纯电动客车动力电池匹配及试验

摘 要：动力电池是整车性能的重要影响因素，本文针对纯电动城市客车动力电池主要能量参数进行了计算，并予以匹配及设计，其后对电池性能进行了实车道路试验，分析试验结果，验证匹配的合理性。

关键词：纯电动客车 动力电池 匹配 试验

随着当前环境污染与能源短缺问题的日益突出，世界各国著名汽车厂商都在研制各种类型的电动汽车，并且取得了很大的进展和突破。我国通过一系列重大科技专项的制定实施，促使电动汽车技术蓬勃发展，其自主研发的电动汽车关键装置或整车技术，尤其是纯电动客车技术更是取得了长足的进步。

动力电池是纯电动车关键技术装备，决定着车辆续驶里程，直接影响整车使用性能，因此电动车辆动力电池的合理匹配是整车性能的重要影响因素。笔者以广州某公交公司自亚运会投入使用某款纯电动客车为研究基础，着眼于纯电动客车动力电池匹配及设计，并通过试验测试匹配的合理性，分析影响动力电池使用性能的因素。

一、动力电池的匹配

1.动力电池匹配方案

纯电动汽车采用能量型电池，即动力电池，是纯电动汽车唯一的能量源。电池参数匹配一般要满足系统特别是驱动电动机的电压等级、功率要求、最大充放电电流等多方面的因素，对于纯电动车主要计算电池的能量要求。而电池容量与其功率成正比，容量越大，输出功率越大，其功率一般均能满足电系统要求，匹配时主要考虑电池能量的要求，以满足车辆续驶里程。续驶里程是电动汽车动力电池组完全充满电能够行驶的最大里程数。

2.动力电池参数计算

（1）动力电池额定电压的确定。电池电压的选择应和电动机的额定电压相匹配，而该款电动客车所选用的是额定电压为384V的交流感应电动机，因此动力电池组的输出电压要大于384V。

（2）动力电池额定容量的计算。根据车辆日营运里程的特点，动力电池组充满电应保证车辆在匀速40km/h的情况下能至少连续行驶里程大于等于150km，即续驶里程为150km。

首先，计算出车辆匀速行驶要达到续驶里程所需要的能量，见公式1。

Wroad=Proad t=Proad（S/Vavg） （1）

式中：

Wroad――汽车能行驶的最大里程所需要的能量（kW・h）；

Proad――汽车正常行驶时所需要的驱动功率（kW）；

S――汽车能行驶的最大里程，即汽车的续驶里程（km）；

Vavg――匀速行驶的平均速度（km/h）。

当电动汽车以匀速行驶时，其坡度阻力和加速阻力消耗的功率可忽略不计，只计算滚动阻力和空气阻力，根据功率平衡关系得出下式：

（2）

式中：

ηt――传动系总效率，一般取0.90；

m――车辆总质量，为18000kg；

CD――空气阻力系数，取0.5；

A――迎风面积，为0.8×2.54m×3.2m=6.5m2；

f――滚动阻力系数，客车一般取0.012。

将各参数代入公式2计算得出p=29kW，考虑驱动电动机效率的影响，Proad的值为31kW。

其次，确定动力电池组实际放出的能量，见公式3。

Wess=UessCess ξsoc /1000 （3）

式中：

Wess――动力电池组实际能放出的能量（kW・h）；

Uess――动力电池组工作电压（V）；

Cess――动力电池组的容量（Ah）；

ξsoc――动力电池组有效放电容量系数。

所谓SOC是指参加反应的电池内部荷电状态的变化状态，新的电池在充电之前的SOC为0，经过充电后达到充满状态，充满状态时的SOC为1。电池内部电荷状态的变化状态可以用SOC的百分数（%）的相对量来表示。

电池组有效放电容量系数ξsoc表示电池组不可能完全放出100%的容量，例如从开始放电时的100%放电到20%，那么该系数机为0.8。

驱动电动车辆行驶一定的里程，要满足公式4的关系条件：

Wess≥Wroad （4）

整理（2）、（3）和（4）三个公式，可导出公式5。

（5）

将相关参数代入公式（5）可计算出所需的电池额定容量为349A・h。

3.动力电池匹配的结果

实际上车辆在行驶过程中所受的阻力是比较复杂的，还要考虑其他用电设备电能的需要，匹配电池的容量要比计算的容量大一些。

锂离子电池在车辆上应用综合性能较好，有较大的发展潜力，是纯电动汽车动力电池应用的主要方向。

因此，根据计算结果和调研市场电池类型情况，选用容量为360A・h，额定总电压为395V的锰酸锂电池组。

二、动力电池性能道路试验

动力电池性能的道路测试方案是建立在纯电动客车整车试验的基础上的，通过实际道路试验，测试出动力电池的性能参数，分析出电池的实际使用性能。试验时还需借助相应的测试设备，按照规定的方法内容完成主要包括整车续驶里程和能量消耗率试验等测试内容。

1.动力电池性能道路试验内容和方法

道路测试的主要目的是以电动汽车在实际工况运行时测试出动力电池的放电容量、放电特性等方面的性能。放电性能可以通过汽车能量消耗率的试验获得，放电容量可以直接通过电池充满电后汽车以一定速度行驶的续驶里程来反映。

（1）试验的环境和道路条件。在环形汽车试验道路上进行测试，环境和道路条件均满足《GB/T18386-2005电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》中有关环境条件的要求。试验前，安装在试验车上的动力蓄电池必须在已经使用300km以上。

（2）动力电池性能道路测试主要试验设备。纯电动客车动力电池性能道路试验首先需要配备使用第五轮仪，在进行汽车能量消耗率和续驶里程试验时还需要用多功能电度表（0.2s级）来测算能量消耗。

（3）动力电池性能道路试验的方法及过程。动力电池性能道路试验主要测试纯电动城市客车的续驶里程和能量消耗率。

在试验前，按照《GB/T18386-2005电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》充电规程，使蓄电池达到完全充电状态，在动力蓄电池充电结束时记录该时刻，在此之后4h之内开始按照规定的试验程序进行试验。用五轮仪记录车辆行驶距离，并使试验车辆加载至试验质量，合理分布，车上的照明、信号装置以及辅助设备均关闭。使用等速法进行续驶里程试验，在试验时，纯电动车辆在道路上进行（40士2）km/h等速试验。在试验过程中允许停车两次，每次停车时间不允许超过两分钟，当车辆的行驶速度达不到36km/h时停止试验。记录试验期间试验车辆的停车次数和停车时间。试验结束后，记录试验车辆驶过的距离D，用km来表示，测量值按四舍五入圆整到整数，该距离即为等速法试验测量的续驶里程。同时记录用小时（h）和分钟（min）表示的整个试验过程所用时间，用T表示。在完成等速法续驶里程试验后，在2小时内将车辆与电网连接，按照 GB/TI8385规定的充电规程为车辆的动力蓄电池充满电。在电网与车辆充电器之间连接的电度表，记录了充电期间来自电网的能量E（单位：W・h），该能量则为车辆试验的能量消耗。

能量消耗率的计算，能量消耗率C，用W・h/km表示，并圆整到整数，按公式6。

C=E/D （6）

式中：

E――充电期间来自电网的能量，单位为瓦・时（W・h）；

D――试验期间行驶的总距离即续驶里程，单位为千米（km）。

（4）试验数据记录及结果。测试数据经整理见表1。

表1 续驶里程和能量消耗率试验数据记录表

测试参数 测试数据

D（km） 156

T（min） 238

E（W・h） 126378

根据试验规程可知等速法测量的续驶里程为156km，并将表1的数据带入公式5可得出能量消耗率为842W・h/km，另外根据公式（1）和（5）可计算出理论能量消耗率为827W・h/km。将其和目标性能参数进行对比，见表2。

表2 续驶里程和能量消耗率试验结果

测试项目 目标（理论）参数 试验测试数据 结果分析

续驶里程（km） 150 152 满足

能量消耗率（W・h/km） 827 842 不满足

2.动力电池性能试验结果分析

从表2续驶里程和能量消耗率试验结果可以看出，续驶里程可以满足目标性能参数，而能量消耗率则超出了目标参数。通过试验测试的数据可以计算出续驶里程和能量消耗率试验过程中车辆的平均行驶速度为39km/h，从这个数据可以看出试验过程是符合要求的，试验结果是可信的。

关于能量消耗率超出了目标参数值，一方面，经进一步检测车辆发现动力电池组的温度较高，尤其是电池的极柱温度很高。分析可知是由于动力电池的容量较大，放电电流较大，容易发热，产生了额外的热损失，另外，观察车辆在试验后其电池箱因固定不牢靠产生松动，继而造成电池极柱线路连接处因松动摩擦出电火花，也直接影响到极柱温度高，以致能量消耗率超出了目标参数值。另一方面，由于该款车的变速器只有高低两个挡位，若在驾驶操作换挡时机掌握不佳，也会降低传动效率。今后，在电池的总体容量或车辆的使用总功率不变的情况下，应从动力电池组的串并联接方式上加以改进，提高电池的放电电压，减小放电电流，并提高安装工艺将电池箱固定牢靠，可有效地降低工作热损失。另外还应配置三个以上挡位的变速器以提高传动效率。总之，从数据和分析来看，动力电池的匹配合理能适应城市公共客运交通使用。

参考文献：

[1]高宏超.电动城市客车动力系统性能试验研究[D].华南理工大学硕士论文，2012.

[2]占锐.轻型纯电动客车动力系统的建模仿真及测试评价的研究[D].武汉理工大学硕士论文，2011.

[3]胡明一，胡伟.国内外电动汽车开发状况一览[J].汽车工业研究.2003（12）.

（作者单位：广州市公用事业技师学院）