Vol 24,No .1Mar. , 2021
第 24 卷 第 1 期2021 年 3 月
成都工业学院学报
JOURNAL OF CHENGDU TECHNOLOGICAL UNIVERSITY DOI ：10.13542/jki.51- 1747/m.2021.01.008
基于5G 网络的新能源汽车动力
采集系统的设计与实现
宋雷震a ，吕东芳b
(淮南联合大学 a.智能制造学院；b.信息工程学院，安徽淮南232038)
摘要：纯电动汽车是新能源汽车的主要发展方向，其动力系统性能好坏直接影响整车性能，开展动力系统相关研究具有重要 意义。基于此，以纯电动汽车动力系统为研究对象，选取蓄电池、超级电容器以及DC/DC 变换器形成复合电源系统，按照《新 建纯电动乘用车企业管理规定》对驱动电机、复合
电源系统的参数进行匹配。设计了基于5G 网络的动力参数采集系统，对 5G 网络的参数、大规模天线进行了详细设计，并优化了上行传输能力。试验测试结果表明方案具有较好的室内覆盖能 力、较高的峰值功率、较低的时延性，能够为新能源汽车的发展提供有益参考。
关键词：5G ；动力系统；参数匹配；试验；中图分类号：U469.72汀N929.53 文献标志码：A
文章编号：2095-5383(2021)01-0030-06
Design and Implementation of Power Acquisition System
for New Energy Vehicles based on 5G Network
SONG Leizhen a , LF Dongfing b
(a. College of Intelligent Manufacturing ; b. College of Information Engineering , Huainan Union University , Huainan 232038 , China )
Abstract : Pure electric vehicle is the main development direction of new energy vehicles , and the performance of its power system
directly affects the performance of the whole vehicle. Therefore , it is of great significance to carry out research on power systems.. Based on this, taking the power system of pure electric vehicle as the research object, and the battery , super capacitor and DC/DC converter were selected to form a composite power system. According to “ Regulations on the Management Of Newly Built Pure Electric Passenger Vehicle Enterprises ” ,the parameters of the driving motor and the composite power system were matched. The power parameter acquisition system based on 5G network was designed. The base station parameters and large-scale antenna of 5G network were designed in detail , and the uplink transmission capacity was optimized. The test results show that the scheme has better indoor coverage capacity , higher peak power and lower time ductility , which can provide useful reference for the development of new energy vehicles.
Keywords : 5G; power system ; parameter matching ; test
2009年，我国已成为全球第一大汽车生产国，同 时也是全球第一大汽车消费国。汽车工业的迅猛发
展，使得能源消耗急剧增加。据统计，我国汽车工业
所消耗的原油占全国总原油消耗的40%，占全球原 油消耗的10%[1]o 传统汽车石油消耗会给国家和社
会带来巨大的能源问题和气候污染问题。因此，大
力研发新能源汽车成为汽车工业的主要发展方向。
相较于其他新能源汽车，纯电动汽车以其零污染、噪
声小、零排放、结构简单、智能化高等优点，成为了现 代新能源汽车中最为重要的一种发展类型。纯电动
汽车的动力性能和续航里程主要取决于动力电池的
性能。在其工作过程中，纯电动汽车的动力电池用
来驱动电机，因此动力电池性能的好坏将直接决定 纯电动汽车的整体性能。
目前，蓄电池技术无法满足纯电动汽车动力电
池的技术需求。相较于单一的蓄电池电源，超级电
容器具有快速充放电、功率密度高、使用寿命长、结 构紧凑等优点，因此将蓄电池和超级电容器组成复 合电源系统，成为了纯电动汽车动力电池目前最好
的解决方式之一。但是，蓄电池和超级电容器属于2 种不同性质的储能系统，二者的结合在实际应用中
还存在一些问题，主要是拓扑结构、参数匹配、功率 回收、能量管理策略等。
基于此，本文以纯电动汽车为研究载体，以动力
收稿日期： 2020-02-19
基金项目：安徽省自然科学重点项目(KJ2019A1000)；安徽省自然科学重点项目(KJ2018A0718)；安徽省自然科学重点项目
(KJ2019A1005)
第一作者简介：宋雷震(1980—)，男，副教授/工程师，硕士，研究方向：自动化，：56042485@ qq 。
2021年第1期宋雷震，等：基于5G网络的新能源汽车动力采集系统的设计与实现
系统参数选择、匹配为研究对象，以5G通信、网络技 术等主要技术手段，实现纯电动汽车动力系统的参数采集、匹配，期望为新能源汽车动力采集系统提供新的思路。
1复合电源系统
汽车动力系统纯电动汽车的复合电源系统主要包含蓄电池、超级电容器以及DC-DC变换器。
1.1蓄电池
1.1.1充放电特性
纯电动汽车的能量都是由电源提供。如果选择蓄电池作为电源，当以续航里程为考核指标时，需主要考虑蓄电池的高比能量特性；当以加速性能为考核指标时，需主要考虑蓄电池的高比功率特性。因此，纯电动汽车使用的蓄电池的性能指标主要有比能量、比功率、能量密度、功率密度、温度特性、充放电效率等[2]°
充电状态时，蓄电池电压在初始的短时间内迅速增大，然后随着内部化学反应的进行，进入电压稳定的平台期，主要完成能量积累，最后进入恒流充电阶段，使得蓄电池的电压最终稳定在某个电压数值。据统计，不同的倍率电流对应蓄电池平台期的时间长短也不一样，较大的倍率电流使得蓄电池的充电时间缩短，但是带来的能量损耗更大，实际存储的电量更少；放电状态时，蓄电池电压在初始阶段迅速减小，然后随着内部化学反应的进行，进入平台期，电压稳定，最终电压降低到某个电压数值。因此，蓄电池不宜工作于较大的倍率电流，需要稳定取值在某个范围内。
1.1.2内阻特性
内阻特性是衡量蓄电池性能的重要指标之一。内阻值越小，说明蓄电池的性能越好，充放电性能越佳。内阻值不是定值，随着电池SOC和充放电电流大小的变化，呈现变化的趋势。
1.1.3容量特性
蓄电池容量C表征提供总电量的能力，定义为：C=「IdT，其中：I为放电电流,A；t为放电时间，s°0
蓄电池容量主要受蓄电池温度、放电电流大小和电解液密度大小的影响。简言之，当放电电流恒定时，电解液温度降低，蓄电池容量减小。当放电电流增大时，蓄电池容量减小°当电解液密度过大时，蓄电池容量减小。因此，电解液温度、密度以及放电电流均应该在某一个合适的范围内。
1.2超级电容器
在汽车行业，超级电容器多采用双电层结构，相当于2个相同电容器的“串联”，其电容量C定义为⑴:C=f二ds。则超级电容器储存的电量g、4兀d
能量E分别为：厂+C V；E=*CV2，其中：d为双电层厚度;e为电解质介电常数;ds为接触面积;V为电极间电压差。
1)充放电特性
相较于蓄电池，超级电容器因其双电层结构，使得大倍率电流下充放电特性良好，即：在大倍率充电电流下，充电速率快，达到最大电压所需时间短，且效果与蓄电池充电相一致。放电时，放电电流大，放电时间短，超级电容器能够在较短的时间内提供较高的峰值功率，有利于纯电动汽车的爬坡、加速等工况°
2)内阻特性
超级电容器的内阻受极化内阻、电解液内阻以及电极材料内阻的影响较大，理论上难以测定，工程
a U U-U
中常用充放电电压跃变法确定:R s=,=,"，其
ii
中：U为恒流充电后断电前电压；U。为恒流充电后断电后电压;i为充电电流。通常，超级电容器的内阻很小，使得充放电时产生的功率损耗较小，具有良好的充放电效率。
3)温度特性
温度对于超级电容器的内阻有很大影响°温度在(-40T,+80T)时，随着温度升高，内阻逐渐减小。超过80度以后，内阻减小缓慢，最终随着温度的不断升高而趋于稳定。低温环境下，超级电容器的容量基本稳定在某个数值°随着温度升高，其容量降低的速率相对缓慢，即便是到了80^，容量仍为0T时的97.5%°因此，超级电容器的容量对于温度有着较好的适应性。因此，可将超级电容器与蓄电池组合形成复合电源系统，对蓄电池电流“削峰填谷”，使得蓄电池电流始终稳定在某个固定范围内。
1.3双向DC/DC变换器
由前述分析可知：蓄电池在倍率电流较大时的电压相对稳定，而超级电容器则会发生较快的变化,
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使得蓄电池与超级电容器直接并联时，可能仅会在电池电压频率较高时电容器才可能接收或者输出功率，从而削弱负载均衡作用，因此，本文选用BLCK/ BOOST型双向DC/DC变换器进行蓄电池与超级电容器的合理匹配，即：BLCK模式时，低压端充电状态，能量从高压端流向低压端；BOOST模式时，低压端放电状态，能量从低压端流向高压端⑷。可用n DC/AC表示变换器效率，也就是BLCK/BOOST型双向DC/DC变换器的输入功率与输出功率的百分比。
I-U
"DC/DC=；°X100%（1）其中：I o为变换器的输出电流；U o输出电压;I，输入电流;S为输入电压。据统计，如果超级电容器电压与蓄电池电压接近时，BLCK/BOOST型双向DC/DC 变换器的变换效率可以达到最高范围，大大提升能量利用效率。
1.4复合电源系统
纯电动汽车的复合电源系统根据主动性与被动性、控制精度、部件布置方式、控制策略等，可以分为4种拓扑结构：1）超级电容器与蓄电池直接并联;2）超级电容器与变换器串联后再与蓄电池并联;3）蓄电池与变换器串联后再与超级电容器并联;4）超级电容器、蓄电池均与变换器串联后再相互并联［5］。其中：1）属于被动控制，拓扑结构最简单，但是无法实现超级电容器与蓄电池之间的电压合理匹配，无法真正实现负载均衡。2）、3）、4）属于主动控制。2）应用最广泛，3）可以优化蓄电池放电特性,4）实现难度较大。
综合考虑，本文选用拓扑结构2），即超级电容器与变换器串联后再与蓄电池并联。
2纯电动汽车动力系统参数匹配纯电动汽车的动力系统主要指复合电源系统以及驱动电机。复合电源系统的参数匹配主要指根据车型整车基本参数确定超级电容器与蓄电池的单体容量与个数。驱动电机参数匹配主要指根据整车动力性能确定电机参数。
纯电动汽车车型整车基本参数遵循《新建纯电动乘用车企业管理规定》［6］（以下简称《规定》）。
2.1复合电源系统参数匹配
2.1.1蓄电池参数匹配
蓄电池主要为纯电动汽车提供行驶能量与平均功率，因此，应该从续驶里程以及平均功率为动力蓄电池进行参数匹配。
根据《规定》，本文选取续驶里程为160km，那么蓄电池组提供的最大能量E b应不小于续驶里程160km时的能量需求E o。
E”=U m-CE-y D O D/1000ME。=S-e/100（2）其中:“DOD为放电深度；C e为蓄电池容量,Ah；U m为电池电压,V;S为续驶里程,km;e为百公里能量消耗量,kWh/100km。
依据《规定》，取V dod=80%、U m=320V、e=
13.5kWh/100km、S=160km，可以求得蓄电池容量
C E^89.65Ah。
超级电容器可以分担纯电动汽车在爬坡、加速等工况下需要的大功率，蓄电池组只需要承担正常行驶
下的平均功率P a…以及相关电器附件的需要功率P'，因此，蓄电池组能够提供的最大功率P b应满足式（3）。
P b=k-C p-U m/1000MP°”e/n+P'（3）其中:n为电机控制效率;k为蓄电池最大放电倍率, h-'；C p为蓄电池容量,Ah。通常情况下,n=0.9。
超级电容器优势之一在于能够减轻大电流对蓄电池的影响，因此，应该适当选取蓄电池的放电倍率。通常，放电倍率为3C时，蓄电池能够具有较高的工作效率。因此，本文选择放电倍率为2C,k= 2h"'o依据《规定》以及文献［8］，工况选择为NEDC 循环工况,P'=4.5kW，可以得到P ave=5.361kW，因此，蓄电池容量C P M30.73Ah。
由C b Mmax j C P,C E｝选取合适的蓄电池容量。显然，蓄电池容量应是C b M89.65Ah。
在ADVISOR软件中，选择额定电压为U b=12V 的铅酸蓄电池，其最大容量为90Ah。那么，根据n M U g/U b可以得到蓄电池串联数量叫=27节。蓄电池参数匹配结果如表1所示。
表1蓄电池组参数匹配
参数指标匹配参数
蓄电池类型铅酸蓄电池
单体U b/V12
单体U”*/V16.5
单体U”””/V9.5
单体C b/Ah90
串联数量/节27
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2.1.2超级电容器参数匹配
相较于蓄电池，超级电容器主要为纯电动汽车提供加速、爬坡、急速点等特殊工况的瞬时峰值功率，因此，匹配超级电容器参数时应重点考虑瞬时峰值功率°
超级电容器电压接近蓄电池电压时，双向DC/ DC变换器的效率接近最佳。所以，匹配超级电容器时，其电压不能超过蓄电池电压U m=320V°本文取U m的80%，即256V，再选取额定电压为2.5V、单体容量为1000F的常用超级电容器，获得超级电容器的串联数量为n*=102°
超级电容器提供的能量满足式(6)°
E uc十心U lax-U lJ b%・1000
2V mc'V d c/dc
(4)其中:“MC为电机效率;P max为瞬时峰值功率,kW；P b 为蓄电池提供功率,kW;n uc为超级电容器数量；Cu 为超级电容器容量,Ah；Um°为超级电容器放电电压最大值,V；U min为超级电容器放电电压最小值,V；t a=4.5s°
代入相关数据，计算得到J M947.36Ah，参数匹配如表2所示。
表2超级电容器参数匹配
参数指标匹配参数
单体容量/F1000
单体U b/V 2.5
单体U”*/V 2.5
单体U”””/V 1.25
电流范围/A-218~218
串联数量/节102
2.2驱动电机参数匹配
驱动电机参数匹配主要指从动力性与经济性角度出发，为电机选择适应于多工况的参数，主要有最高转速、基速、额定功率、额定转矩、峰值功率、峰值转矩。
2. 2.1最高转速与基速
根据车型的主减速比i o、固定速比i g、车轮滚动半径r、汽车最高车速0”辱可以求得最高转速n mal= %ax i o i g/(0.377门=7326.5r/min°再取基速比0= 2.5，求得基速n b=n max/0=2930r/min°
2.2.2峰值功率与峰值转矩
峰值功率应满足3个条件：1)大于最高车速行驶时的所有阻力功率之和;2)大于在20%坡度上以50km/h行驶时的所有阻力功率之和；3)大于最短时间内加速行驶时的所有阻力功率之和°
条件1)的定义式为:
P
max1
1{m1gR】ax C D血1】ax
耳」3600+76140
(5)
其中:n T为传动效率;m、为试验质量，kg；g为重力加速度,m/s2;/为滚阻系数笄max为最咼车速,km/h；
C d为风阻系数;A为汽车迎风面积,m2°根据《规
定》中的性能参数以及整车的基本参数，求得P mas1= 45.35kW°
条件2)的定义式为：
.、C D Av'm ax\
+sin a)+
"'Q76140丿
1(m2g%
max
max2(/*cos a
n3600max
(6)
其中：肌2为汽车满载质量，kg;v a为坡度最大时的2‘'^max
爬坡速度,km/h，通常，%*=50km/h⑼°根据《规定》中的性能参数以及整车"的基本参数，求得P maI2= 51.75kW°
条件3)的定义式为：
P”*3=p500(佥("；+"：)+亍叫的/+孑°工”切｝(7)其中:m3为试验质量,kg;3为旋转质量换算系数，通常取1.25 ;t a为加速时间，s;zy为加速后车速,km/h；Pa为空气密度。根据《规定》中的性能参数以及整车的基本参数，求得P mai3=72.43kW°
峰值功率应满足P max=j P max1,P max2,P max31，因此，取P max=75kW°根据转矩公式，得到峰值转矩为T max=9550P max/nb=244.4N-m°
2.2.3额定功率与额定转矩
根据电机学相关理论，峰值功率与额定功率之间存在关系：
P max=九P r(
8)
其中：九为电机过载系数；P，为额定功率,kW°若取入=2.5，则P r= 30kW，那么，额定转矩T r= 9550P r/n max=95.5N-m°
驱动电机的参数匹配如表3所示。
表3驱动电机参数匹配
参数指标匹配参数
电机类型交流感应电机
电压/V320
峰值功率/kW75
峰值转矩/(N・m)250
最大转速/(r・min-1)10000
额定功率/kW30
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3系统数据采集设计
传统宏容易出现网络盲点，无法满足人们“有网可用”的基本要求。伴随移动数据业务急剧增加，汽车工业数据采集需要更高速率、更低时延、更大的数据连接密度，因此，本文以5G新空口标准为基础，以3.5GHz为典型频率，简单分析了3.5GHz 5G的基本参数匹配设计，并将其应用于纯电动汽
车动力系统数据采集与监测，以期获得更好的峰值速率与更低的时延。
3.15G基本参数匹配
5G基本参数匹配主要包括空口参数匹配与大规模天线参数匹配。
3.1.1空口基本参数
空口基本参数主要指工作频段、波形、链路多址、信道编码、调制方案、MIMO等。结合文献[10]，本文对空口的基本参数匹配如下：
1）工作频段为3400~3600MHz；系统带宽M 100MHzo
2）波形的上行链路、下行链路分别选择循环前缀-正交频分复用（CP-OFDM）和离散傅里叶变换扩频（DFT-S-OFDM）、前缀-正交频分复用（CP-OFDM）。
3）链路多址选用正交多址（OFDMA），支持上行链路与下行链路的免物理调度上行共享以及下行控制信道。
4）信道编码选择低密度检验码（LDPC）作为数据信道编码，选择Polar码作为控制信道编码。
5）调制方案选择256QAM。
6）MIMO：下行链路单MIMO、上行链路单MIMO、下行链路多MIMO、上行链路多MIMO建议选用8层、4层、不低于16层、不低于8层。
3.1.2大规模天线参数匹配
考虑铁塔对天面尺寸要求、迎风面要求、半波长水平方向阵间距要求、垂直方向间距要求等，结合文献[11]，选择192个阵子构成一副天面，每个阵子包含96个极化方向。
此外，根据系统性能要求、硬件复杂程度、有源天线端口物理能力等不同要求，选择有源天线的射频通道数为64通道，具有更好地垂直方向波束扫描能力。
工作带宽为M100MHz且有源天线端口为64通道时，传统的有源天线与射频接口CPRI需要259.5Gbit/s的接口容量。在安装过程中，需要3根100Gbit/s的光纤，难度较大，且由于光模块成本较高也无法满足3.5GHz5G的真正部署，因此需要对有源天线与射频的一体化集成AUU进行优化[12]o
结合文献[11-12],AUU接口优化主要有CPRI 压缩、增强的公共无线接口标准（eCPRI）2种方式。前者通过采样率、量化比特率的降低来减小接口带宽，从而降低光模块数量，减小成本，减低接口复杂程度。后者主要有25Gbit/s接口容量、2x25Gbit/s 接口容量2种方案，这2种方案可以降低功耗、简化算
法，从而降低接口复杂程度，但会增加AUU的质量、体积，损失3D-MIMO的性能，增加网络维护成本，降低的整体性能。综合考虑，本文选用CPRI压缩作为AUU接口优化方案。
3.2辅助上行传输
5G网络的频率多在3GHz以上，预期覆盖能力低于4G网络。为了解决5G单弱覆盖能力的问题,3GPP引入辅助上行载波增强5G网络的上行链路覆盖能力，即中高频段覆盖能力不足时，将5G网络的上行链路切换到低频段，利用低频段网络的良好传播性能，提升上行链路的覆盖能力，而下行链路仍然保持在原有频段[13]o
因此，对于3.5GHz5G，选用更低频段的上行辅助传输SUL能够较好地解决宏网无缝连接时的弱覆盖能力，即将上行覆盖受限的TDD载波与更低频段的全上行载波进行配对传输[13]o
4系统模拟试验与分析
选取某省的汽车生产厂商以及通信服务商，在充分考虑地形环境、建筑物密集程度、楼层分布等因素后，搭建基于5G网络的纯电动汽车动力采集系统的模拟试验环境。衡量5G网络的关键性指标主要有峰值速率、延时性、吞吐量以及室内覆盖能力。本文选取峰值速率、延时性、室内覆盖能力作为本次模拟试验的评价指标。
1）峰值速率试验及分析
峰值速率试验选择厂区内的某个测试点，该测试点具备充分接收下行信号的能力，即具有足够大的下行信号接收强度。试验测试结果如图1所示。
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