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1、純電動 汽車仿真,ADVISOR,純電動汽車車動力系參數(shù)匹配,電動汽車的動力系統(tǒng)主要包括電動機、動力電池、傳動系和控制系統(tǒng)四部分。電動汽車動力匹配的任務是在滿足整車動力性能要求的基礎上合理選擇動力總成中各部件參數(shù)，降低改裝成本和提高續(xù)駛里程 。,1、電動機的參數(shù)匹配,電動機是純電動汽車的唯一動力源，其性能與電動汽車整車性能密切相關，因此，對電動機的選擇及參數(shù)匹配是研究設計純電動汽車動力系統(tǒng)的關鍵之一。為了高性能地驅動電動汽車，驅動電機在性能上須達到一定的要求，通常要求驅動電機能夠頻繁起動停車、加速減速，轉矩控制的動態(tài)性能要求高；在低速或爬坡時，轉矩要高，而在高速行駛時，轉矩要低；其次，驅動電機

2、的的調速范圍要寬，既要工作在恒轉矩區(qū)，又要運行在恒功率區(qū)，同時在整個調速范圍內還得保持較高的運行效率。,1.1 驅動電機類型的選擇 適用于電動汽車的電動機可分為兩大類，即有換向器電動機和無換向器電動機。前者表示它們通常有換向器組件，而后者則無換向器組件。 主要有以下幾種電機類型；有換向器的直流電動機 ；無換向器直流電動機 中的感應電動機、永磁電機 、開關磁阻電動機 。,純電動汽車的電動機應有較高的轉矩慣量比，盡可能寬的高效率區(qū)和良好的轉矩轉速特性。在目前所用的電動機驅動系統(tǒng)中，直流電機雖然具有良好的控制特性，但由于其自身固有的缺陷，在電動汽車中用的越來越少。采用鼠籠式感應電動機結構簡單，運行可

3、靠，大量應用在電動汽車中，但功率密度和效率一般。開關磁阻電機結構更為簡單，效率、轉矩慣量比也較高，但由于力矩波動及噪聲過大，在電動汽車上用得還不普遍。永磁無刷電動機系統(tǒng)具有最高的效率、轉矩慣量比，在電動汽車中得到了較廣泛的應用。,1.2 電動機峰值功率及額定功率的匹配,1.電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的基本原則 電動機的功率直接影響整車的動力性。電動機功率越大，電動汽車的后備功率也越大，加速性和最大爬坡度越好，同時也會增加電動機的體積和質量，正常行駛時電動機不能在高效率區(qū)附近工作，降低了車輛的續(xù)駛里程。因此，設計時通常依照電動汽車的最高車速vmax (km/h)、初速度v0、末速度v，加速時間丁(

4、秒)和最大爬坡度lmax (%)來確定電動機的功率。 首先，根據(jù)最高車速vmax (km/h)確定的最大功率為； 式中為 傳動系總效率，f為滾動阻力系數(shù)， 為空氣阻力系數(shù)，A為迎風面積（ ）,其次，根據(jù)最大爬坡度確定最大功率：,式中最大爬坡角,最后，根據(jù)加速性能來確定最大功率： 汽車起步加速過程可根據(jù)經驗公式表示為： 式中x為擬合系數(shù)，一般取0.5左右； Vm 和Tm分別為車輛的加速時間（S） 和車輛的末速度(km/h) 。,1-2,1-3,假設車輛在平直路面上加速，根據(jù)車輛加速過程的動力學方程，其瞬態(tài)過程總功率為： = 1- 4 其中Pall為加速過程總功率（kw）由加速功率Pj、滾動阻尼功

5、率Pf與空氣阻力功率Pw組成；dt為設計過程的迭代步長，單位秒，為滿足計算精度要求，步長通常取為0.1秒。 車輛在加速過程的末時刻，點擊輸出最大功率，因此，加速過程最大功率要求Pall-max為：,1-5,Pall-max=Pmax3=,根據(jù)上述由動力性三項指標計算各自最大功率，動力源總功率P必須滿足上述所有的設計要求，即：,1-6,將整車參數(shù)代入上述公式并按照整車動力性要求，計算得到電動機的峰值功率，計算過程如下： 整車通過改型為電動客車后，質量估算：,1-7,即，新車質量原車整備質量發(fā)動機質量變速器質量發(fā)動機附件質量+電池質量+電機質量+乘員質量。估算電動機、電池和乘客等質量后，計算得到

6、veh_mass。,首先將不同的車速值代入式（1-1），得到最高車速與電動機最大功率需求的關系曲線。再根據(jù)性能指標最高車速，進而得到 Pmax1。 其次將不同的坡度值代入式（1-2），并假設車速 vi ，計算得到車輛最大爬坡度與電動機功率需求的關系曲線。再根據(jù)最大爬坡度要求、車速，最終得到Pmax2 。 最后將不同的加速時間與加速末速度代入式（1-5），計算得到車輛加速性能與電動機功率需求的三維關系曲線。 考慮一定的電動機后備功率（約 20%），計算得 Pmax3 。,綜合考慮上述動力性指標（最高車速、最大爬坡度和加速性）要求，根據(jù)式（1-6）確定電動機峰值功率為,電動機的額定功率可根據(jù)峰值功

7、率由下式求出：,（1-8 ）,式中 Pm ax電機峰值功率； P額 電機額定功率；電機過載系數(shù)。 （電動機過載系數(shù)一般取為 23 ）,1.3 電動機額定轉速及最高轉速的選擇 電動機的最高轉速對電動機成本、制造工藝和傳動系尺寸有很大的影響。轉速在 6000r/min 以上的為高速電機，以下為普通電機。前者成本高、制造工藝復雜而且對配套使用的軸承、齒輪等有特殊要求，一般適用于電動轎車或 100kw 以上大功率驅動電機，很少在純電動客車上使用。因此應采用最高轉速不大于 6000r/min 的低速電機。,電動機最高轉速與額定轉速的比值也稱為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù) ，隨 值的增大，電動機可在低轉速區(qū)獲得較

8、大的轉矩，有利于提高車輛的加速和爬坡性能。但 值的過多增加會導致電動機工作電流的增大，增大了逆變器的功率損耗和尺寸。因此 值一般取 24，計算出電動機額定轉速應該在 15003000r/min 之間選取。,注意事項： 對經常啟動、制動和反轉的生產機械，選擇額定轉速時則應主要考慮縮短啟、制動時間以提高生產率。啟、制動時間的長、短主要取決于電動機的飛輪矩和額定轉速，應選擇較小的飛輪矩和額定轉速。從電動機制造角度講，同樣功率的電動機若額定轉速越高，其電磁轉矩外形尺寸就愈小，成本就愈低且重量亦輕，并且高速電機的功率因數(shù)及效率比低速電機都高。若能選擇轉速愈高的電動機，則經濟性愈好，但若由此而引起電動機與

9、被拖動機械間的轉速相差過大時，所需裝設減速裝置的傳動級數(shù)就越多，這就會加大設備成本及傳動的能量損耗。,1.4 電動機額定電壓的選擇 電動機額定電壓的選擇與電動汽車動力電池組電壓密切相關。在相同輸出功率條件下，電池組電壓高則電流小，對導線和開關等電器元件要求較低，但較高的電壓需要數(shù)量較多的單體電池串聯(lián)，引起成本及整車質量的增加和動力性的下降并且難于布置。 電動機額定電壓一般由所選取的電動機的參數(shù)決定，并與電動機額定功率成正比，電動機的額定電壓越高電動機的額定功率越大?？紤]上述結果確定電動機的額定電壓范圍為 300350V。,由于電動汽車在行駛過程中所遇到的阻力隨車速的變化而變化，變化范圍很寬，單

10、靠電動機的力矩變化無法滿足電動汽車的行駛性能要求。為了滿足電動汽車的行駛性能，同時也使驅動電機經常保持在高效率的工作范圍內工作以減輕驅動電機和動力電池組的負荷，電動汽車在電動機和驅動輪之間需要安裝減速器和變速器。,2 傳動系的參數(shù)匹配,2.1 主要參數(shù)的匹配 電動汽車的傳動系參數(shù)匹配設計主要包括變速器的匹配設計和主減速器的匹配設計。在電動機輸出特性一定時，傳動系傳動比的選擇主要取決于電動汽車的動力性要求，即最大傳動比取決于整車的最大爬坡度，最小速比取決于整車的最高車速。,（1）最大傳動比的選擇 傳動系最大傳動比 是變速器最低檔速比 與主減速器速比 的乘積，由電動機的峰值轉矩和車輛最大爬坡度決定

11、。,2-1,式中 r 為車輪滾動半徑， 為車輛最大爬坡角，f 為滾動阻力系數(shù)， 為最大驅動力矩， 為傳動系總效率，代入表 2-1 中數(shù)值計算得 。,（2）最小傳動比的選擇 傳動系最小傳動比 是變速器最高檔速比 與主減速器速比 的乘積，由電動機的最高轉速和車輛最高車速決定。 隨著電動機及其控制器技術的發(fā)展，高轉速、寬調速范圍技術得以實現(xiàn)。電動汽車要求電動機既能在恒轉速區(qū)提供較高的瞬時轉矩，又能在恒功率區(qū)提供較高的轉速。,2-2,3 動力電池的參數(shù)匹配 動力電池系統(tǒng)是整車的能量源，為整車提供驅動電能。電池系統(tǒng)的體積、形狀和技術參數(shù)影響電動汽車的行駛性能，是電動汽車最重要的子系統(tǒng)之一。電動汽車動力電

12、池系統(tǒng)的參數(shù)匹配主要包括電池類型的選擇、電池組電壓和能量的選擇,3.1 動力電池的匹配原則 電動汽車要求動力電池系統(tǒng)具有較高的比能量和比功率，以滿足汽車的續(xù)駛里程和動力性的要求，同時也希望動力電池系統(tǒng)具有與汽車使用壽命相當?shù)某浞烹娧h(huán)壽命，擁有高效率、良好的性價比以及免維護特性。具體要求如下：,在電動汽車上，電池系統(tǒng)是一項關鍵核心的部件。特別是在純電動汽車上，蓄電池作為惟一的動力源而尤為重要。出于實際運行的需要，電動汽車對電池性能提出了一定的要求，主要包括： (1)能量密度高，以提高運行效率和續(xù)航里程； (2)輸出功率密度高，以滿足駕駛性能要求； (3)工作溫度范圍寬廣，以滿足夏季高溫和冬季低

13、溫的 運行需要； (4)循環(huán)壽命長，保證電池的使用年限和行駛總里程； (5)無記憶效應，以滿足車輛在使用的時候常處于非完 全放電狀態(tài)下充電需要； (6)自放電率小，滿足車輛較長時間的擱置需求； 此外，還要求電池安全性好、可靠性高以及可循環(huán)利用等。,動力電池是純電動汽車最主要的能量源，其性能直接影響整車動力性，是電動汽車發(fā)展的關鍵技術。其性能指標主要包括比能量、能量密度、比功率、功率密度、循環(huán)充放電次數(shù)及成本等。其中鋰離子電池的高能量和充放電速度快等優(yōu)越性能得到越來越多的關注，是目前市場前景最好的一種產品。 動力電池系統(tǒng)的電壓等級要與電動機電壓等級相一致且滿足電動機電壓變化的要求。由于電動空調、

14、電動真空泵和電動轉向助力泵等附件的功率消耗，所以電池組的總電壓要大于電動機的額定電壓。,3.1.1 其他具體要求,動力電池一般有能量型與功率型兩種，為滿足純電動汽車的行駛，要求采用能量型電池，匹配時主要考查其能量要求，即電池應具有較大的容量，以增加車輛的續(xù)駛里程。電池容量與其功率成正比，容量越大，其輸出的功率大，所以其輸出功率均能滿足整車電力系統(tǒng)的要求，因此主要是根據(jù)其續(xù)駛里程來確定電池容量，并且確定的電池容量還須符合市場現(xiàn)有產品的標準，并通過對現(xiàn)有產品反復驗證進行設計。,當前，電動車輛可選用的動力電池主要包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。 其中，鉛酸電池大電流放電性能良好、安全性

15、好、價格低廉以及材料資源豐富等優(yōu)點。但其質量比能量和體積比能量值都較小，嚴重制約其在電動汽車領域的應用。鎳鎘電池具有很好的充放電倍率特性，但其具有記憶效應、含重金屬存在環(huán)境污染等問題。鎳氫電池雖然具有充放電倍率大、無環(huán)境污染隱患、無記憶效應等優(yōu)點，但是鎳氫不宜并聯(lián)使用、工作電壓低。而鋰電池具有工作電壓高、比能量和比體積大、自放電率低、無記憶效應、充放電效率高、循環(huán)壽命長和無污染性等優(yōu)點。鋰電池的能量密度大；單體電池的平均電壓為3.6V，使電池故障概率減小，大大延長了電池組的壽命。自推出以后，鋰電池便以其優(yōu)良的性能得到人們的廣泛認可、技術上也獲得較大的發(fā)展，被認為是新一代電動汽車理想的動力源。,

16、3.2 各大動力電池的優(yōu)缺點,動力電池的主要性能指標是評價動力電池性能的關鍵參數(shù)，同時也是電動汽車動力電池選型時的首要依據(jù)。一般動力電池的主要性能指標包括： (1)質量比功率(WKg)：電池的質量比功率代表每千克質量的電池能提供的功率。它的大小決定電池所能輸出的最大功率，標志著汽車的加速性能和最高車速，對電動汽車的動力性能等有直接影響。在純電動汽車中，電池的比功率是最關鍵的因素； (2)質量比能量(Wh/kg)：代表每公斤質量的電池能提供多大能量，能夠表明純電動汽車的續(xù)駛能力。,3.3 動力電池的主要性能參數(shù),(3)循環(huán)壽命：動力電池的工作是一個不斷電放電充電放電的循環(huán)過程，每充電和放電一次，

17、動力電池中的化學物質就要發(fā)生一次可逆性的化學反應。隨著充電和放電次數(shù)的增加，動力電池中的化學活性物質會發(fā)生老化，逐漸削弱其化學功能，降低動力電池的充電和放電的效率，最后部分或完全喪失其充電和放電功能。動力電池的工作循環(huán)次數(shù)是衡量動力電池壽命的重要指標，它標志著使用的經濟性和方便性。 (4)價格成本：電池的成本與電池的新技術含量、材料、制作方法和生產規(guī)模有關，代表使用的經濟性。目前新開發(fā)的高比功率的動力電池成本較高。,3.4 動力電池的主要技術參數(shù),1 電壓 電壓是電池實際可以直接測量的最基本的物理量之一，是電池性能評價和使用的重要指標。電池實際可以在線測量到的電壓是電池的兩個極柱上的電位差，又

18、稱為電池的端電壓或外電壓(U。)。電池的端電壓等于電池內部所有部分的電壓和 ，即：,式中，“+”表示充電時刻，“一表示放電時刻。其中，正負極集流體、電解液、隔膜、SEI膜等呈現(xiàn)純阻性，所以這部分可以合并在一起，稱為歐姆壓降 。正負極標準電位合并到一起稱為電池的電動勢 ，與電池內部的反應狀態(tài)有關系，反應了電池的荷電狀態(tài)。電池的正負極過電壓合并到一起稱為電池的極化電壓 。,容量 電池的容量是指一定的放電條件下，可以從電池獲得的電量。分為理論容量、實際容量和額定容量。其中，活性物質的理論容量 為：,其中，n為成流反應的得失電子數(shù)；mo為活性物質完全反應的質量；M為活性物質的摩爾質量。實際容量C為在一

19、定的放電條件下，電池實際能放出的電量，計算公式為：,采用恒流放電的時候， 。額定容量 是指設計和制造電池的時候，規(guī)定和保證電池在一定放電條件下，所能放出的最低限度的電量。,3 荷電狀態(tài)(SOC) 荷電狀態(tài)SOC(State-Of-Charge)是用來描述電池的剩余電量的參數(shù)，是指電池的剩余電量 和最大可用電量 之比，即：,當電池充滿電的時候，SOC=1，電池放完電的時候，SOC=0。當電池從初始荷電狀態(tài)為SOCo開始放(充)電，且放(充)電容量為Q，則電池的荷電狀態(tài)變?yōu)椋?(充電時取“+，放電時取“一),如果初始荷電狀態(tài)為充滿(放完)電，即SOCo =1 (SOCo =0)，則放出(充入)電量

20、Q后，電池的荷電狀 態(tài)變?yōu)椋?(充電時取“+，放電時取“一),4 OCV-SOC曲線 電池的內電壓(OCV)和它的荷電狀態(tài)(SOC)具有一定的 對應關系，通常把這一特性稱為電池的OCV-SOC曲線，OCV-SOC曲線對了解電池的性能，以及對電池的狀態(tài)估算有一定的作用。,3.5 動力電池的參數(shù)匹配 電動汽車動力電池系統(tǒng)的參數(shù)匹配主要包括電池類型的選擇、電池組電壓和能量的選擇。 351 動力電池類型的選擇 根據(jù)前面對各類型蓄電池特性的分析和動力電池的匹配原則，選擇合適的動力電池。 352 電池組電壓的選擇 在匹配動力電池組電壓時要求動力電池組的電壓等級與驅動電機的電壓等級相一致且滿足驅動電機電壓變

21、化的要求，并且由于電動汽車上電動空調、電動真空泵和電動轉向助力泵等附件的功率消耗，所以電池組的總電壓要大于電動機的額定電壓。一般車載動力電池的放電電流不超過300A，最大放電電流與電池輸出電壓的關系式如下：,其中， 電池組最低輸出電壓。 驅動電機的峰值功率。,根據(jù)上式可得，,其中， 電池組輸出電壓。,3.3.5 電池組能量的選擇 電池能量指標是體現(xiàn)電池價值的最重要參數(shù)，于純電動汽車，電池組能量的大小由電動汽車續(xù)駛里程決定，電動汽車的續(xù)駛里程可通過工況法或等速法測定，前一種方法是指將電動汽車置于工況試驗環(huán)境下以工況行駛速度經行行駛試驗，試驗期間行駛的總距離即為續(xù)駛里程；后一種方法是指讓電動汽車以恒定速度在道路上行駛，由于不同車速下電動汽車的續(xù)駛里程不同，根據(jù)續(xù)駛里程與車速的關系，當車速在30-63 kmh范圍內時有較大的續(xù)駛里程，一般標定電動汽車續(xù)駛里程時取速度為(40+2)kmh或(602)kmh，試驗期間行駛的總距離即為續(xù)駛里程。電動汽車常采用等速法對續(xù)駛里程這一性能指標進行測定 。,THANK YOU !,