雙電壓的電動車電池系統 集中了慢充、快充、換電這三種補能方式

雙電壓的電動車電池系統 集中了慢充、快充、換電這三種補能方式

LY說新能源 發表於 2020-03-02 11:56:00

為什麼需要雙電壓？

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、轉矩）特性曲線要跟車輛運動特性相符。

補能還要考慮經濟、安全和便利性等等因素。通常，燃油車主在油箱剩餘油量少於100公裡續航就考慮去加油，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、勞動強度和內心感受等等是便利性。

在＂N電機雙電壓＂的車輛設計中。將慢充、快充、換電這三種補能方式都集中起來，讓車主根據實際用車場景選擇最合適的充電方式。

由圖1，圖2 我們知道車輛平均功率需求遠低於車輛電機最大功率，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電機雙電壓的設計目標是，用小功率的能量轉換能力滿足電動車能量需求。而行業標準中將低於60V作為安全電壓，大部分人直接觸屏帶電導體不會發生觸電（不同人的人體電阻不同，這個電壓並非絕對安全）。而電池充放電的限制，通常0．25～1C。在大多數單軸驅動的乘用車中，其平均功率在10～20KW，在48V系統中，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。

如何實現雙電壓？

實現雙電壓系統的方式非常的多，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的幾種方式進行說明。

1.單電機三星接法

當前48V純電系統中，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。並有量產車型。如果採用單電機驅動，採用△／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最大功率是低壓的1．732倍，相當於最大功率可以做到70KW。而高壓電池組電量續航裡程在160～300公裡。就是說絕大多數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。那麼高壓系統功率可以是低壓的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接法採用無機械接觸器切換。切換響應時間快無頓挫感。

2. 雙電機、48V電機採用AMT／CVT變速箱耦合到高壓電機的固定轉送比變速箱

採用兩個及以上的電機，低壓還是採用48～60V。電機功率在10～20KW。但電機低轉速功率輸出很低，高轉速時扭矩不足。故多電機系統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速範圍。這些技術都是很成熟了。現在車型中沒有採用這樣的結構是因為多增加一個低壓驅動單元（電池組、驅動器、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。增加續航裡程也不少。

3.創新式變頻驅動器

單個驅動器，可以輸入48～60VDC，也可以輸入一個更高的電壓如320VDC。即雙電源變頻驅動器，並可以根據需要自動調節高低壓電池輸入的功率。

這種方式是最好，儘管我本科時學習的是電氣自動化專業，在設計這樣的驅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功率電路。這種設計需求是必定能實現的。同樣的難題是實現的成本會不大幅增加。

4.雙變頻器驅動器

從功能上看，雙變頻驅動器跟雙輸入單驅動是一樣的。之所以增加一個分類不只是兩個物理實體變頻器。而是低壓系統的10～20KW變頻器是一個可逆變頻器，在車輛行進的時候是驅動車輛。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，單驅動器和雙驅動器在未來可能是會是主要的方向。電力電子技術的發展會大幅降低其成本。但具體的設計理念還好出現更大的改變。尤其是控制晶片，目前還沒有適合這樣的驅動方式的晶片。當然也可以在變頻內部增加一個超級電容作為暫存部件實現高低壓電池組的能量調配。但成本只會更高，並一定程度降低了效率。

5.液態耦合器

這個跟增加AMT／CVT是一樣的，屬於機械調試。卡車、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，BMS系統需要做新的設計。這樣的方式可以實現低壓換電。成本也低，沒有廣泛採用的原因也是很多。

也可以用單個電池組DC／DC升壓。直流升壓成本較低，但沒有實現電池分組，不能優先將低壓電池組電量用完。

什麼樣的雙電壓系統較佳

高壓電池組至少有100～200公裡的純電裡程。高壓電池組支持快充，按10～20度電百公裡，快充10～40度電的高壓電池組，60KW快充，15分鐘內能夠從20％充到80％ 。獲得60～120公裡續航，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公裡續航。需要2～4個48V電池組重量在50～100公斤，（按10～20度百公裡電耗、200wh／KG，每個電池單元在15公斤）。

高壓電池組至少有100～200公裡的純電裡程。高壓電池組支持快充，按10～20度電百公裡，快充10～40度電的高壓電池組，60KW快充，15分鐘內能夠從20％充到80％ 。獲得60～120公裡續航，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公裡續航。需要2～4個48V電池組重量在50～100公斤，（按10～20度百公裡電耗、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採用。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。

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