新能源汽车电力驱动系统设计

新能源汽车一般是指EV、HEV、PHEV和燃料电池等车辆（本文则以EV、HEV、PHEV为主，燃料电池汽车另设专题论述）。

在EV、HEV、PHEV各自系统中，驱动用电机和驱动用电池的使用方法都不相同。另外如空调等辅助机器，在EV上需使用高电压驱动，在HEV上有时也使用发动机的动力驱动，根据其用途，电动化/非电动化以及必要性能等也都不相同。因此必须根据各种车辆的系统的特点、车辆的要求来设计高电压系统。

一、电动车辆的特点及高电压系统的构成

在设计高电压系统时，需要考虑电力供给端和输出端的平衡来进行设计。所谓电力供给端，在EV上指的是驱动用电池，在HEV和PHEV上则指的是驱动用电池和发动机的发电电力。在可以仅靠电机行驶的HEV和PHEV中，有仅靠驱动用电池行驶的，有仅靠发动机所发电力行驶的，也有同时靠二者的电力行驶的，有些车辆则需要根据车辆状态和行驶状态随时改变供给端。

所谓输出端是指由高电压电力驱动的机器，如用于驱动的电机、空调设备、DC-DC变频器、电动转向助力等。这些机器根据EV、HEV、PHEV等车种及要求性能的不同来决定是否在输出端搭载部件，并且其性能和功能等也都不相同（图1）。

二、驱动用电机的输入输出特性

驱动用电机是最大的消耗高电压电力的机器。因车辆的种类和用途不同，驱动用电机的输入输出性能和使用方法有着很大差异。由于它在高电压机器中是最大的输入输出机器，也给后面将提到的驱动用电池的设计带来很大影响。

（1）EV用驱动电机 在此将介绍EV的驱动用电机的特征。EV是仅靠车上搭载的驱动用电池的电力来驱动电机使车辆行进的。因此，车辆的动力性能几乎全部是由驱动用电机的性能决定的。

作为车辆所必需的动力性能，大致可分为由最大输出·扭矩决定的加速性能及爬坡性能，和由连续输出决定的高速巡航速度（最高速度）及连续爬坡性能。其基本性能可以通过显示车辆行驶阻力和驱动力的车辆行驶曲线求出。

图2为EV的车辆行驶性能曲线。电机的最高输出可以由加速性能决定，最大扭矩可由爬坡角度决定。输出时间由车辆所要求的加速时间决定，一般按10~60秒左右的短时间设定。

电机的连续额定输出由高速巡航时所需的输出决定。这时，考虑到实际道路的坡度，需要给驱动力留出3~5%的富余。另外，除高速巡航之外，在设计连续额定输出时还要对山路等低速连续爬坡行驶的情况给予考虑。

（2）一般的HEV用驱动电机

HEV中存在着多种方式的车型，要将其全部罗列出来非常困难。大致上可以区分为并联式和系列式两种。

系列式就是在当EV状态下的电池剩余容量减少时，起动发电用发动机进行发电补充电力。由于搭载了发电用发动机，在这点上与EV不同，可以不受驱动用电池的容量限制延长续航距离，但由于驱动力和EV相同，都是仅靠驱动用电机驱动，因此设计上也基本与EV相同。

并联式以发动机作为主要驱动源，同时使用电机，通过扭矩助力和减速时的能量回收再生来提高内燃机的燃耗性能。由于连续的高速巡航靠发动机输出动力，对驱动用电机可以仅要求短时间的输入输出。

（3）能靠电机行驶的HEV、PHEV用驱动电机 在HEV中，有使用驱动用电池积蓄的电力进行电机行驶的车型，另外也有像PHEV那样，通过给HEV附加外部充电功能，利用从外部充电获得的电力积极进行电机行驶的车型。像这种能够实现电机行驶的HEV和PHEV的驱动用电机，需要以HEV的性能为基础，附加EV的性能（电机行驶性能）。但由于PHEV的单靠电机的行驶可以通过输出和车速等限定其作为EV的行驶领域，因此无需附加像EV那么高的性能。通过与发动机的组合，当需要急加速或高速巡航时，如果能马上切换成发动机驱动，就用不着EV所必需的电机最高输出和连续输出，仅靠短时间的低输出电机就完全可以满足行驶的需要（图3）。

三、辅机系高电压机器

在没有发动机的EV上，以往由发动机驱动的交流发电机、空调、动力助力转向等辅机都必须实现电动化。即使在有发动机的EHV和PHEV上，在怠速停车和EV行驶等发动机熄火期间，也有需要辅机工作的时候，因此也必须实现电动化。这些辅机系高电压机器也是消耗高电压电力的机器。

（1）空调机，以往的空调在制冷时靠发动机驱动空调机的压缩机，制热时要使用发动机的废热进行加热。在没有发动机的EV上就必须使空调压缩机和加热器实现电动化。加热器有PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器和热泵式加热器等种类，但无论哪一种，都必须确保其所消耗的电力。

在HEV和PHEV上，是否对空调设备进行电动化，要由怠速停车和EV行驶等发动机熄火期间能否维持空调性能来决定。如果为了确保空调性能而可以起动发动机则不需要电动化，也可以考虑将空调机做成即能电动也能由发动机驱动的混合动力方式。

（2）DC-DC变频器，为了确保12V机器所需的电源，不仅仅是EV，在几乎所有的HEV和PHEV上都搭载有从高电压降压至12V的DC-DC变频器，用以代替交流发电机。对于DC-DC变频器的供电量由散热器风扇等12V机器的电耗来决定。为使这些机器不出现电力不足的情况，必须要保证DC-DC变频器耗费的电力。

（3）电动助力转向，在传统的发动机车辆上，以小型车为中心已经普及了使用12V电源的电动助力转向。当采用12V电源驱动的EPS（电动助力转向）时，需要在DC-DC变频器的消耗电力中加上这部分消耗电力。另外，如使用高电压电源驱动EPS，则必须作为高电压电力的消耗确保这部分电力。

四、驱动用电池

驱动用电池所要求的性能大致上分为两点。一个是电池容量，另一个是电池的输入输出性能。电池容量是电池中可以蓄电的能量。如果是EV的话，要根据能行驶多远距离（时间）来设计。电池的输入输出性能则要根据驱动用电机有多大的输出和电能回收能力来设计。电池容量和电池输入输出性能因电池的种类和规格而不同。在驱动用电池中有镍氢电池、锂离子电池等很多种类。就算同样都是锂离子电池，其特性也会因用于EV还是用于混合动力而有很大区别。重视续航距离的EV用电池设计成更大的容量，需要短时间输入输出的HEV用电池则设计成更高的输出性能。

另外，电池还会因电池温度、充电放电时间以及电池老化等各种原因发生很大的变化，所以必须根据使用的环境和条件进行设计（图4）。

（1）驱动用电池的设计，为了设计驱动用电池，必须先确定各种高电压机器所需的消耗电力、时间以及使用温度。

另外还必须考虑除驱动用电池外，是否还有能提供电力的发电机。如果具有发电功能的话，对电池性能的要求可以宽松一些，反之如果没有发电功能的话，就必须在现有条件下按照所有车辆性能都能正常发挥的要求来进行设计。

由于电池性能会因电池的温度和充电放电时间而发生很大变化，并给车辆性能带来很大影响，所以必须考虑最严酷的条件进行设计。这点对于电池老化也是同样，必须事先想到电池的老化，根据情况留出老化部分的余量也是非常重要的。

（2）驱动用电池的电池容量， 驱动用电池的容量会影响EV的续航距离，如果是HEV的话，则会影响扭矩助力和回收再生等的持续时间。特别是对于EV来说驱动用电池的容量尤为重要，应根据一次充电续航距离的目标值来设定电池容量。

EV的一次充电续航距离是由每次行驶的电力消费量、即电耗和电池容量决定的。假设每1kWh电力可以行驶10km的车辆，当一次充电后需要续航200km时，就需要20kWh的电池容量。但是电池容量与电池重量基本上是成比例的，如果搭载大容量电池，车辆自重增加，造成电耗恶化。如果电耗发生5%的恶化，就必须多搭载5%的电池。也就是说应该一边控制容量变化和车辆重量变化以及伴随而来的电耗变化，一边进行电池容量的设定（图6-5）。

（3）驱动用电池的输入输出性能，车辆上搭载的电池组的电池个数应根据驱动用电池的输入输出性能和驱动用电机的输出规格进行设定。驱动用电机的输出规格根据行驶方式分为短时间输出和连续输出。各种输出因EV、HEV、PHEV而不同，这点在6.1.3中已经讲述过了，但并不仅限于这些，对于辅机系列的高电压机器的消耗电力也应加以考虑。

另外，驱动用电池的输入输出性能会因电池温度、SOC（电池充电率）和持续时间而发生很大变化，必须考虑能确保车辆性能的最低温度和SOC，以此来设定必要的输入输出性能并构成驱动用电池（图6）。

例如，EV只有电池一个能量源，因此在设定电池输出时必须保证即使在低SOC的情况下也不会损害车辆的动力性能。另外在温度上也是一样，必须根据使用车辆的温度环境，认真考虑电池的温度特性。现在的高性能电池当温度下降时就难以发挥性能，有些电池在0℃以下时其输出仅相当于25℃时的一半左右。对车辆来说，为了在电池温度为0℃时确保动力性能，必须搭载比25℃时多出一倍的电池。另外，还要考虑当SOC达到百分之多少时才能保证动力性能。总之必须按照车辆所要求的性能和最严酷的环境条件来设计电池的构成（表1）。

另外，由于电池的输出会随着输出时间而降低，对瞬间加速所需要的输出时间和设想的连续行驶的连续输出时间也需要加以考虑。

HEV基本上是按照与EV相同的思路来组成电池的。HEV基本上靠发动机驱动，但也有必须加上电机的输出才能实现车辆所要求动力性能的情况，这就需要对温度、SOC和输出时间加以考虑。另外，当电机要求这一输出时，还要想到DC-DC变频器以及空调等同时驱动的情况。在HEV上的短时间输出不仅仅是电机的消耗电力，必须具有能够给DC-DC变频器和空调等提供电力的电池输出。另外如果车辆总是完全靠发动机动力行驶的话，电池所要求的连续输出只要能驱动DC-DC变频器和空调就可以。

这样，HEV与EV的最大不同就在于当电池输出降低、动力性能减弱时HEV仍然能够行驶。另外由于对于电池的要求是短时间的输入输出性能，什么情况下输出，什么情况下充电这一保持电池SOC的充放电控制与电池所要求的性能条件有着很大的关系。在PHEV上， EV所要求的电池输入输出性能和HEV所要求的电池输入输出性能二者都是必要的。PHEV可以补充EV的电池容量不足，因此被称为EV的range extend（续航距离延长），在PHEV上，需要确保其作为EV的行驶性能的电池输出，另外当电池容量降低后，为了作为普通的HEV行驶，短时间输出必须具有作为HEV的性能。

PHEV即使在EV行驶过程中，也可以按照行驶的要求起动发动机，获得驱动力。根据起动发动机的条件，可以将EV所需要的连续输出和短时间输出控制在较低的程度。不仅是行驶输出要求，还可以根据电池的温度条件、SOC条件、时间条件起动发动机。由于附加了发动机的驱动力，不再单纯依赖电池的性能，可以缓解低温和低SOC等造成的输出不足。

（4）电池的劣化 驱动用电池因使用方法、工作环境以及使用时间的延长等原因会逐渐失去当初的性能。由于电池老化，会发生因容量减少和内部阻力增加而引起的输入输出降低的现象。

由于电池老化，内部阻力逐渐增加，当因为输出需要引出较大电流时，会加剧电池电压的下降。以至于在SOC很高的状态下也不能输出。并且减速回收等的输入也同样发生性能下降的问题。对EV和PHEV来说，会发生外部充电时间延长，在规定时间内不能充满电的情况。由于驱动用电池的输入输出的劣化会给车辆的动力性能带来很大影响，所以在电池的设计阶段就应该事先考虑到这个问题。

关于电池容量减小的问题，现在还没有容量不减小的电池。在设计车辆时就应该事先估计到这个问题。

（5）电池组的设定（电池单体数的设定）车辆上搭载的驱动用电池是由多个单体电池串联或并联起来的电池组。在构成电池组时，重要的是电池组的电压范围，设计时必须保证包括电机在内的高电压机器能在电池组的电压范围内正常发挥性能。为了发挥出最大输出，电池组电压越高应该越能减少焦耳损耗，在效率上也更为有利。一般将印加电压设定为100~400V，甚至达到650V的范围。推测这时的高电压供给电力（≒电机输出）处于10~150kW的范围，电流处于100~300A的范围。特别是电机受电压的影响更大，如果印加电压太低，电机的高输出化和高旋转化将会非常困难（图7）。

作为车辆，要求电池给电机、空调等提供电力，EV就不用说了，HEV和PHEV在发动机熄火时，所有的电力都必须由驱动用电池提供。电池的性能对对温度有着很大的依赖性，尤其在低温时，电池的输入输出性能会有很大的降低。因此，车辆能够发挥的动力性能会因为电池温度而发生很大变化。假设在外部气温（电池温度）到达0℃之前，车辆想要将最大动力性能保持30秒钟时，必须从驱动用电池的0℃、第30秒的输出中计算出输出。并且这时驱动的高电压机器不仅仅是电机，还要设想有DC-DC变频器和空调，必须把它们的消耗电力也考虑在内。假设电机最高输出为30kW时，供给电力按照85%的效率应该为35kW，再假设DC-DC变频器的消耗电力为1kW，空调机的消耗电力为4kW，那么车辆全开加速时的30秒钟，电池组的输出必须达到40 kW。如果是0℃、第30秒的输出为500W的单体电池，电池组就必须由80块以上的单体电池组成。如果电池电压为2.8~4.2V，这时候电池组的总电压将达到224~336V，电流将达到120~180A。高电压机器应设计为在这个电池组的电压范围和电流范围内工作。

另外，假设电池组所需要的电池容量为10 kWh，0℃时的单体电池容量为125Wh，即单体电池电压为3.7V，如果是大约34Ah以上的容量的话，80块单体电池的构成可以满足容量的要求（图8）。