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纯电动汽车动力总成关键部件特性分析
作者：Alex，豪华车企高级工程师（知乎id：坚果0904）
纯电动汽车结构和设计不同于传统的内燃机驱动汽车，同样是一个复杂系统工程，需要将动力电池技术，电机驱动技术，汽车技术，现代控制理论相集成，实现最优化的控制过程。国家在电动汽车科技发展规划中，继续坚持“三纵三横”的研发布局，根据“纯电驱动”技术转型战略，进一步突出“三横”共性关键技术研究，即研究驱动电机及其控制系统、动力电池及其管理系统、动力总成控制系统。各大厂家依据国家发展战略制定各自的业务发展策略。
笔者在梳理新能源动力总成开发过程中的关键技术，为动力总成的设计和测试生产提供理论基础和参考。计划分为5个篇章来整纯电动汽车动力总成开发中关键技术，今天首先聊一下第二篇章 动力总成关键部件特性分析（点击查看：纯电动汽车动力总成匹配技术研究五部曲—首篇 纯电动汽车关键技术研究现状）：
图1 动力总成开发中的关键环节
整合动力驱动系统的各个部件，达到最佳匹配，对整车的动力性，经济性有很大影响。搭建试验台架，对磷酸铁锂电池组充、放电效率特性、驱动电机系统效率特性及电力驱动系统驱动和能量回馈效率特性进行了测试分析，建立了电力驱动系统各关键部件效率模型，为进行纯电动汽车动力总成系统匹配和基于最佳效率的整车控制策略幵发提供依据。
1、磷酸铁锂电池组效率特性测试分析
1.1 电池组充放电效率特性测试
电池组的效率通常可以定义为容量效率和电压性效率的乘积，容量效率反应放电过程中的电荷损失，电压性效率，反应放电过程中单位电荷的能量损失。通常磷酸铁锂电池容量效率高达95%，充放电效率由电压性效率决定。
1.1.1 测试工况范围的确定
通常为了得到电池组的电压和电流变化情况，需要对电池组进行道路试验。通常电池组充放电效率试验工况范围为：放电时，电流0.1C~1.8C，间隔0.1C测量SOC10%-100%，间隔10%测量。电动汽车车用锂离子电池最大允许充放电电流为0.3C~1C限制范围，充电效率测试在SOC 10%-90%范围。
1.1.2 电池组温度的控制
充、放电效率还受到电池组温度的影响。磷酸铁锂电池的最优工作温度范围为20℃-40℃，在20℃-55℃范围内，电池内阻变化不很明显，对电池组效率影响不大。通常将电池组放置在恒温箱中，测试电池组在不同温度下，电流充电的端电压随SOC变化过程。
1.1.3 开路电压的测试
电池组的开路电压需要在电池组开路且电压稳定后进行测量。行业内有人研究电池开路电压的稳定时间与电路SOC成反比关系，即电池SOC越高，需要等待得到开路电压的时间越短。
需要注意的是，电池组SOC低于5%时，电池组电压显著下降。电池组SOC接近100%时，电池极化电压明显增加。为了防止电池处于极限工况下对寿命的不良影响，应避免电池工作在SOC的两极限位置。需要对极限位置采样多点进行拟合。
1.1.4 电池组容量效率计算
在不同的充放电电流下，磷酸铁锂电池组容量效率很高，超过95%，差异在传感器误差范围之内，可以近似取1。
1.1.5电压效率计算
电池组在充电电流较小和处于中间范围时充电效率较高。电池组在放电电流较低且较高时，电池组放电效率较高。在电池组携带能量相同的情况下，电池组电压适当提高，电机系统效率有所提高，使得电池组倍率电流有所减小，电池组能耗降低，同时因电机系统母线电压升高，电动汽车的动力性也会得到明显改善。
2、驱动电机系统效率特性测试分析
驱动电机效率特性测试一共分为效率特性分析测试过程和建模评估过程。
图2 驱动电机系统效率特性测试分析
3、电力驱动系统效率特性测试分析
电力驱动系统包括电池系统和驱动电机系统，其效率可表示为电池组效率与电机系统整体效率的乘积。车辆运行中电力驱动系统存在制动和驱动两种状态，制动时电动汽车一般要进行能量回馈，给电池组充电。因此，实际研发过程中，需要对电力驱动系统能量回馈效率特性和驱动效率特性分别进行测试。
图3 电力驱动系统效率特性测试分析
总结：
通过对电池组开路电压，容量效率，电压效率开展分析，结果表明磷酸铁锂电池在不同充放电电流下，容量效率高达95%。电压性效率随电池组工作电流和变化而变化，在充电电流较小和SOC处于20%~80%之间时充电效率较高，达90%以上；在放电电流较低且SOC较高时，电池组放电效率较高。电力驱动系统高效区主要集中在电机额定转速附近的中等负荷区。通过了解动力电池、驱动电机等关键部件的效率特性，可为车辆动力总成系统的匹配和控制策略的幵发奠定基础。
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