純電動汽車電平衡計算

王景松，孫李璠，孫 強，張月林

（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算包括整車電平衡計算、蓄電池選型計算、熔斷絲選擇計算、導線線徑的選擇。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 電能平衡計算

1.1 用電負荷概述

汽車用電負荷是進行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間全部都投入工作，并且許多用電設(shè)備的工作時間、工作時間長短，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荷最大的工況，因此在選擇DC／DC（直流變換器）時，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荷。

1.2 電能平衡計算

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

1）連續(xù)工作制使用頻度系數(shù)為100%。

2）短時工作制根據(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）隨機工作制根據(jù)工況而定 （國家無相關(guān)標準）。

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)計見表1（注：頻度系數(shù)為經(jīng)驗值）。

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)計表計算出整車在夏季雨夜工況下的整車用電負荷見表2。

2 DC／DC及蓄電池的選擇

2.1 DC／DC匹配計算

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 蓄電池匹配計算

傳統(tǒng)燃油車中蓄電池擔負著起動機的大功率負荷，而電動汽車用鉛酸蓄電池只需滿足汽車運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，只需根據(jù)以下方法對Q進行計算即可。

表1 工作電流、使用頻率系數(shù) （夏季雨夜）統(tǒng)計表

表2 整車用電負荷統(tǒng)計表

1）蓄電池漏電達到總?cè)萘康?0%時，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)計的停放時間 （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鉛酸蓄電池，容量為45 Ah。

3 熔斷絲的匹配及導線線徑選擇

通過對熔斷絲、導線對應(yīng)的負荷進行分析，計算出對應(yīng)熔斷絲的容量、導線的線徑，來進行電氣原理圖的設(shè)計和線束圖的制作。

3.1 經(jīng)驗計算公式

3.1.1 連續(xù)負荷熔斷絲

連續(xù)負荷是指在特定條件下進行連續(xù)通電的負荷。對于連續(xù)負荷的熔斷絲有以下計算經(jīng)驗公式：

式中：Ifuse——計算所得的熔斷絲電流，熔斷絲選型時，將小數(shù)位全部進位為整數(shù)，以確保安全；Iload——負載的電流；a——熔斷絲負荷率，依經(jīng)驗取75%，但也要視情況而定，對于長時間工作的發(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 間斷負荷熔斷絲

間斷負荷是指動作時間短或斷斷續(xù)續(xù)通電的負荷。由于間斷負荷很少單獨配熔斷絲，對于連有間斷負荷的熔斷絲有以下計算經(jīng)驗公式：

式中：Ifuse——計算所得的熔斷絲電流，熔斷絲計算時，將小數(shù)位全部進位為整數(shù)，以確保安全；Iload——負載的電流；I1——連續(xù)負荷；I2——間斷負荷；a——熔斷絲負荷率，依經(jīng)驗取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 導線線徑

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

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的參數(shù)表可查出對應(yīng)的導線線徑。

2） 一般采用經(jīng)驗公式：I=（A×10+8）／2

式中：A——電線的截面積，mm2；I——導線通過電流，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)計時需要考慮：系統(tǒng)電壓等級、工作溫度、工作電流、負載類型、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)承載負載工作需要的電流而不會熔斷。

4）負載類型：汽車上的負載分為電阻性負載、容性負載和感性負載3類。①電阻性負載主要是一些加熱裝置，例如后窗除霧、座椅加熱、空氣或水溫預熱等；②容性負載包括燈類 （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感性負載有電磁閥類、電機類和泵類，例如選換擋電機、風扇電機、天窗電機、電動后視鏡折疊電機、調(diào)節(jié)電機、刮水電機、門鎖電機、背門鎖電機、洗滌電機、座椅電機、EPB執(zhí)行電機、鼓風機等。

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

3.3 熔斷絲的應(yīng)用

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

1）對于小電流負載、短時間脈沖電流負載，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，點煙器，外部電源等。

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

快熔與慢熔熔斷絲示意圖見圖1。

圖1 快熔與慢熔熔斷絲示意圖

圖2 熔斷絲選定流程

3.4 導線線徑的選擇

1）熔斷絲選定流程如圖2所示。

2）線徑與熔斷絲之間的匹配如下。

3.5 計算校核

線徑與極限電流依據(jù)廠家提供的參數(shù)表確定，熔斷絲可依據(jù)公式Ifuse=Iload／a×K確定。

最終校核結(jié)果必須滿足：線徑極限電流＞熔斷絲電流＞用電器負載電流。

3.6 電氣系統(tǒng)主要回路的熔斷絲、導線計算值 （表4）

4 結(jié)論

通過以上計算得出：某車型配置時采用額定輸出功率為2.0 kW的DC／DC；蓄電池確定為全免維護駱駝蓄電池，型號為6-QW-45MF，容量為45 Ah。

表4 電氣系統(tǒng)主要回路的熔斷絲、導線計算值