為什么需要雙電壓?
新能源汽車的最大問題不是電池密度低,車輛售價高。而是補能困境。補能問題的解決只能通過按需配置,特性匹配來解決。按需配置就是車輛需要消耗多少電能就在車上放置多少電能。特性匹配是指車輛能源處理(功率、轉(zhuǎn)矩)特性曲線要跟車輛運動特性相符。
補能還要考慮經(jīng)濟、安全和便利性等等因素。通常,燃油車主在油箱剩余油量少于100公里續(xù)航就考慮去加油,燃油、電池都是易燃易爆危險品。加油充電給人造成時間消耗、勞動強度和內(nèi)心感受等等是便利性。
在"N電機雙電壓"的車輛設(shè)計中。將慢充、快充、換電這三種補能方式都集中起來,讓車主根據(jù)實際用車場景選擇最合適的充電方式。
圖 1 Prius標準工況模擬
圖 2 NEDC工況下汽車需求功率分布圖
由圖1,圖2 我們知道車輛平均功率需求遠低于車輛電機最大功率,在燃油車中,沒有制動饋能往往能量只能變成熱量,電動車中,如果制動能量完全回收,,能夠回收約車輛消耗能量的三分之一左右的電能。
所以N電機雙電壓的設(shè)計目標是,用小功率的能量轉(zhuǎn)換能力滿足電動車能量需求。而行業(yè)標準中將低于60V作為安全電壓,大部分人直接觸屏帶電導體不會發(fā)生觸電(不同人的人體電阻不同,這個電壓并非絕對安全)。而電池充放電的限制,通常0.25~1C。在大多數(shù)單軸驅(qū)動的乘用車中,其平均功率在10~20KW,在48V系統(tǒng)中,以1C放電這個功率等級電流在200~400A,電池組電量在10~20度左右。
如何實現(xiàn)雙電壓?
實現(xiàn)雙電壓系統(tǒng)的方式非常的多,但是往往因為成本過高,而沒有實際價值。
下面對較為可能實現(xiàn)的幾種方式進行說明。
1, 單電機三星接法
當前48V純電系統(tǒng)中,單電機峰值功率成熟車型單電機能夠做到40KW峰值功率,4~40KW是比較常見的。并有量產(chǎn)車型。如果采用單電機驅(qū)動,采用△/Y接法。比如低壓電池組額定電壓52V,電動機額定電壓36V,△接法。高壓電池組額定電壓90V,電機額定電壓62V,Y型接法。這個等級下的高壓系統(tǒng)最大功率是低壓的1.732倍,相當于最大功率可以做到70KW。而高壓電池組電量續(xù)航里程在160~300公里。就是說絕大多數(shù)用車場景只用高壓電池組電量就夠了。低壓電池組只有在距離很遠,或者半路上電池虧電,電能耗盡時作為一種補充。
高壓電池組額定電壓為110V。電機額定電壓75V。那么高壓系統(tǒng)功率可以是低壓的2.5倍。高壓電池組額定電壓是低壓1.732~2.5倍的情況下,功率比值呈拋物線增加比值為1.732~3.6倍。
△/Y接法采用無機械接觸器切換。切換響應(yīng)時間快無頓挫感。
2, 雙電機、48V電機采用AMT/CVT變速箱耦合到高壓電機的固定轉(zhuǎn)送比變速箱
采用兩個及以上的電機,低壓還是采用48~60V。電機功率在10~20KW。但電機低轉(zhuǎn)速功率輸出很低,高轉(zhuǎn)速時扭矩不足。故多電機系統(tǒng)中低電壓電機必需配置一個變速箱。讓電機可以在很寬的調(diào)速范圍。這些技術(shù)都是很成熟了。 現(xiàn)在車型中沒有采用這樣的結(jié)構(gòu)是因為多增加一個低壓驅(qū)動單元(電池組、驅(qū)動器、電機、變速箱和傳動耦合)其成本也會在好幾千上萬了。將這個成本用在電池。增加續(xù)航里程也不少。
3, 創(chuàng)新式變頻驅(qū)動器
單個驅(qū)動器,可以輸入48~60VDC,也可以輸入一個更高的電壓如320VDC。即雙電源變頻驅(qū)動器,并可以根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)高低壓電池輸入的功率。
這種方式是最好,盡管我本科時學習的是電氣自動化專業(yè),在設(shè)計這樣的驅(qū)動仍舊需要學習很多的知識,目前還沒找到一個切實可行的辦法實現(xiàn)功率電路。這種設(shè)計需求是必定能實現(xiàn)的。同樣的難題是實現(xiàn)的成本會不大幅增加。
4, 雙變頻器驅(qū)動器
從功能上看,雙變頻驅(qū)動器跟雙輸入單驅(qū)動是一樣的。之所以增加一個分類不只是兩個物理實體變頻器。而是低壓系統(tǒng)的10~20KW變頻器是一個可逆變頻器,在車輛行進的時候是驅(qū)動車輛。在停車時候可以利用低壓電池組給外部供電,也可以實現(xiàn)10~20KW的車載充電器功能。這個功率等級的可逆變頻器成本同樣非常的高。
個人認為,單驅(qū)動器和雙驅(qū)動器在未來可能是會是主要的方向。電力電子技術(shù)的發(fā)展會大幅降低其成本。但具體的設(shè)計理念還好出現(xiàn)更大的改變。尤其是控制芯片,目前還沒有適合這樣的驅(qū)動方式的芯片。當然也可以在變頻內(nèi)部增加一個超級電容作為暫存部件實現(xiàn)高低壓電池組的能量調(diào)配。但成本只會更高,并一定程度降低了效率。
5, 液態(tài)耦合器
這個跟增加AMT/CVT是一樣的,屬于機械調(diào)試??ㄜ?、坦克有這樣的方式。這樣的方式了解得不多。
6, 直流低壓升壓
最簡單的方式是將幾個電池組串聯(lián),BMS系統(tǒng)需要做新的設(shè)計。這樣的方式可以實現(xiàn)低壓換電。成本也低,沒有廣泛采用的原因也是很多。
也可以用單個電池組DC/DC升壓。直流升壓成本較低,但沒有實現(xiàn)電池分組,不能優(yōu)先將低壓電池組電量用完。
什么樣的雙電壓系統(tǒng)較佳
高壓電池組至少有100~200公里的純電里程。高壓電池組支持快充,按10~20度電百公里,快充10~40度電的高壓電池組,60KW快充,15分鐘內(nèi)能夠從20%充到80% 。獲得60~120公里續(xù)航,足夠車主出行需求的最低限。而在快充的15分鐘同時、進行手工換電,可以獲得200~400公里續(xù)航。需要2~4個48V電池組重量在50~100公斤,(按10~20度百公里電耗、200wh/KG,每個電池單元在15公斤)。
高壓電池組至少有100~200公里的純電里程。高壓電池組支持快充,按10~20度電百公里,快充10~40度電的高壓電池組,60KW快充,15分鐘內(nèi)能夠從20%充到80% 。獲得60~120公里續(xù)航,足夠車主出行需求的最低限。而在快充的15分鐘同時、進行手工換電,可以獲得200~400公里續(xù)航。需要2~4個48V電池組重量在50~100公斤,(按10~20度百公里電耗、200wh/KG,每個電池單元在15公斤)。當電池能量密度達到300wh/kg,甚至500wh/kg。雙電壓的換電模式將會更廣泛采用。因為雙電壓換電是解決充電問題,而不是電池能量密度問題。
來源:第一電動網(wǎng)
作者:LY說新能源
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