雙電壓的電動(dòng)車電池系統(tǒng) 集中了慢充、快充、換電這三種補(bǔ)能方式

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(jià)高。而是補(bǔ)能困境。補(bǔ)能問題的解決只能通過按需配置，特性匹配來(lái)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(yùn)動(dòng)特性相符。

補(bǔ)能還要考慮經(jīng)濟(jì)、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(xiǎn)品。加油充電給人造成時(shí)間消耗、勞動(dòng)強(qiáng)度和內(nèi)心感受等等是便利性。

在＂N電機(jī)雙電壓＂的車輛設(shè)計(jì)中。將慢充、快充、換電這三種補(bǔ)能方式都集中起來(lái)，讓車主根據(jù)實(shí)際用車場(chǎng)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(yuǎn)低于車輛電機(jī)最大功率，在燃油車中，沒有制動(dòng)饋能往往能量只能變成熱量，電動(dòng)車中，如果制動(dòng)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(jī)雙電壓的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，用小功率的能量轉(zhuǎn)換能力滿足電動(dòng)車能量需求。而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中將低于60V作為安全電壓，大部分人直接觸屏帶電導(dǎo)體不會(huì)發(fā)生觸電（不同人的人體電阻不同，這個(gè)電壓并非絕對(duì)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(dòng)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(gè)功率等級(jí)電流在200～400A，電池組電量在10～20度左右。

如何實(shí)現(xiàn)雙電壓？

實(shí)現(xiàn)雙電壓系統(tǒng)的方式非常的多，但是往往因?yàn)槌杀具^高，而沒有實(shí)際價(jià)值。

下面對(duì)較為可能實(shí)現(xiàn)的幾種方式進(jìn)行說明。

1.單電機(jī)三星接法

當(dāng)前48V純電系統(tǒng)中，單電機(jī)峰值功率成熟車型單電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)，采用△／Y接法。比如低壓電池組額定電壓52V，電動(dòng)機(jī)額定電壓36V，△接法。高壓電池組額定電壓90V，電機(jī)額定電壓62V，Y型接法。這個(gè)等級(jí)下的高壓系統(tǒng)最大功率是低壓的1．732倍，相當(dāng)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(chǎng)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(yuǎn)，或者半路上電池虧電，電能耗盡時(shí)作為一種補(bǔ)充。

高壓電池組額定電壓為110V。電機(jī)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(wú)機(jī)械接觸器切換。切換響應(yīng)時(shí)間快無(wú)頓挫感。

2. 雙電機(jī)、48V電機(jī)采用AMT／CVT變速箱耦合到高壓電機(jī)的固定轉(zhuǎn)送比變速箱

采用兩個(gè)及以上的電機(jī)，低壓還是采用48～60V。電機(jī)功率在10～20KW。但電機(jī)低轉(zhuǎn)速功率輸出很低，高轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩不足。故多電機(jī)系統(tǒng)中低電壓電機(jī)必需配置一個(gè)變速箱。讓電機(jī)可以在很寬的調(diào)速范圍。這些技術(shù)都是很成熟了?，F(xiàn)在車型中沒有采用這樣的結(jié)構(gòu)是因?yàn)槎嘣黾右粋€(gè)低壓驅(qū)動(dòng)單元（電池組、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、變速箱和傳動(dòng)耦合）其成本也會(huì)在好幾千上萬(wàn)了。將這個(gè)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(dòng)器

單個(gè)驅(qū)動(dòng)器，可以輸入48～60VDC，也可以輸入一個(gè)更高的電壓如320VDC。即雙電源變頻驅(qū)動(dòng)器，并可以根據(jù)需要自動(dòng)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(shí)學(xué)習(xí)的是電氣自動(dòng)化專業(yè)，在設(shè)計(jì)這樣的驅(qū)動(dòng)仍舊需要學(xué)習(xí)很多的知識(shí)，目前還沒找到一個(gè)切實(shí)可行的辦法實(shí)現(xiàn)功率電路。這種設(shè)計(jì)需求是必定能實(shí)現(xiàn)的。同樣的難題是實(shí)現(xiàn)的成本會(huì)不大幅增加。

4.雙變頻器驅(qū)動(dòng)器

從功能上看，雙變頻驅(qū)動(dòng)器跟雙輸入單驅(qū)動(dòng)是一樣的。之所以增加一個(gè)分類不只是兩個(gè)物理實(shí)體變頻器。而是低壓系統(tǒng)的10～20KW變頻器是一個(gè)可逆變頻器，在車輛行進(jìn)的時(shí)候是驅(qū)動(dòng)車輛。在停車時(shí)候可以利用低壓電池組給外部供電，也可以實(shí)現(xiàn)10～20KW的車載充電器功能。這個(gè)功率等級(jí)的可逆變頻器成本同樣非常的高。

個(gè)人認(rèn)為，單驅(qū)動(dòng)器和雙驅(qū)動(dòng)器在未來(lái)可能是會(huì)是主要的方向。電力電子技術(shù)的發(fā)展會(huì)大幅降低其成本。但具體的設(shè)計(jì)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(dòng)方式的芯片。當(dāng)然也可以在變頻內(nèi)部增加一個(gè)超級(jí)電容作為暫存部件實(shí)現(xiàn)高低壓電池組的能量調(diào)配。但成本只會(huì)更高，并一定程度降低了效率。

5.液態(tài)耦合器

這個(gè)跟增加AMT／CVT是一樣的，屬于機(jī)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(jiǎn)單的方式是將幾個(gè)電池組串聯(lián)，BMS系統(tǒng)需要做新的設(shè)計(jì)。這樣的方式可以實(shí)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(gè)電池組DC／DC升壓。直流升壓成本較低，但沒有實(shí)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(shí)、進(jìn)行手工換電，可以獲得200～400公里續(xù)航。需要2～4個(gè)48V電池組重量在50～100公斤，（按10～20度百公里電耗、200wh／KG，每個(gè)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(shí)、進(jìn)行手工換電，可以獲得200～400公里續(xù)航。需要2～4個(gè)48V電池組重量在50～100公斤，（按10～20度百公里電耗、200wh／KG，每個(gè)電池單元在15公斤）。當(dāng)電池能量密度達(dá)到300wh／kg，甚至500wh／kg。雙電壓的換電模式將會(huì)更廣泛采用。因?yàn)殡p電壓換電是解決充電問題，而不是電池能量密度問題。