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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(jī)、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(wù)是在滿足整車動力性能要求的基礎(chǔ)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(jī)的參數(shù)匹配,電動機(jī)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(guān)，因此，對電動機(jī)的選擇及參數(shù)匹配是研究設(shè)計純電動汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。為了高性能地驅(qū)動電動汽車，驅(qū)動電機(jī)在性能上須達(dá)到一定的要求，通常要求驅(qū)動電機(jī)能夠頻繁起動停車、加速減速，轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能要求高；在低速或爬坡時，轉(zhuǎn)矩要高，而在高速行駛時，轉(zhuǎn)矩要低；其次，驅(qū)動電機(jī)

2、的的調(diào)速范圍要寬，既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又要運行在恒功率區(qū)，同時在整個調(diào)速范圍內(nèi)還得保持較高的運行效率。,1.1 驅(qū)動電機(jī)類型的選擇 適用于電動汽車的電動機(jī)可分為兩大類，即有換向器電動機(jī)和無換向器電動機(jī)。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(jī)類型；有換向器的直流電動機(jī) ；無換向器直流電動機(jī) 中的感應(yīng)電動機(jī)、永磁電機(jī) 、開關(guān)磁阻電動機(jī) 。,純電動汽車的電動機(jī)應(yīng)有較高的轉(zhuǎn)矩慣量比，盡可能寬的高效率區(qū)和良好的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。在目前所用的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，直流電機(jī)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(yīng)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運

3、行可靠，大量應(yīng)用在電動汽車中，但功率密度和效率一般。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單，效率、轉(zhuǎn)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(jī)系統(tǒng)具有最高的效率、轉(zhuǎn)矩慣量比，在電動汽車中得到了較廣泛的應(yīng)用。,1.2 電動機(jī)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(jī)的功率直接影響整車的動力性。電動機(jī)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(jī)的體積和質(zhì)量，正常行駛時電動機(jī)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(shè)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

4、間丁(秒)和最大爬坡度lmax (%)來確定電動機(jī)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(fēng)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(jīng)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(shè)車輛在平直路面上加速，根據(jù)車輛加速過程的動力學(xué)方程，其瞬態(tài)過程總功率為： =

5、 1- 4 其中Pall為加速過程總功率（kw）由加速功率Pj、滾動阻尼功率Pf與空氣阻力功率Pw組成；dt為設(shè)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(biāo)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(shè)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(jī)的峰值功率，計算過程如下： 整車通過改型為電動客車后，質(zhì)量估算：,,1-7,即，新車質(zhì)量原車整備質(zhì)量發(fā)動機(jī)質(zhì)量變速器質(zhì)量

6、發(fā)動機(jī)附件質(zhì)量+電池質(zhì)量+電機(jī)質(zhì)量+乘員質(zhì)量。估算電動機(jī)、電池和乘客等質(zhì)量后，計算得到 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(jī)最大功率需求的關(guān)系曲線。再根據(jù)性能指標(biāo)最高車速，進(jìn)而得到 Pmax1。 其次將不同的坡度值代入式（1-2），并假設(shè)車速 vi ，計算得到車輛最大爬坡度與電動機(jī)功率需求的關(guān)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(jī)功率需求的三維關(guān)系曲線。 考慮一定的電動機(jī)后備功率（約 20%），計算得 Pmax3 。,綜合考慮上述動力性指標(biāo)（最高車

7、速、最大爬坡度和加速性）要求，根據(jù)式（1-6）確定電動機(jī)峰值功率為,電動機(jī)的額定功率可根據(jù)峰值功率由下式求出：,,（1-8 ）,式中 Pm ax電機(jī)峰值功率； P額 電機(jī)額定功率；電機(jī)過載系數(shù)。 （電動機(jī)過載系數(shù)一般取為 23 ）,1.3 電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速的選擇 電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對電動機(jī)成本、制造工藝和傳動系尺寸有很大的影響。轉(zhuǎn)速在 6000r/min 以上的為高速電機(jī)，以下為普通電機(jī)。前者成本高、制造工藝復(fù)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(qū)動電機(jī)，很少在純電動客車上使用。因此應(yīng)采用最高轉(zhuǎn)速不大于 6000r/min 的低速電機(jī)

8、。,電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值也稱為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù) ，隨 值的增大，電動機(jī)可在低轉(zhuǎn)速區(qū)獲得較大的轉(zhuǎn)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(dǎo)致電動機(jī)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(jī)額定轉(zhuǎn)速應(yīng)該在 15003000r/min 之間選取。,注意事項： 對經(jīng)常啟動、制動和反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，選擇額定轉(zhuǎn)速時則應(yīng)主要考慮縮短啟、制動時間以提高生產(chǎn)率。啟、制動時間的長、短主要取決于電動機(jī)的飛輪矩和額定轉(zhuǎn)速，應(yīng)選擇較小的飛輪矩和額定轉(zhuǎn)速。從電動機(jī)制造角度講，同樣功率的電動機(jī)若額定轉(zhuǎn)速越高，其電磁轉(zhuǎn)矩外形尺寸就愈小，成本就愈低且重量亦輕，并且

9、高速電機(jī)的功率因數(shù)及效率比低速電機(jī)都高。若能選擇轉(zhuǎn)速愈高的電動機(jī)，則經(jīng)濟(jì)性愈好，但若由此而引起電動機(jī)與被拖動機(jī)械間的轉(zhuǎn)速相差過大時，所需裝設(shè)減速裝置的傳動級數(shù)就越多，這就會加大設(shè)備成本及傳動的能量損耗。,1.4 電動機(jī)額定電壓的選擇 電動機(jī)額定電壓的選擇與電動汽車動力電池組電壓密切相關(guān)。在相同輸出功率條件下，電池組電壓高則電流小，對導(dǎo)線和開關(guān)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(zhì)量的增加和動力性的下降并且難于布置。 電動機(jī)額定電壓一般由所選取的電動機(jī)的參數(shù)決定，并與電動機(jī)額定功率成正比，電動機(jī)的額定電壓越高電動機(jī)的額定功率越大。考慮上述結(jié)果確定電動機(jī)的

10、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，單靠電動機(jī)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(qū)動電機(jī)經(jīng)常保持在高效率的工作范圍內(nèi)工作以減輕驅(qū)動電機(jī)和動力電池組的負(fù)荷，電動汽車在電動機(jī)和驅(qū)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(shè)計主要包括變速器的匹配設(shè)計和主減速器的匹配設(shè)計。在電動機(jī)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

11、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(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩和車輛最大爬坡度決定。,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(qū)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(jī)的最高轉(zhuǎn)速和車輛最高車速決定。 隨著電動機(jī)及其控制器技術(shù)的發(fā)展，高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍技術(shù)得以實現(xiàn)。電動汽車要求電動機(jī)既能在恒轉(zhuǎn)速區(qū)提供較高的瞬時轉(zhuǎn)矩，又能在恒功率區(qū)提供較高的轉(zhuǎn)速。

12、,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(qū)動電能。電池系統(tǒng)的體積、形狀和技術(shù)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(dāng)?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(hù)特性。具體要求如下：,在電動汽車上，電池系統(tǒng)是一項關(guān)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

13、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(yīng)，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(guān)鍵技術(shù)。其性能指標(biāo)主要包括比能量、能量密度、比功率、功率密度、循

14、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(guān)注，是目前市場前景最好的一種產(chǎn)品。 動力電池系統(tǒng)的電壓等級要與電動機(jī)電壓等級相一致且滿足電動機(jī)電壓變化的要求。由于電動空調(diào)、電動真空泵和電動轉(zhuǎn)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(jī)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(yīng)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

15、容量，并且確定的電池容量還須符合市場現(xiàn)有產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，并通過對現(xiàn)有產(chǎn)品反復(fù)驗證進(jìn)行設(shè)計。,當(dāng)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、安全性好、價格低廉以及材料資源豐富等優(yōu)點。但其質(zhì)量比能量和體積比能量值都較小，嚴(yán)重制約其在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)、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(yīng)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(yīng)、充放電效率高、循環(huán)壽命長和無污染性等優(yōu)點

16、。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(rèn)可、技術(shù)上也獲得較大的發(fā)展，被認(rèn)為是新一代電動汽車?yán)硐氲膭恿υ础?3.2 各大動力電池的優(yōu)缺點,動力電池的主要性能指標(biāo)是評價動力電池性能的關(guān)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(biāo)包括： (1)質(zhì)量比功率(WKg)：電池的質(zhì)量比功率代表每千克質(zhì)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(biāo)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(guān)鍵的因素；

17、(2)質(zhì)量比能量(Wh/kg)：代表每公斤質(zhì)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，動力電池中的化學(xué)物質(zhì)就要發(fā)生一次可逆性的化學(xué)反應(yīng)。隨著充電和放電次數(shù)的增加，動力電池中的化學(xué)活性物質(zhì)會發(fā)生老化，逐漸削弱其化學(xué)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(biāo)，它標(biāo)志著使用的經(jīng)濟(jì)性和方便性。 (4)價格成本：電池的成本與電池的新技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，代表使用的經(jīng)濟(jì)性。目前

18、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(shù)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(biāo)。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，又稱為電池的端電壓或外電壓(U。)。電池的端電壓等于電池內(nèi)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(fù)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(fù)極標(biāo)準(zhǔn)電位合并到一起稱為電池的電動勢 ，與電池內(nèi)部的反應(yīng)狀態(tài)有關(guān)系，反應(yīng)了電池的荷電狀態(tài)。電池的正負(fù)極過電壓合并到一起稱為電池的極化電壓 。,

19、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(zhì)的理論容量 為：,其中，n為成流反應(yīng)的得失電子數(shù)；mo為活性物質(zhì)完全反應(yīng)的質(zhì)量；M為活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。實際容量C為在一定的放電條件下，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(shè)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(dāng)電池充滿電的時候，SO

20、C=1，電池放完電的時候，SOC=0。當(dāng)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(nèi)電壓(OCV)和它的荷電狀態(tài)(SOC)具有一定的 對應(yīng)關(guān)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

21、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(qū)動電機(jī)的電壓等級相一致且滿足驅(qū)動電機(jī)電壓變化的要求，并且由于電動汽車上電動空調(diào)、電動真空泵和電動轉(zhuǎn)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(jī)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(guān)系式如下：,其中， 電池組最低輸出電壓。 驅(qū)動電機(jī)的峰值功率。,根據(jù)上式可得，,其中， 電池組輸出電壓。,3.

22、3.5 電池組能量的選擇 電池能量指標(biāo)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?yán)m(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(jīng)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(guān)系，當(dāng)車速在30-63 kmh范圍內(nèi)時有較大的續(xù)駛里程，一般標(biāo)定電動汽車?yán)m(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(biāo)進(jìn)行測定 。,THANK YOU !,