純電動汽車三電系統(tǒng)的高溫試驗研究

梅周盛 席文倩

漢騰汽車有限公司 江西省上饒市 334000

1 概述

新能源汽車作為汽車行業(yè)最為清潔、節(jié)能的交通代步工具，是全球汽車行業(yè)研究的熱點。在國家相關(guān)政策的鼓勵下，得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用，我國新能源汽車產(chǎn)銷量位居世界第一。近年來，我國純電動汽車發(fā)展迅猛，年產(chǎn)量增速超過60%。2018年，我國純電動乘用車產(chǎn)量為79.19萬輛，2019年，工信部發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（征求意見稿）提出，到2025年，我國新能源汽車新車銷量占比達(dá)到25%左右。當(dāng)前，我國的新能源汽車的市場仍處于由補貼、路權(quán)等扶持政策所主導(dǎo)的市場，雖然這些政策推動了市場初期的形成，但是隨著純電動汽車從初創(chuàng)期向穩(wěn)步上升階段的過渡，行業(yè)逐漸由政策拉動向市場驅(qū)動轉(zhuǎn)變，各種關(guān)鍵技術(shù)問題也亟待解決。三電系統(tǒng)是純電動車的核心系統(tǒng)，其可靠性和安全性對新能源汽車的推廣至關(guān)重要。

純電動汽車的三電系統(tǒng)是指—電池、電機、電控，其性能決定了整車性能。與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動汽車的三電系統(tǒng)對高溫環(huán)境更為敏感。車輛在高溫狀態(tài)下，電池組的放電功率、電機溫度以及電池系統(tǒng)的熱管理都會受到影響，因此，為了使三電系統(tǒng)對高溫環(huán)境有更好的適應(yīng)性，保證汽車在不同環(huán)境下的綜合性能，需要對整車在高溫工況下的各項性能進(jìn)行試驗研究，解決純電動汽車在高溫環(huán)境下的各種關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 純電動汽車的高溫試驗研究

本文對某純電動汽車在高溫環(huán)境下的可靠性和適應(yīng)性開展了相關(guān)的試驗研究，保證三電系統(tǒng)在高溫環(huán)境下可以正常穩(wěn)定的工作，從而使整車性能及相關(guān)功能要求滿足實際行車要求。

2.1 電池系統(tǒng)性能試驗研究

分別在不同的電池荷電量（SOC，State of Charge）區(qū)域行車試驗，對電池性能進(jìn)行研究。

2.1.1 高SOC區(qū)域行車的性能研究

研究電池荷電量較高時，電池進(jìn)行行車放電試驗，功率和電流的變化。電池荷電量SOC由100% 放電至90%，電池的持續(xù)放電功率、峰值放電功率以及電池電流變化正常。單體電池的最大電壓為4.159V，最小電壓為4.111V。電池管理系統(tǒng)（BMS，Battery Management System）狀態(tài)上報穩(wěn)定，行車無告警上報，SOC下降過程平穩(wěn)，功率邊界（SOP，State of Power）與之對應(yīng)變化，在SOC 95%以下有回饋電流產(chǎn)生。

2.1.2 低SOC區(qū)域行車的性能研究

車輛電量較小時行車試驗，SOC由30%放電至8%，試驗過程中，總壓由320V下降到317.8V，單體電池最大電壓3.342V，最小電壓為3.253V。BMS狀態(tài)上報穩(wěn)定，行車無告警上報，SOC下降過程平穩(wěn)，SOP與之對應(yīng)下降。

2.1.3 行車放電試驗

SOC由98%放電至8%，分別取98%～70%，40%～8%這兩段單體電池電壓變化進(jìn)行分析。行車過程中無告警參數(shù)觸發(fā)閾值現(xiàn)象，單體電池電壓的變化情況如圖1、圖2。

圖1、圖2分別為電池荷電量由98%放電至70%，40%放電至8%，單體電池最大電壓和最小電壓的變化情況。圖1中，隨著SOC的減小，電壓下降比較明顯，電池的最大電壓產(chǎn)生較大波動，這是由于隨著放電深度的增加，電池溫度升高，電池電壓受到溫度的影響，波動變大。圖2中，單體電池電壓整體波動較大，這是因為電池在更深度放電時，一致性性能變差?？傮w來說，行車放電試驗中，單體電池最高電壓4.19V～3.46V，最低電壓4.16V～3.44V，滿足電池性能要求，電池電壓變化正常。

圖1 SOC 98%～70%單體電池電壓曲線

圖2 SOC 40%～8%單體電池電壓曲線

2.2 熱管理

對于純電動汽車來說，動力電池受溫度影響較大，尤其在高溫工況下使用時，如果積聚的熱量不能及時散發(fā)，就會使電池內(nèi)部溫度升高，引發(fā)熱失控。因此需要對電池系統(tǒng)的溫度準(zhǔn)確測量和監(jiān)控，確保電池包的安全。熱管理系統(tǒng)的試驗研究包括慢充冷卻性能試驗，快充冷卻性能試驗和高溫行車溫度試驗。

2.2.1 慢充冷卻性能試驗

電池慢充冷卻性能試驗中，水泵在溫度大于40℃開啟，空調(diào)AC檢測到平均溫度大于45℃時開啟壓縮機冷卻。由表1可知，慢充冷卻性能試驗結(jié)束后，電池最高溫度從46.5℃降溫至34.5℃，冷卻速率為6.67min/℃，證明在正常溫度范圍內(nèi)，慢充冷卻性能試驗滿足整車要求。

2.2.2 快充冷卻性能試驗

快充冷卻性能試驗主要對電池的冷卻性能進(jìn)行試驗驗證。試驗時，當(dāng)電池溫度為43℃時插槍充電，空調(diào)檢測到電池溫度大于38℃時，進(jìn)入快充充電冷卻狀態(tài)，BMS先后閉合主繼電器和快充繼電器。充電過程中，電池溫升、電池電壓、充電時間見表2。

由表2可知，在充電過程中，當(dāng)檢測到平均溫度高于設(shè)定溫度時，進(jìn)入快速充電冷卻狀態(tài)，水泵、空調(diào)壓縮機依次開始工作對電池進(jìn)行冷卻。電池SOC由20%充電至100%時的快充冷卻試驗表明，電池最低溫度保持在26℃，平均冷卻速率為18.6min/℃，最快冷卻速率為14.6min/℃。結(jié)果表明，高溫環(huán)境下的快充冷卻試驗?zāi)軌驖M足充電要求。

2.2.3 高溫行車溫度試驗

整車在環(huán)境（40℃）條件下做續(xù)航跑車試驗，各個工況下，全程開空調(diào)（空調(diào)按最低溫度開），載荷情況為半載。行駛工況為市區(qū)+市郊，直到無法行駛時結(jié)束試驗。60km/h等速續(xù)航時，直到行駛速度達(dá)不到60km/h結(jié)束試驗。100±2km/h工況下，車輛等速運行。

表1 慢充冷卻性能試驗數(shù)據(jù)

表2 快充冷卻性能試驗數(shù)據(jù)

表3 高溫行車電池溫升表

表3為5種工況下高溫行車溫度試驗電池電壓及電池溫度變化情況，由表3可知，行車試驗前電池電壓為390V，行車試驗后電池平均電壓為306.4V，電池電壓變化正常。行車試驗過程中，續(xù)航電池溫升開始平均溫度32.6℃，結(jié)束平均溫度38℃，熱管理系統(tǒng)對電池的溫度控制性能良好。

2.3 動力性試驗

驗證該純電動汽車在高溫環(huán)境下的動力性能，即加速性能、爬坡性能、最高車速。

圖3 車輛動力性能試驗

圖3（a）為車輛0～100km/h加速的信號響應(yīng)圖，對車輛的加速性能進(jìn)行試驗驗證。電機控制器（MCU，Motor Control Unit）接收到加速踏板開度信號，MCU向電機發(fā)出信號，響應(yīng)時間為94ms，響應(yīng)時間滿足加速性能要求。圖3（b）為車輛最高車速測試時的信號響應(yīng)圖，最高車速為145km/h，滿足要求。對車輛的最大爬坡度進(jìn)行試驗驗證，信號響應(yīng)圖見圖3（c），整車控制器（VCU，Vehicle Control Unit）向MCU發(fā)出扭矩請求，MCU響應(yīng)VCU的請求扭矩并發(fā)出信號，輸出扭矩258.9N·m，滿足整車的爬坡需求。

2.4 制動能量回饋

純電動汽車在減速或制動時，在能量回饋系統(tǒng)的作用下，可以將動能轉(zhuǎn)化為電能存儲在電池中。有效地回收制動能量，可以提高純電動汽車的續(xù)駛里程。圖4為整車制動回饋的信號響應(yīng)圖。

圖4 制動回饋試驗驗證圖

整車處于啟動狀態(tài)且車速大于43.8km/h時，車輛檔位在D檔，松開油門，踩下制動踏板進(jìn)行制動。MCU進(jìn)入滑行回饋并且檢測到有回饋電流信號產(chǎn)生，從而給電池包充電。所以由圖4可以看出，車輛在高溫環(huán)境下，行車制動時，制動回饋系統(tǒng)能正常使用。

2.5 故障處理

2.5.1 電池故障處理

通過BMS內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)對告警處理閾值進(jìn)行修改，讓其達(dá)到觸發(fā)條件，觀察BMS的處理情況、整車響應(yīng)情況：分別對電池注入總電壓過高故障、總電壓過低故障、單體電壓過高故障、單體電壓過低故障以及溫度過高故障，經(jīng)過試驗驗證，BMS能正確上報故障類型和故障等級，功率發(fā)送正確。

2.5.2 電機故障處理

當(dāng)MCU發(fā)出三級故障信號后，整車控制器（VCU，Vehicle Control Unit）發(fā)送故障信號給儀表，點亮電機報警指示燈，同時VCU發(fā)出降扭需求信號，MCU不輸出扭矩，執(zhí)行降扭操作。

3 結(jié)論

本文對純電動汽車的三電系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的性能進(jìn)行了試驗研究，由試驗結(jié)果可知，該純電動汽車的電池性能、熱管理、整車動力性、能量回饋以及故障處理等性能均具有良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，這對純電動汽車在高溫環(huán)境下的性能研究具有重要意義。