗的能量消耗。

能量消耗率的計算，能量消耗率C，用W·h/km表示，并圓整到整數(shù)，按公式6。

C=E/D （6）

式中：

E——充電期間來自電網(wǎng)的能量，單位為瓦·時（W·h）；

D——試驗期間行駛的總距離即續(xù)駛里程，單位為千米（km）。

（4）試驗數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果。測試數(shù)據(jù)經(jīng)整理見表1。

表1 續(xù)駛里程和能量消耗率試驗數(shù)據(jù)記錄表

測試參數(shù)測試數(shù)據(jù)

D（km）156

T（min）238

E（W·h）126378

根據(jù)試驗規(guī)程可知等速法測量的續(xù)駛里程為156km，并將表1的數(shù)據(jù)帶入公式5可得出能量消耗率為842W·h/km，另外根據(jù)公式（1）和（5）可計算出理論能量消耗率為827W·h/km。將其和目標(biāo)性能參數(shù)進行對比，見表2。

表2 續(xù)駛里程和能量消耗率試驗結(jié)果

測試項目目標(biāo)（理論）參數(shù)試驗測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

續(xù)駛里程（km）150152滿足

能量消耗率（W·h/km）827842不滿足

2.動力電池性能試驗結(jié)果分析

從表2續(xù)駛里程和能量消耗率試驗結(jié)果可以看出，續(xù)駛里程可以滿足目標(biāo)性能參數(shù)，而能量消耗率則超出了目標(biāo)參數(shù)。通過試驗測試的數(shù)據(jù)可以計算出續(xù)駛里程和能量消耗率試驗過程中車輛的平均行駛速度為39km/h，從這個數(shù)據(jù)可以看出試驗過程是符合要求的，試驗結(jié)果是可信的。

關(guān)于能量消耗率超出了目標(biāo)參數(shù)值，一方面，經(jīng)進一步檢測車輛發(fā)現(xiàn)動力電池組的溫度較高，尤其是電池的極柱溫度很高。分析可知是由于動力電池的容量較大，放電電流較大，容易發(fā)熱，產(chǎn)生了額外的熱損失，另外，觀察車輛在試驗后其電池箱因固定不牢靠產(chǎn)生松動，繼而造成電池極柱線路連接處因松動摩擦出電火花，也直接影響到極柱溫度高，以致能量消耗率超出了目標(biāo)參數(shù)值。另一方面，由于該款車的變速器只有高低兩個擋位，若在駕駛操作換擋時機掌握不佳，也會降低傳動效率。今后，在電池的總體容量或車輛的使用總功率不變的情況下，應(yīng)從動力電池組的串并聯(lián)接方式上加以改進，提高電池的放電電壓，減小放電電流，并提高安裝工藝將電池箱固定牢靠，可有效地降低工作熱損失。另外還應(yīng)配置三個以上擋位的變速器以提高傳動效率?？傊瑥臄?shù)據(jù)和分析來看，動力電池的匹配合理能適應(yīng)城市公共客運交通使用。

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（作者單位：廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院）