（光学工程专业论文）ch7110电动汽车总体设计及动力系统参数匹配研究.pdf

c i t 7 1 1 0 电动汽车总体设计及动力系统参数匹配研究 摘要 随着能源的日益紧缺和环境污染的加重，传统汽车工业面临着巨大的挑战， 各种新能源汽车成为研究的热点，电动汽车成了今后汽车工业发展的主要研究 方向之一。纯电动汽车是以车载储能装置( 包括蓄电池、超级电容、飞轮电池 等装置) 为动力源，以电动机驱动车辆行驶。由于其不消耗石油，且不产生排 放污染，可以避开石油紧缺和环境污染的双重危机，因此有着广阔的应用前景。 本文研究了电动汽车的结构特点，并根据c h 7 1 1 0 的性能要求，提出了一 种合适的动力系统构型，对动力系统进行参数匹配，并对整车结构参数、传动 比参数、电动机参数、电池组容量参数等进行了匹配设计。对c h 7 1 1 0 纯电动 汽车进行了总体设计，并对关键零部件进行了布置设计。 论文还利用基于m a t l a b 平台的电动汽车仿真软件a d v i s o r 对c h 7 1 1 0 电动汽车的进行了建模仿真。对纯电动汽车的整车模型、电机模型、电池模型、 传动系统模型进行了分析研究。对c h 7 1 1 0 电动汽车模型进行了仿真，仿真结 果表明，动力性和经济性符合了电动汽车设计要求，达到了预期的动力性能和 系统效率的目标。蓄电池功率特性能够满足整车动力性能的要求。同时，驱动 电机的转速一扭矩特性、功率效率特性及起动特性较好地满足了c h 7 1 1 0 的动力 性能。 论文最后对电动汽车的整车性能进行了试验。试验结果表明，其动力性能 和经济性能均满足了设计要求，为今后电动汽车的设计提供了一定的参考价值 和指导意义。 关键词：电动汽车，动力系统，参数匹配，建模仿真，试验 d e s i g no fv e h i c l ea n ds t u d y o np a r a m e t e r sm a t c h i n go ft h e p o w e r t r a i ns y s t e mi nc h 7 1 1 0e v a b s t r a e t a st h es h o r to fe n e r g ya n dt h e p o l l u t i o n o fe n v i r o n m e n t ，t r a d i t i o n a l a u t o m o b i l ei n d u s t r i e sa r ef a c e dw i t hg r e a tc h a l l e n g e v a r i o u sn e we n e r g yv e h i c l e s a r es t u d i e da n de l e c t r i cv e h i c l ei s r e g a r da s o n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c h d i r e c t i o n s e l e c t r i cv e h i c l ew h i c hi sc o m p o s e do fe n e r g ys t o r ee q u i p m e n t ( s u c ha s s t o r a g ec e l l ，s u p e rc a p a c i t a n c e ，f l y w h e e lb a t t e r i e s ) u s e st h em o t o rt od r i v et h e v e h i c l e i tc o u l da v o i do i ls h o r t a g e sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，s oe vh a sl o n g t e r mp o t e n t i a lf o rf u t u r em a i ns t r e a m s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e ro ft h ee l e c t r i cv e h i c l e ，a n dd i s c u s s e s s e v e r a lk i n d so fc o n f i g u r a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h e c h 7 1 1 0p e r f o r m a n c e ，t h ep a r a m e t e r so fd y n a m i c a ls y s t e ma r em a t c h e d t h r o u g h t h ed e s i g no ft h ec o n f i g u r a t i o no fw h o l ev e h i c l e ，t h ep a r a m e t e r so ft r a n s m i s s i o n ， m o t o r ，b a t t e r i e sa n dr a t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yw a sp u tf o r w a r d t h i sp a p e ra l s os i m u l a t e dt h ep e r f o r m a n c eo fc h 7110b yt h ea d v i s o r s o f t w a r ew h i c hi sb a s e do nm a t l a b t h ew h o l ev e h i c l em o d e l ，m o t o rm o d e l ， b a t t e r ym o d e l ，t r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d e la r es t u d i e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n s h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i c a la n de c o n o m i cc a nm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s s p e e d - t o r q u e ，p o w e r e f f i c i e n c ya n ds t a r t u pc h a r a c t e r so ft h em o t o r m e e tt h ec h 7 1 1 0d y n a m i c a ld e m a n d t h ee x p e r i m e n to ft h ew h o l ev e h i c l ep e r f o r m a n c ew a sd o n e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em a x i m a ls p e e d ，a c c e l e r a t i o na n dm a x i m u mc l i m bg r a d em e e tt h ed e s i g n d e m a n d k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lv e h i c l e ，p o w e r t r a i ns y s t e m ，p a r a m e t e r sm a t c h i n g ，s i m u l a t i o n ， e x p e r i m e n t v 插图清单 图卜1 “十一五”提出的电动汽车“三纵三横”研发布局3 图2 - i 动力系统结构图1 0 图2 - 2 电池功率、效率与放电电流的关系1 2 图2 - 3 驱动电机的扭矩转速特性1 4 图2 4 驱动电机效率及连续转速特性1 4 图3 - i 整车总体设计流程图1 7 图3 - 2 整车结构布置图1 9 图3 - 3 机电集成化驱动布置方式结构简图2 l 图3 - 4 传动系结构示意图2 1 图3 - 5 电动汽车能量应用模式2 2 图4 - 1 车辆后向仿真方法示意图2 6 图4 2 车辆前向仿真方法示意图2 6 图4 - 3 车辆混合仿真方法示意图2 7 图4 4 建模流程2 7 图4 - 5 纯电动汽车整车s i m u l i n k 模型2 8 图4 - 6 永磁无刷直流电机等效电路图2 9 图4 - 7 电机模型3 0 图4 - 8 蓄电池等效电路3 0 图4 - 9 蓄电池模型3 2 图4 1 0 主减速器模型3 3 图4 一l l 变速器模块3 4 图5 - 1 车辆输入界面3 5 图5 2 仿真设置界面3 6 图5 - 3 仿真结果输出界面3 6 图5 - 4 道路循环请求汽车的行驶速度3 9 图5 5 加速测试高级选项3 9 图5 - 6 坡度测试高级选项4 0 图5 7u d d s 工况下e v 的车速4 1 图5 - 8 输入电动机的实际功率4 l 图5 - 9 电动机的转速4 1 图5 - 1 0 蓄电池系统的s o c 值4 l 图5 1 1 蓄电池可用功率4 2 图5 - 1 2 行驶里程与时间关系4 2 i x 图5 1 3 原地加速之速度变化曲线4 4 图5 1 4 原地加速之距离变化曲线4 4 x 插表清单 表1 - 1 国外部分电动汽车动力性能参数2 表1 - 2 国内部分电动汽车动力性能参数4 表卜3 各种车用电池的性能比较5 表卜4 各种电动机性能参数7 表卜5 电动汽车仿真软件基本情况8 表2 - 1 整车动力性能等相关参数要求1 0 表3 一l 整车参数1 8 表3 2 弹簧材料1 9 表3 3 整车线束参数2 3 表5 - 1 道路循环参数及模拟的电动汽车数据3 8 表5 2e v 的仿真结果4 0 表5 3 最高车速试验结果4 3 表5 4 加速性能试验结果4 3 表5 5 经济性能试验结果4 5 x i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金坦王些态堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：到次够签字日期：冲7 瑚7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筵王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定t 有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金世工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：莎i 秽 j 签字日期：矽7 年7 j 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： l i l 导师签名刁哇( 缈 签字吼冲f 2 月7 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在尊敬的导师张炳力副教授的悉心指导下完成的。张老师在我研 究生学习的每一个阶段都给予了关键性的、启发性的和鼓励性的指导，对我严 格要求，不断帮助我进步，帮助我成长，我所取得的每一点成绩都是和导师的 辛勤工作分不开的。张老师严谨求实的科学态度，渊博的专业知识，忘我的工 作热情以及对工作一丝不苟的态度，使我终身受益。在此，我向导师致以衷心 的谢意。 此外，车辆工程教研室孙骏副教授在学习上给予我无私的指导和帮助，对 此，我向他表示诚挚的谢意。 在硕士研究生学习期间，车辆工程教研室各位老师不断给予我成长的机会 和无私的关怀，在此向各位老师表示衷心的感谢。 感谢徐德胜、张冰战同学对我在学习上的热情帮助。 感谢家人对我精神上和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 作者：刘灵芝 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 前言 随着世界经济的发展，能源及环境问题越来越成为人们关注的焦点。汽车 作为能源消耗大户及环境污染的重要源头之一，其发展也面临严重的挑战，传统 的以有限的石油资源为基础的发展模式越来越不被人们认同，节能和环保成为 汽车工业发展的新目标【l j 。在此背景下电动车的发展被广泛看好，由于其有效 避开了能源紧缺和环境污染的双重危机，因此被认为是汽车工业发展的明日之 星【2 1 。 电动汽车由机械系统、电力和电子系统以及信息系统等组成。机械子系统 由底盘和车身、驱动装置、变速器以及电源箱体组成；电力电子子系统由动力 网、电动机、控制器和能源系统组成；信息系统用于处理驾驶员的意愿，并监 控汽车的运行，电源、电动机、控制器和充电器的状态等。 电动汽车分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。混合 动力电动汽车( h e v ) 是以发动机为主要动力，以电动机为辅助动力，采用发动 机动力与电动机动力按不同方式和不同比例的混合来开发各种形式的h e v ，可 以用比较简单、比较经济的方法，既不增大汽车的整备质量，又保证了车辆的 动力性能。燃料电池电动汽车【3 】【4 】( f c e v ) 的电力系统由燃料电池和辅助电源、 电流转换器、驱动电动机和控制系统组成，电动机驱动是f c e v 唯一的驱动方 式。通常有以甲醇或汽油等经过改质产生氢气为燃料及直接以氢气为燃料的 f c e v 。纯电动汽车( e v ) 是以车载储能装置为能量源，以电动机驱动车辆行 驶。本文的研究对象为纯电动汽车。 与传统汽车相比，纯电动汽车主要有以下特点： 1 、 纯电动汽车以车载储能装置( 包括蓄电池、超级电容、飞轮电池等 装置) 为动力源，由电动机来驱动车辆行驶。 2 、 纯电动汽车靠电力驱动行驶，故不需要石油资源，可以有效缓解当 前石油紧缺的危机。 3 、 纯电动汽车不产生废气，且电动汽车噪声小，属于“零污染”车辆。 4 、 纯电动汽车能量转换效率高、没有复杂的传动系统和机械式的逆转 装置，易实现操纵自动化。 5 、 行驶平稳、乘坐舒适、安全性好及驾驶简单轻便等。 6 、 受到蓄电池的比功率和比能量较低、充电时间较长等缺点的限制， 使得目前的纯电动汽车的动力性、续驶里程等比较低，另外蓄电池 的体积和质量使得整车整备质量太大。 我国是一个能源短缺的国家，随着汽车保有量的增加，能源问题和环境污 染问题也日益严重。国内对清洁汽车需求的呼声越来越高，由于纯电动汽车的 技术实现难度小、成本相对较低，所以开发国产电动汽车对我国汽车工业的发 展具有现实意义。 1 2 国内外电动汽车研究开发现状 1 2 1 国外电动汽车的研究开发 电动汽车的研究和开发得到了各国政府的大力支持【5 】1 6 1 。德国早在上个世 纪就开始研制电动汽车，在电动道路交通协会指导下进行开发实验工作。日本 是能源短缺的工业国，城市污染严重。日本政府直接参与推动电动汽车发展的 事业，制定了电动汽车普及应用计划。在应用研究方面，如日本东京电力公 司和日本研究开发公司，联合研制成“i z a ”豪华型电动汽车。它采用2 8 8 v 镍 镉电池作为驱动电源，设有制动能量回收装置，最高车速可达1 7 6 k m h ，一次 充电行驶里程高达5 4 4 k m ( 4 0 k m h 等速行驶) 。美国汽车工业十分发达，汽车产量 大，保有量最多，石油消耗量和汽车排放污染物居世界首位。上世纪9 0 年代初 美国提出了联邦清洁空气法修正案规定了严格的汽车尾气排放标准。这些措施 推动了美国电动汽车的迅速发展。2 0 0 3 年7 月，t e s l a m o t o r s 公司制造成功了 全世界第一辆全电动跑车，一次充电续驶里程达到4 0 2 k m t 】。据美国电动车协 会发表的统计数据，美国有2 0 0 多家企业研制和开发电动汽车。另外，法国，意 大利，韩国等均投巨资开研制发电动汽车，并制定相应的优惠政策【4 5 1 。 国外主要研发的电动轿车动力性能参数如表1 1 所示。 表卜1 国外部分电动汽车动力性能参数 续 动力电池组驱动电动机 最高驶 车型 车速里 程 类型性能类型功率( k w )k m hk m 通用汽车公司e v - i镍一氢交流最大1 0 0 1 2 82 0 0 福特汽车公司r a n g e r 铅酸3 1 2 v2 3 k w 交流 最大6 71 2 81 4 4 奔驰汽车公司a c l a s s e v z e b e r3 0 2 v5 8 k w 交流最大5 0 1 3 02 0 0 宝马汽车公司b m w - e 1钠一硫1 2 0 v1 9 k w最大3 3 1 2 02 4 0 额定1 2 雪铁龙汽车公司s a x o镍一镉1 2 0 v1 3 k w直流9 01 0 0 最大2 0 额定1 2 标致q c g s1 0 6 e v 镍一镉1 2 0 v 直流 1 1 02 0 0 最大2 0 菲亚特汽车公司z i c镍一氢2 1 6 v5 0 a h永磁5 01 0 01 6 0 丰田汽车公司r a v - 4e v镍一氢 2 8 8 v 永磁 4 51 2 52 2 0 丰田汽车公司e c o r n镍一氢永磁1 8 51 0 01 0 0 锂离 本田汽车公司f e v - i i1 0 0 a h 交流 最大5 51 2 02 0 0 子 2 1 2 2 我国电动汽车的研究开发 我国政府也十分重视电动汽车关键技术的开发研究，早在“八五”期间就 将电动汽车研究列入国家科技攻关计划，并在“九五”期间将电动汽车的研究 列入国家重大科技产业工程项目【4 2 1 。在国家科技部，国家高技术研究发展计划 ( “8 6 3 ”计划) 中，设立了电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为 我国汽车工业自主创新和科技创新的主攻方向，组织汽车企业、高等院校和科 研机构，计划在“十五”期间，以电动车辆的产业化技术平台作为工作重点， 力争在电动车辆关键技术、系统集成技术等方面取得重大突破，促进电动车辆 符合现代企业制造和市场发展要求的研发体系和机制的形成。电动汽车重大专 项提出“三纵、三横”的研究开发布局，如图1 1 所示，强调建立符合整车开 发规律的严密的整车开发程序，以燃料电池电动车辆f c e v 、混合动力电动车 辆h e v 和纯电动车辆e v 的整车为主导( 三纵) ，带动关键零部件、多能源动力 总成控制系统、电动机驱动系统、电池和电池管理系统( 三横) ，使整车控制技 术和电子控制技术的研发全面发展( 4 4 1 。 图卜1 “十一五”提出的电动汽车“三纵三横”研发布局 在“十五”期间，我国电动汽车经过多轮的研究和开发，已经试制成功多 种型号的电动轿车和电动大客车，并研发了与之配套的各种关键技术装备，如 蓄电池、超级电容器、电流变换器、驱动电动机、控制系统和大型充电设备等， 可以为电动汽车提供高性能、可靠性好和批量生产的各种关键技术装备。国 内主要研发的电动轿车和电动大客车的动力性能参数如表卜2 所示。 表卜2 国内部分电动汽车动力性能参数 动力电池组驱动电动机 最高续驶 车速里程 车型 类型性能类型 功率( k w ) k m hk m 2 4 0 v 额定2 2 清华大学e v 6 5 8 0铅酸 永磁8 01 2 0 1 5 5 a h 最大4 3 2 8 8 v 二汽e q 6 6 9 0 e v 铅酸开关磁阻 最大3 0 7 01 4 0 1 5 0 a h 香港大学 镍一镉1 4 0 a h永磁最大5 01 32 7 0 u 2 0 0 1 e v 天津一汽威姿锂离子5 5 a h交流1 51 0 01 7 0 2 9 6 v2 比亚迪e t l i i o n 轮毂电机 4 x 2 51 6 53 0 0 0 0 a h 北京理工大学3 8 8 8 v 铅酸永磁5 58 3 51 5 5 h f f 6 8 5 0 g k 6 02 5 5 a h 北京理工大学3 8 8 8 v 锂离子三相交流 1 0 09 l2 l o b k 6 1 2 0 e v 4 0 0 a h 时代集团3 8 4 v 铅酸 三相交流 1 0 07 09 0 t c g 6 1 2 0 e v 28 5 a h 4 0 0 v 博信公司e v b u s锌一空气交流9 07 28 5 3 0 0 a h 哈尔滨工业大学 超级电容3 0 0 1 6 0 v永磁直流9 05 02 5 超级电容客车 1 4 4 v合肥工业大学纯 铅酸永磁直流 2 08 01 2 0 电动汽车1 5 0 a h 1 3 电动汽车的关键技术 尽管电动汽车在2 0 世纪前就已经存在，但是现代电动汽车完全不同于传统 的电动汽车，它不仅仅是运输车辆，而且是一台全新的电气设备。电动汽车发 展的的关键技术主要有：电池技术、电机及控制技术、整车技术和能量管理技 术【”i s ! 5 1 j 。 1 3 1 电池技术 l 、电池技术 电池是电动汽车的动力源，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动 汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。 要使电动汽车具有竞争力，就要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高 效电池。 到目前为止，电动汽车车用动力蓄电池经过三代的发展，已取得了突破性 的进展。第一代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池( v r l a ) ，由于其比能量 较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前唯一能大批量生产的电动汽车用电 池。第二代是碱性电池，主要有镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锌空气等多种电 池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能 和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。只要能采用廉价材料，电动汽车用锂 离子电池将获得长足的发展，目前关键是要降低批量化生产的成本，提高电池 的可靠性、一致性及寿命。第三代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将 燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以 控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。 目前，锂离子电池和燃料电池成为最有可能实现商业化的电池，此外，镍氢电 池也是2 1 世纪应用广泛的动力电池之一。表卜3 为各种车用电池的性能比较。 表卜3 各种车用电池的性能比较 电池类型比能量比功率能量密度功率密度循环寿命 r w h k g )( w k g )n v h l )( w l ) ( 次) 铅酸电池 3 51 3 00 0 5 0 04 0 0 6 0 0 镍镉电池 5 51 7 09 4 2 7 85 0 0 以上 镍氢电池 8 02 2 51 4 3 4 7 01 0 0 0 以上 锂离子电池 1 0 0 3 0 0 2 1 57 7 8 1 2 0 0 燃料电池 5 0 0 6 0 飞轮电池1 48 0 02 5 年 2 、能量管理技术 蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，必 须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。因此必须对蓄 电池进行管理。 能量管理系统是电动汽车的智能核心之一。一辆设计优良的电动汽车，除 了有良好的机械性能、电驱动性能、适当的能量源( 即电池) 外，还应该有一套 维持电动车所有蓄电池组件的工作，并使其处于最佳状态；采集车辆的各个子 系统的运行数据，进行监控和诊断；控制充电方式和提供剩余能量显示等职责 的能量管理系统。能量管理系统研究与开发不仅要建立包括蓄电池在内的电动 车的数学模型而且要开发以微处理器为核心的电子控制单元。 1 3 2 电动机及其控制技术 1 、电动机技术 驱动电机是电动汽车的心脏，它正在向大功率、高转速、高效率和小型化 方向发展。在选择驱动电机时，应满足以下基本要求： ( 1 ) 电动机的功率、转矩和转速应满足电动车辆动力性能的要求，能够适 应电动车辆频繁的起动、加速、减速、倒车和停车的运行要求，并保持高效率。 ( 2 ) 一般要求电动机能够承受2 4 倍的过载，并能够实现四象限的运转， 高效率地回收电动车辆在制动时反馈的能量。 ( 3 ) 电动机的工作电压高、转速高可以提高电动机的比功率，减小电动机 的尺寸，降低电动机的重量和各种控制装置，有利于在电动车辆上进行安装和 布置，并可以降低成本。 ( 4 ) 电动机有良好的可靠性、耐温和耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长 时间的运转，结构简单、使用维修方便，适合批量生产。 电动汽车常用的驱动电动机有直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开 关磁阻电动机。 直流电动机成本最低，控制简单( 斩波器控制) ，易于平滑调速，但效率较 低，体积和重量较大，最高转速也较低。目前主要用在小型、低速、低价的电 动汽车上。 交流电动机与直流电动机比，具有效率高、体积小、重量轻、免维护、结 构简单、寿命长等优点。采用矢量控制和直接转矩控制来解决动态模型的非线 性问题。 开关磁阻电动机具有结构简单、制造成本低、转矩转速特性好等优点，在 电动汽车上很有潜力。但设计和控制非常困难和精细，难以大规模应用。 永磁电动机具有惯性低和响应快的优点，采用矢量控制法以满足电机驱动 的高性能要求。但由于目前技术所限，永磁电机还局限于较小功率范围。 从目前来看，欧美多采用交流电动机，日本多采用永磁电动机，我国在低 档电动车上用直流电机，高档小功率用永磁电动机，大功率用交流电动机。各 种电动机性能参数如表1 4 所示： 6 表1 - 4 各种电动机性能参数 开关磁阻电动 项目直流电动机交流电动机永磁电动机 机 转速范围 4 0 0 0 6 0 0 01 2 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 04 0 0 0 1 0 0 0 0 ( r m i n ) 功率密度低中较高高 功率因数( )8 2 8 56 0 6 59 0 9 3 峰值效率( )8 5 8 99 4 9 58 5 9 09 5 9 7 负荷效率( )8 0 8 79 0 9 27 8 8 68 5 9 7 过载能力( )2 0 03 0 0 5 0 03 0 0 5 0 03 0 0 恒功率区比例l ：51 ：3l ：2 2 5 电动机质量重中轻轻 电动机外形尺 大 中 小小 寸 可靠性一般好 好优良 结构坚固性差好优良一般 控制操作性能最好好好好 控制器成本低高 一般高 2 、电动机控制系统 随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控 制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控 制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。它们的应用将使 系统结构简单、响应迅速、抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，可大大提高 整个系统的综合性能。电动汽车再生制动控制系统可以节约能源、提高续驶里 程，具有显著的经济价值和社会效益，再生制动还可以减少刹车片的磨损，降 低车辆故障率及使用成本。 1 3 3 电动汽车整车技术 电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多 高新技术。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽 车自身质量减轻3 0 5 0 ；实现制动、下坡和怠速时的能量回收：采用高弹 滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少5 0 ；汽车车身特 别是汽车底部流线型化，可使汽车的空气阻力减少5 0 。因此电动汽车的整车 总体设计至关重要。 整车控制系统由整车控制器、通信系统、部件控制器以及驾驶员操纵系统 7 构成，其主要功能是根据驾驶员的操作和当前整车及零部件工作状况，在保证 安全和动力性要求的前提下选择尽可能优化的工作模式，以求达到最佳的经济 性。整车控制系统是电动汽车的大脑，负责对蓄电池系统、电机驱动系统、再 生制动系统和其它辅助系统进行监测和管理。目前控制系统向智能化和数字化 方向发展，模糊控制、自适应控制以及遗传算法等智能控制技术也都可能应用 于电动汽车的控制系统中。 1 4 电动汽车仿真软件技术的进展 1 4 1 电动汽车仿真软件现状 早在上世纪七十年代，美国、日本、英国和法国等国家都研制出多种电动 汽车仿真软件，它们中大多数软件由于功能单一，仿真效果差，已经被淘汰。 近十年内主要的电动汽车仿真软件的基本情况介绍与对比如下( 见表1 - 5 ，其 中空白栏表示资料不全。在表1 5 的车型栏中，c v 表示传统内燃机汽车，s h e v 表示串联混合动力汽车，p h e v 表示并联混合动力汽车，f c e v 表示燃料电池 汽车) ，这些软件除香港大学研制的e v s i m 外，其它都是美国的大学、研究机 构和公司研制的软件。目前国内已经有少数大学和研究机构在进行电动汽车仿 真的研究，并且开发了一些仿真程序，但是功能单一，尚没有成熟的国产商品 化软件出现。随着我国“十五”电动汽车重大专项的启动，我国将在这一领域 加大研究投入力度一“。 表卜5 电动汽车仿真软件基本情况 软件名称开发单位系统平台开发软件年代 s i m p l e v3 0 ( a s i m p l ee l e c t r i c i d a h o 国家工程实 d o s q b a s i c 1 9 9 5 v e h i c l es i m u l a t i o n 验室 p r o g r a m ) a e r ov i r o n m e n t 公 c a r s i m2 5 4 a p p l e m a c h i n t o s h1 9 9 5 司 h v e c ( ah y b r i d l a w r e n c e v e h i c l ee v a l u a t i o nl i v e r m o r e 国家实1 9 9 5 c o d e )验室 c s m h e v c o l o r a d o 矿业学校 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k1 9 9 6 v - e l p h ( v e r s a t i l e e l e c t r i c a l l y p e a k i n g t e x a s a & m 大学w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k1 9 9 7 h y b r i d ) a r g o n n e 国家实验 m a r v e li b mp cp l ，1 室 a d v l s o r2 0 0 2 可再生能源实验室 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k 2 0 0 2 p s a t5 1w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 a r g o n n e 国家实验 室 h e v s i m o p a l r t 技术公司 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 e v s i m香港大学w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k 2 0 0 2 1 4 2 电动汽车仿真软件的应用 计算机仿真作为一种有力的工具，现在广泛应用于各种研究领域。它的主 要作用是在进行昂贵且费时的原型实验之前对物理系统的性能进行模拟分析， 工程设计人员可以利用它全面地评估其设计，并通过它发现设计中的一些问题， 而这些问题通过测量和实验是不易发现的。计算机仿真技术有利于制造商减少 开发新产品的时间、降低成本，并能迅速进行概念评价。 1 - 5 本文研究的主要内容 本文结合合肥工业大学c h 7 1 1 0 电动汽车开发项目，对纯电动汽车的几项 关键技术做了进一步的研究工作。主要内容有以下几个方面： 1 、在借鉴传统汽车的设计方法和经验的基础上，本文将设计一种符合纯 电动汽车自身特点的动力系统构型方案，建立了一种电动汽车动力系统参数的 匹配设计方法，对整车结构参数、传动比参数、电动机参数、电池组容量参数 等关键参数进行匹配计算。 2 、根据整车及关键零部件参数，结合c h 7 1 1 0 电动汽车自身特点，进行了 总体设计，并对蓄电池、电动机和电机系统等关键零部件总体布置设计。 3 、利用a d v i s o r 软件，根据c h 7 1 1 0 电动汽车的动力系统结构，建立整 车、电机、电池和传动系统的仿真模型。 4 、选择合适的工况对c h 7 1 1 0 纯电动汽车性能进行了仿真研究。验证仿真 模型的正确性。参考电动汽车的国家试验标准进行整车性能试验，验证c h 7 1 1 0 纯电动汽车整车动力性、经济性是否满足设计要求。 9 第二章c h 7 1 1 0 纯电动汽车动力系统参数匹配设计 2 1 整车性能要求和动力结构选型 2 1 - 1 整车性能要求 电动汽车的动力性能主要取决于动力系统参数匹配( 包括动力源、驱动电 机、控制器、变速器等) 以及控制策略和各部件的特性等。为了节约能量以提 高其动力性能，要求电动汽车具有能量再生能力。根据设计要求，本文设计的 电动汽车整车动力性能及相关参数及要求见表2 1 。 表2 - 1 整车动力性能等相关参数要求 2 1 2 动力系统结构选型 动力系统采用铅酸动力电池作为动力源，并回收制动能量。再生制动系统 对整车性能有很大影响，通过再生能量的回收，达到了能量的循环利用，延长 了电动汽车续驶里程。电动汽车采用电制动时，驱动电机处于发电状态，使车 辆产生制动力矩，同时将其所产生电能反充到蓄电池，从而有效地回收制动能 量，延长行驶里程。 本车选用的是采用矢量控制的永磁无刷直流电动机，该电动机是近年来随 着电力电子器件及新型永磁材料而迅速发展成熟的一种电动机，其具有效率高、 可靠性好、免维护及有效实现再生制动等优点。动力系统结构如图2 一l 所示。 2 1 3 动力系统控制策略 本车动力系统控制策略是：当汽车起步加速和正常行驶时，蓄电池给驱动 电机供电驱动车轮，并向车载用电器供电；当汽车下坡减速或刹车减速时，驱 动电机作为发电机给蓄电池充电，从而实现能量回馈。 l o 通过对永磁无刷直流电动机控制分析，可以将车辆动能转化为电能且回馈 到电池中去，同时可产生制动力矩，进行车辆制动。在驱动控制时，以电机绕 组电流( 驱动力矩) 为控制对象，采用的电机绕组电流闭环控制具有与传统汽车 相似的驾驶特性。在再生制动控制时，以回馈到电池的回馈电流为控制对象， 所控制的再生电流有效地控制在电池的最大充电电流范围内。再生制动与机械 制动联合制动的策略，可提高了车辆的制动性能，在有效地回收能源的基础上， 提高了制动的强度、灵敏性和可靠性。 2 2 整车技术参数设计 根据汽车理论中汽车行驶方程【1 2 】： e = 乃+ e + e + = g c o s g + 噪+ g s i n a + 占m 鲁 ( 2 - 1 ) 其中： 滚动阻力，r乃= g f c o s a ( f ；h s = t a n 口) ( 2 - 2 ) 空气阻力e f w = 噪 ( 2 - 3 ) 坡度阻力只e = g s i n a = g i ( ，= h s = t a na t ) ( 2 - 4 ) 加速阻力只：艿m _ d u ( 2 5 ) 。 讲 ft 电动汽车旋转质量换算系数万 d = 1 + 互粤( 车轮的转动惯量l ) 迎风面积：a = i 3 6 x1 6 7 = 2 2 7 1 2 ( m 2 ) 前轮轴距与车高的乘积 滚动阻力系数：f = o 0 1 6 空气阻力系数； o o = 0 4 最高车速； u o = 8 0 k m h 最大爬坡度； f 0 2 ( 1 1 4 6 0 ) 整车整备质量： 1 2 4 8 k g 最大承载质量： 1 5 0 0 k g 汽车旋转质量换算系数： 6 = 1 0 3 汽车为了克服滚动阻力、坡道阻力、风阻和加速阻力行驶时需要的功率为： p p ：上( 盟+ 堕+ 丝；+ 盟塑)( 2 - 6 ) 叩r 3 6 0 03 6 0 07 6 1 4 03 6 0 0d t g = 9 8 1 m s 2 ，珊= 9 0 在计算最大车速和匀速行驶功率时忽略加速阻力功率与坡度阻力功率。 n ：土( 鱼盟+ 三丝生1 ( 2 - 7 ) 轿3 6 0 0 7 6 1 4 0 。 满载，最高车速8 0 k m h 时功率为： p e = 1 2 6 k w 计算最大爬坡度功率时忽略加速阻力功率与空气阻力功率。 凡：上( 盟+ 堕)( 2 8 ) r r 3 6 0 03 6 0 0 满载、1 5 k m h 最大爬坡度时功率为： p e = 1 4 7 k w 纯电动汽车是以蓄电池为其主要动力来源，以电动机驱动来实现车辆行 驶。在进行动力参数匹配过程中，汽车的功率平衡方程的功率计算是选择电动 机功率的重要依据。后面章节将进行进一步论述。 2 3 动力系统参数匹配 2 3 1 电池组参数设计 铅酸动力电池其输出电压可用下式表示【”1 ； 乩= u o r ，i b ( 2 - 9 ) 式中【，。一电池放电时的端电压 砜一电池的开路电压 r ，一电池的内阻 ，。一电池的放电电流 电池输出功率p 、放电效率i i 与放电电流关系如图2 - 2 所示【5 3 】： a )b ) 图2 - 2 电池功率、效率与放电电流的关系 从图( a ) 中可以看出，随着放电电流增大，电池的效率逐渐减少。为了提 高蓄电池效率，使其尽量工作在高效区域，电动机的工作电流要尽量小。根据 铅酸动力电池输出电压公式和图( b ) ，在一定的工作范围内，通过提高工作电 压以的方法可以减小电流，提高功率。电动汽车所用的电动机理想输出特性是 在低转速时提供恒定的大扭矩，而在高转速时提供恒定的较大功率。电池组容 量的选择主要考虑最大输出功率和输出能量，以保证电动汽车的动力性和续驶 里程。本车动力系统采用铅酸动力电池作为其主要动力源，由于新型设计和先 进生产工艺日新月异不断地出现，使铅酸蓄电池的性能指标不断向u s a b c 性 能指标接近。铅酸动力电池具有良好的大电流输出性能，高温、低温性能好， 能量效率高，并回收制动能量。 由最大功率选择蓄电池数目n ： 1 2 疗：l ( 2 1 0 ) 咒。仉 式中：孵为电池数目，忍一为蓄电池的最大输出功率；只一为电动机的最 大功率；仉为电动机工作效率；为电动机控制器工作效率。 由续驶里程选择蓄电池容量c - ： c ，：丝 ( 2 1 1 ) u 。甩k 式中：e 为蓄电池的额定容量；l 为汽车续驶里程；v l 为单块蓄电池电压； ”为蓄电池的数目；e 为蓄电池组输出功率，r 为工作效率。 c h 7 1 1 0 纯电动汽车采用的蓄电池组单体数为1 2 个，电池容量1 5 0 a h 。由 于单个蓄电池模块最大电压1 2 v ，故母线电压1 4 4 v d c 。 2 3 。2 电动机参数设计 直流电动机驱动系统为电动汽车的驱动系统之一，它结构简单，具有优良 的电磁转矩控制特性。与直流驱动电机相匹配的交流器是斩波器，它将固定的 直流电压变成可调的直流电压，调速方法主要是调压调速和调磁调速。驱动电 机参数的设计主要包括以下两个方面【1 4 】【1 5 】： 1 、驱动电机功率 正确选择电动机的额定功率十分重要。如果选得过小，则电动机经常在过 载状态下运行；相反，如果选得太大，电动机经常在欠载下运行，效率及功率 因素降低，不仅浪费电能，而且需要增加动力电池的容量，综合经济效益下降。 p 。必须满足最高车速时的功率要求p 。；必须满足加速、爬坡时的功率要求p 。， p 。，即 p 。x m a x 【p 。，p a ，p c ) ( 2 - 1 2 ) 根据动力系统控制策略，通常从保证汽车预期最高车速的驱动电机功率来 初步选择电动机最大功率，最高车速虽是动力性中的一个指标，但它实质上也 反映了汽车的加速和爬坡能力。这是因为最高车速越高，要求的电动机功率越 大，汽车后备功率大，加速与爬坡能力必然较好。因此，根据p 。选择驱动电 机的峰值功率，本文选择驱动电机额定功率为1 0 k w ，峰值功率2 0 k w 。 2 、驱动电机的转矩和转速 采用直接转矩控制的电动机驱动系统，转矩给定值的确定非常重要，它是 直接转矩控制的转矩目标值，理想情况下，电动机的输出转矩就等于该时刻的 转矩给定值。所以，转矩给定值应该能够满足负载的动力需求。因此在电动汽 车的电动机驱动系统设计中，首先要按照电动汽车的性能要求，对电动机驱动 系统的载萄进行分析，也就是对电动汽车行驶所需的的牵引力进行分析，得出 合理的电动机直接转矩控制的转矩给定值。 驱动电机最大转矩t 。的选择需要满足汽车起动转矩和最大爬坡度的要 求，结合传动系最大传动比i 。和最大爬坡度a 。来确定，见式( 2 - 1 3 ) 。 l ，。上g 墅坚堕兰坐鳖监 ( 2 1 3 ) 1 “一珊i l 式中竹一车轮滚动半径，。一最大爬坡度，一滚动阻力系数，g 一满 载时车重，目r 一机械效率，i 。一传动系最大传动比 驱动电机的额定转速n 。应该符合驱动电机的扭矩转速特性图，如图2 3 所 示，要求在启动即低转速时得到恒定的