新能源汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

新能源汽車一般是指EV、HEV、PHEV和燃料電池等車輛（本文則以EV、HEV、PHEV為主，燃料電池汽車另設(shè)專題論述）。

在EV、HEV、PHEV各自系統(tǒng)中，驅(qū)動用電機和驅(qū)動用電池的使用方法都不相同。另外如空調(diào)等輔助機器，在EV上需使用高電壓驅(qū)動，在HEV上有時也使用發(fā)動機的動力驅(qū)動，根據(jù)其用途，電動化/非電動化以及必要性能等也都不相同。因此必須根據(jù)各種車輛的系統(tǒng)的特點、車輛的要求來設(shè)計高電壓系統(tǒng)。

一、電動車輛的特點及高電壓系統(tǒng)的構(gòu)成

在設(shè)計高電壓系統(tǒng)時，需要考慮電力供給端和輸出端的平衡來進行設(shè)計。所謂電力供給端，在EV上指的是驅(qū)動用電池，在HEV和PHEV上則指的是驅(qū)動用電池和發(fā)動機的發(fā)電電力。在可以僅靠電機行駛的HEV和PHEV中，有僅靠驅(qū)動用電池行駛的，有僅靠發(fā)動機所發(fā)電力行駛的，也有同時靠二者的電力行駛的，有些車輛則需要根據(jù)車輛狀態(tài)和行駛狀態(tài)隨時改變供給端。

所謂輸出端是指由高電壓電力驅(qū)動的機器，如用于驅(qū)動的電機、空調(diào)設(shè)備、DC-DC變頻器、電動轉(zhuǎn)向助力等。這些機器根據(jù)EV、HEV、PHEV等車種及要求性能的不同來決定是否在輸出端搭載部件，并且其性能和功能等也都不相同（圖1）。

二、驅(qū)動用電機的輸入輸出特性

驅(qū)動用電機是最大的消耗高電壓電力的機器。因車輛的種類和用途不同，驅(qū)動用電機的輸入輸出性能和使用方法有著很大差異。由于它在高電壓機器中是最大的輸入輸出機器，也給后面將提到的驅(qū)動用電池的設(shè)計帶來很大影響。

（1）EV用驅(qū)動電機 在此將介紹EV的驅(qū)動用電機的特征。EV是僅靠車上搭載的驅(qū)動用電池的電力來驅(qū)動電機使車輛行進的。因此，車輛的動力性能幾乎全部是由驅(qū)動用電機的性能決定的。

作為車輛所必需的動力性能，大致可分為由最大輸出·扭矩決定的加速性能及爬坡性能，和由連續(xù)輸出決定的高速巡航速度（最高速度）及連續(xù)爬坡性能。其基本性能可以通過顯示車輛行駛阻力和驅(qū)動力的車輛行駛曲線求出。

圖2為EV的車輛行駛性能曲線。電機的最高輸出可以由加速性能決定，最大扭矩可由爬坡角度決定。輸出時間由車輛所要求的加速時間決定，一般按10~60秒左右的短時間設(shè)定。

電機的連續(xù)額定輸出由高速巡航時所需的輸出決定。這時，考慮到實際道路的坡度，需要給驅(qū)動力留出3~5%的富余。另外，除高速巡航之外，在設(shè)計連續(xù)額定輸出時還要對山路等低速連續(xù)爬坡行駛的情況給予考慮。

（2）一般的HEV用驅(qū)動電機

HEV中存在著多種方式的車型，要將其全部羅列出來非常困難。大致上可以區(qū)分為并聯(lián)式和系列式兩種。

系列式就是在當EV狀態(tài)下的電池剩余容量減少時，起動發(fā)電用發(fā)動機進行發(fā)電補充電力。由于搭載了發(fā)電用發(fā)動機，在這點上與EV不同，可以不受驅(qū)動用電池的容量限制延長續(xù)航距離，但由于驅(qū)動力和EV相同，都是僅靠驅(qū)動用電機驅(qū)動，因此設(shè)計上也基本與EV相同。

并聯(lián)式以發(fā)動機作為主要驅(qū)動源，同時使用電機，通過扭矩助力和減速時的能量回收再生來提高內(nèi)燃機的燃耗性能。由于連續(xù)的高速巡航靠發(fā)動機輸出動力，對驅(qū)動用電機可以僅要求短時間的輸入輸出。

（3）能靠電機行駛的HEV、PHEV用驅(qū)動電機 在HEV中，有使用驅(qū)動用電池積蓄的電力進行電機行駛的車型，另外也有像PHEV那樣，通過給HEV附加外部充電功能，利用從外部充電獲得的電力積極進行電機行駛的車型。像這種能夠?qū)崿F(xiàn)電機行駛的HEV和PHEV的驅(qū)動用電機，需要以HEV的性能為基礎(chǔ)，附加EV的性能（電機行駛性能）。但由于PHEV的單靠電機的行駛可以通過輸出和車速等限定其作為EV的行駛領(lǐng)域，因此無需附加像EV那么高的性能。通過與發(fā)動機的組合，當需要急加速或高速巡航時，如果能馬上切換成發(fā)動機驅(qū)動，就用不著EV所必需的電機最高輸出和連續(xù)輸出，僅靠短時間的低輸出電機就完全可以滿足行駛的需要（圖3）。

三、輔機系高電壓機器

在沒有發(fā)動機的EV上，以往由發(fā)動機驅(qū)動的交流發(fā)電機、空調(diào)、動力助力轉(zhuǎn)向等輔機都必須實現(xiàn)電動化。即使在有發(fā)動機的EHV和PHEV上，在怠速停車和EV行駛等發(fā)動機熄火期間，也有需要輔機工作的時候，因此也必須實現(xiàn)電動化。這些輔機系高電壓機器也是消耗高電壓電力的機器。

（1）空調(diào)機，以往的空調(diào)在制冷時靠發(fā)動機驅(qū)動空調(diào)機的壓縮機，制熱時要使用發(fā)動機的廢熱進行加熱。在沒有發(fā)動機的EV上就必須使空調(diào)壓縮機和加熱器實現(xiàn)電動化。加熱器有PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器和熱泵式加熱器等種類，但無論哪一種，都必須確保其所消耗的電力。

在HEV和PHEV上，是否對空調(diào)設(shè)備進行電動化，要由怠速停車和EV行駛等發(fā)動機熄火期間能否維持空調(diào)性能來決定。如果為了確?？照{(diào)性能而可以起動發(fā)動機則不需要電動化，也可以考慮將空調(diào)機做成即能電動也能由發(fā)動機驅(qū)動的混合動力方式。

（2）DC-DC變頻器，為了確保12V機器所需的電源，不僅僅是EV，在幾乎所有的HEV和PHEV上都搭載有從高電壓降壓至12V的DC-DC變頻器，用以代替交流發(fā)電機。對于DC-DC變頻器的供電量由散熱器風扇等12V機器的電耗來決定。為使這些機器不出現(xiàn)電力不足的情況，必須要保證DC-DC變頻器耗費的電力。

（3）電動助力轉(zhuǎn)向，在傳統(tǒng)的發(fā)動機車輛上，以小型車為中心已經(jīng)普及了使用12V電源的電動助力轉(zhuǎn)向。當采用12V電源驅(qū)動的EPS（電動助力轉(zhuǎn)向）時，需要在DC-DC變頻器的消耗電力中加上這部分消耗電力。另外，如使用高電壓電源驅(qū)動EPS，則必須作為高電壓電力的消耗確保這部分電力。

四、驅(qū)動用電池

驅(qū)動用電池所要求的性能大致上分為兩點。一個是電池容量，另一個是電池的輸入輸出性能。電池容量是電池中可以蓄電的能量。如果是EV的話，要根據(jù)能行駛多遠距離（時間）來設(shè)計。電池的輸入輸出性能則要根據(jù)驅(qū)動用電機有多大的輸出和電能回收能力來設(shè)計。電池容量和電池輸入輸出性能因電池的種類和規(guī)格而不同。在驅(qū)動用電池中有鎳氫電池、鋰離子電池等很多種類。就算同樣都是鋰離子電池，其特性也會因用于EV還是用于混合動力而有很大區(qū)別。重視續(xù)航距離的EV用電池設(shè)計成更大的容量，需要短時間輸入輸出的HEV用電池則設(shè)計成更高的輸出性能。

另外，電池還會因電池溫度、充電放電時間以及電池老化等各種原因發(fā)生很大的變化，所以必須根據(jù)使用的環(huán)境和條件進行設(shè)計（圖4）。

（1）驅(qū)動用電池的設(shè)計，為了設(shè)計驅(qū)動用電池，必須先確定各種高電壓機器所需的消耗電力、時間以及使用溫度。

另外還必須考慮除驅(qū)動用電池外，是否還有能提供電力的發(fā)電機。如果具有發(fā)電功能的話，對電池性能的要求可以寬松一些，反之如果沒有發(fā)電功能的話，就必須在現(xiàn)有條件下按照所有車輛性能都能正常發(fā)揮的要求來進行設(shè)計。

由于電池性能會因電池的溫度和充電放電時間而發(fā)生很大變化，并給車輛性能帶來很大影響，所以必須考慮最嚴酷的條件進行設(shè)計。這點對于電池老化也是同樣，必須事先想到電池的老化，根據(jù)情況留出老化部分的余量也是非常重要的。

（2）驅(qū)動用電池的電池容量， 驅(qū)動用電池的容量會影響EV的續(xù)航距離，如果是HEV的話，則會影響扭矩助力和回收再生等的持續(xù)時間。特別是對于EV來說驅(qū)動用電池的容量尤為重要，應(yīng)根據(jù)一次充電續(xù)航距離的目標值來設(shè)定電池容量。

EV的一次充電續(xù)航距離是由每次行駛的電力消費量、即電耗和電池容量決定的。假設(shè)每1kWh電力可以行駛10km的車輛，當一次充電后需要續(xù)航200km時，就需要20kWh的電池容量。但是電池容量與電池重量基本上是成比例的，如果搭載大容量電池，車輛自重增加，造成電耗惡化。如果電耗發(fā)生5%的惡化，就必須多搭載5%的電池。也就是說應(yīng)該一邊控制容量變化和車輛重量變化以及伴隨而來的電耗變化，一邊進行電池容量的設(shè)定（圖6-5）。

（3）驅(qū)動用電池的輸入輸出性能，車輛上搭載的電池組的電池個數(shù)應(yīng)根據(jù)驅(qū)動用電池的輸入輸出性能和驅(qū)動用電機的輸出規(guī)格進行設(shè)定。驅(qū)動用電機的輸出規(guī)格根據(jù)行駛方式分為短時間輸出和連續(xù)輸出。各種輸出因EV、HEV、PHEV而不同，這點在6.1.3中已經(jīng)講述過了，但并不僅限于這些，對于輔機系列的高電壓機器的消耗電力也應(yīng)加以考慮。

另外，驅(qū)動用電池的輸入輸出性能會因電池溫度、SOC（電池充電率）和持續(xù)時間而發(fā)生很大變化，必須考慮能確保車輛性能的最低溫度和SOC，以此來設(shè)定必要的輸入輸出性能并構(gòu)成驅(qū)動用電池（圖6）。

例如，EV只有電池一個能量源，因此在設(shè)定電池輸出時必須保證即使在低SOC的情況下也不會損害車輛的動力性能。另外在溫度上也是一樣，必須根據(jù)使用車輛的溫度環(huán)境，認真考慮電池的溫度特性?，F(xiàn)在的高性能電池當溫度下降時就難以發(fā)揮性能，有些電池在0℃以下時其輸出僅相當于25℃時的一半左右。對車輛來說，為了在電池溫度為0℃時確保動力性能，必須搭載比25℃時多出一倍的電池。另外，還要考慮當SOC達到百分之多少時才能保證動力性能?？傊仨毎凑哲囕v所要求的性能和最嚴酷的環(huán)境條件來設(shè)計電池的構(gòu)成（表1）。

另外，由于電池的輸出會隨著輸出時間而降低，對瞬間加速所需要的輸出時間和設(shè)想的連續(xù)行駛的連續(xù)輸出時間也需要加以考慮。

HEV基本上是按照與EV相同的思路來組成電池的。HEV基本上靠發(fā)動機驅(qū)動，但也有必須加上電機的輸出才能實現(xiàn)車輛所要求動力性能的情況，這就需要對溫度、SOC和輸出時間加以考慮。另外，當電機要求這一輸出時，還要想到DC-DC變頻器以及空調(diào)等同時驅(qū)動的情況。在HEV上的短時間輸出不僅僅是電機的消耗電力，必須具有能夠給DC-DC變頻器和空調(diào)等提供電力的電池輸出。另外如果車輛總是完全靠發(fā)動機動力行駛的話，電池所要求的連續(xù)輸出只要能驅(qū)動DC-DC變頻器和空調(diào)就可以。

這樣，HEV與EV的最大不同就在于當電池輸出降低、動力性能減弱時HEV仍然能夠行駛。另外由于對于電池的要求是短時間的輸入輸出性能，什么情況下輸出，什么情況下充電這一保持電池SOC的充放電控制與電池所要求的性能條件有著很大的關(guān)系。在PHEV上， EV所要求的電池輸入輸出性能和HEV所要求的電池輸入輸出性能二者都是必要的。PHEV可以補充EV的電池容量不足，因此被稱為EV的range extend（續(xù)航距離延長），在PHEV上，需要確保其作為EV的行駛性能的電池輸出，另外當電池容量降低后，為了作為普通的HEV行駛，短時間輸出必須具有作為HEV的性能。

PHEV即使在EV行駛過程中，也可以按照行駛的要求起動發(fā)動機，獲得驅(qū)動力。根據(jù)起動發(fā)動機的條件，可以將EV所需要的連續(xù)輸出和短時間輸出控制在較低的程度。不僅是行駛輸出要求，還可以根據(jù)電池的溫度條件、SOC條件、時間條件起動發(fā)動機。由于附加了發(fā)動機的驅(qū)動力，不再單純依賴電池的性能，可以緩解低溫和低SOC等造成的輸出不足。

（4）電池的劣化 驅(qū)動用電池因使用方法、工作環(huán)境以及使用時間的延長等原因會逐漸失去當初的性能。由于電池老化，會發(fā)生因容量減少和內(nèi)部阻力增加而引起的輸入輸出降低的現(xiàn)象。

由于電池老化，內(nèi)部阻力逐漸增加，當因為輸出需要引出較大電流時，會加劇電池電壓的下降。以至于在SOC很高的狀態(tài)下也不能輸出。并且減速回收等的輸入也同樣發(fā)生性能下降的問題。對EV和PHEV來說，會發(fā)生外部充電時間延長，在規(guī)定時間內(nèi)不能充滿電的情況。由于驅(qū)動用電池的輸入輸出的劣化會給車輛的動力性能帶來很大影響，所以在電池的設(shè)計階段就應(yīng)該事先考慮到這個問題。

關(guān)于電池容量減小的問題，現(xiàn)在還沒有容量不減小的電池。在設(shè)計車輛時就應(yīng)該事先估計到這個問題。

（5）電池組的設(shè)定（電池單體數(shù)的設(shè)定）車輛上搭載的驅(qū)動用電池是由多個單體電池串聯(lián)或并聯(lián)起來的電池組。在構(gòu)成電池組時，重要的是電池組的電壓范圍，設(shè)計時必須保證包括電機在內(nèi)的高電壓機器能在電池組的電壓范圍內(nèi)正常發(fā)揮性能。為了發(fā)揮出最大輸出，電池組電壓越高應(yīng)該越能減少焦耳損耗，在效率上也更為有利。一般將印加電壓設(shè)定為100~400V，甚至達到650V的范圍。推測這時的高電壓供給電力（≒電機輸出）處于10~150kW的范圍，電流處于100~300A的范圍。特別是電機受電壓的影響更大，如果印加電壓太低，電機的高輸出化和高旋轉(zhuǎn)化將會非常困難（圖7）。

作為車輛，要求電池給電機、空調(diào)等提供電力，EV就不用說了，HEV和PHEV在發(fā)動機熄火時，所有的電力都必須由驅(qū)動用電池提供。電池的性能對對溫度有著很大的依賴性，尤其在低溫時，電池的輸入輸出性能會有很大的降低。因此，車輛能夠發(fā)揮的動力性能會因為電池溫度而發(fā)生很大變化。假設(shè)在外部氣溫（電池溫度）到達0℃之前，車輛想要將最大動力性能保持30秒鐘時，必須從驅(qū)動用電池的0℃、第30秒的輸出中計算出輸出。并且這時驅(qū)動的高電壓機器不僅僅是電機，還要設(shè)想有DC-DC變頻器和空調(diào)，必須把它們的消耗電力也考慮在內(nèi)。假設(shè)電機最高輸出為30kW時，供給電力按照85%的效率應(yīng)該為35kW，再假設(shè)DC-DC變頻器的消耗電力為1kW，空調(diào)機的消耗電力為4kW，那么車輛全開加速時的30秒鐘，電池組的輸出必須達到40 kW。如果是0℃、第30秒的輸出為500W的單體電池，電池組就必須由80塊以上的單體電池組成。如果電池電壓為2.8~4.2V，這時候電池組的總電壓將達到224~336V，電流將達到120~180A。高電壓機器應(yīng)設(shè)計為在這個電池組的電壓范圍和電流范圍內(nèi)工作。

另外，假設(shè)電池組所需要的電池容量為10 kWh，0℃時的單體電池容量為125Wh，即單體電池電壓為3.7V，如果是大約34Ah以上的容量的話，80塊單體電池的構(gòu)成可以滿足容量的要求（圖8）。