雙電壓的電動車電池系統(tǒng) 集中了慢充、快充、換電這三種補能方式

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(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(jù)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(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。但電機低轉速功率輸出很低，高轉速時扭矩不足。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速范圍。這些技術都是很成熟了。現(xiàn)在車型中沒有采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(xù)航里程也不少。

3.創(chuàng)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，并可以根據(jù)需要自動調節(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(xiàn)功率電路。這種設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(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(fā)展會大幅降低其成本。但具體的設計理念還好出現(xiàn)更大的改變。尤其是控制芯片，目前還沒有適合這樣的驅動方式的芯片。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(xiàn)高低壓電池組的能量調配。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(lián)，BMS系統(tǒng)需要做新的設計。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。