新能源汽车技术解析-第六章纯电动汽车传动系统参数匹配与性能仿真

第六章

纯电动汽车传动系统参数匹配与性能仿真1一、驱动电机参数匹配驱动电机的转速驱动电机参数主要包括额定转速和最高转速、额定功率和峰值功率、额定转矩和峰值转矩以及额定电压等。电机最高转速与电动汽车最高车速之间的关系式中，nmax为电机最高转速，r/min；vmax为电动汽车最高车速，km/h；it为电动汽车传动系统的传动比；r为车轮半径，m。电动汽车最高车速是指电动汽车能够往返各持续1km以上距离的最高平均车速。电机额定转速式中，ne为电机额定转速；β为电机扩大恒功率区系数。β值越大，在低转速区电机就可获得越大的转矩，有利于提高车辆的加速能力和爬坡性能，稳定运行性能好；但β值太大，会增大电机的工作电流，同时功率变换器的功率损失和尺寸也会增大，因此β值不宜过高。β通常取值为2～4。传动系统的匹配直接影响电动汽车的动力性和经济性。纯电动汽车传动系统匹配主要包括驱动电机参数、传动系统传动比和蓄电池参数匹配。式中，Pe为驱动电机的额定功率；λ为电机的过载系数。驱动电机的功率驱动电机是纯电动汽车行驶的唯一动力源，对整车的动力性有直接的影响。所选的电机功率越大，整车的动力性也就越好，但是如果功率过大，电机的重量和体积也会增大，且电机的工作效率不高，这样就不能充分利用有限的车载能源，从而使续驶里程降低。1驱动电机的峰值功率由整车的设计目标来确定，峰值功率应该达到最高车速、最大爬坡度及加速时间分别对应的最大功率需求。根据电动汽车最高车速确定驱动电机峰值功率电动汽车以最高车速在平坦路面行驶时所需要的驱动电机功率为驱动电机的峰值功率2正确选择驱动电机的额定功率非常重要。如果选择过小，电机经常在过载状态下运行；相反，如果选择太大，电机经常在欠载状态下运行，效率及功率因数降低，不仅浪费电能，而且增加动力电池的容量，综合经济效益下降。电机额定功率应使电机尽可能工作在高效率区。电机额定功率应满足电动汽车对最高车速的要求，同时要考虑电机的过载要求。电动汽车驱动电机的额定功率为驱动电机的额定功率根据电动汽车最大爬坡度确定驱动电机峰值功率电动汽车以爬坡车速爬上最大坡度时所需要的驱动电机功率为根据电动汽车加速能力确定驱动电机峰值功率电动汽车加速能力是指电动汽车从某一速度加速到另一速度所需的最短时间。电动汽车满足加速能力所需要的电机功率为驱动电机的峰值功率应能同时满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度和加速能力的要求，所以电动汽车驱动电机的峰值功率为（Pemax为驱动电机的峰值功率）一、驱动电机参数匹配驱动电机的转矩驱动电机的额定转矩和峰值转矩一、驱动电机参数匹配式中，Temax为驱动电机的峰值转矩，N·m；Te为驱动电机的额定转矩，N·m。驱动电机参数初步确定之后，还须验证是否满足一定速度下的最大爬坡度和汽车行驶最高车速的要求，即驱动电机的额定电压在输出功率一样的条件下，电流会随电压变高而减小，这就降低了对开关和导线等元件的要求，如过电压较高，会增加单体电池串联的数量，会使整车质量和成本增加，动力性下降且布置困难电机额定电压常由电机的参数决定，并正比于电机额定功率。即电机的额定功率越大，电机的额定电压越高。同时，电机额定电压选择要符号标准系列规定的电压。驱动电机电压等级的确定和动力电池组电压等级密切相关二、传动系统的传动比匹配概述123在电机输出性能一定的前提下，传动比的选择主要取决于汽车的动力性对于传统的内燃机汽车，挡位数越多，相应地增加了发动机工作在高性能区域的可能性，进而提高了汽车的燃料经济性。相比之下，电动汽车的动力来自驱动电机，电机具有较宽的工作范围。电机特性为低速恒转矩，高速恒功率，适合电动汽车的运行，并不需要过多挡位。过多挡位会增加变速器的结构复杂性。固定速比的变速器并不能满足电机常工作于高效率区。两挡变速器具有结构简单、成本低、控制容易的特点，同时又能满足汽车动力性和经济性的要求。传动系统的传动比的选择应该满足的原则最大传动比应该满足汽车的爬坡性能，同时要兼顾电机低速区工作的效率；最小传动比应该满足汽车行驶的最高车速，同时尽量降低电机输入轴的转速，兼顾电机高转速工况下的效率在电机输出特性一定时，传动系统的传动比选择依赖于整车的动力性指标电动汽车传动比的选择应该满足汽车最高车速、最大爬坡度以及对加速时间的要求二、传动系统的传动比匹配传动系统的最小传动比电动汽车传动系统的最小传动比电动汽车传动系统的最小传动比由电机最高转速和汽车最高车速确定式中，itmin为传动系统的最小传动比传动系统的最大传动比电动汽车传动系统的最大传动比由以下两种方法算出的最大值确定由电机最高转速对应的输出转矩和最高车速对应的行驶阻力确定传动系统的最大传动比为式中，Tumax为电机最高转速对应的输出转矩，N·m由电机峰值转矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定传动系统的最大传动比为传动系统的最大传动比为式中，itmax为传动系统的最大传动比电动汽车传动系统的最大传动比三、动力电池参数匹配动力电池匹配原则动力电池是整车的能量来源，整车所有的能量消耗都来自动力电池。因此所选择的动力电池的类型、质量和各种技术参数都会影响电动汽车的整车性能，是电动汽车的关键部件之一。动力电池参数匹配主要包括电池容量、电池数目、电池电压等参数的匹配。动力电池匹配原则动力电池类型要求3动力电池一般有能量型与功率型两种，为满足电动汽车的行驶要求，采用能量型电池，匹配时主要考查电池的能量，即电池应具有较大的容量，以增加车辆的续驶里程。电池容量与其功率成正比，容量越大，其输出的功率越大，所以其输出功率均能满足整车电力系统的要求，因此主要是根据其续驶里程来确定电池容量，并且确定的电池容量还须符合市场现有产品的标准，并通过对现有产品反复验证进行设计电压等级要与驱动电机电压等级一致且满足其电压变化2由于电动空调、电动真空泵和电动转向助力泵等附件也消耗一定的电能，所以电池组的总电压要大于驱动电机的额定电压1符合电动汽车的运行要求电动汽车要求动力电池具有较高的比能量和比功率，以满足电动汽车续驶里程和动力性的要求，同时也希望动力电池具有与汽车使用寿命相当的充放电循环寿命，拥有高效率、良好的性价比以及免维护特性。目前可用于纯电动汽车的动力电池主要有铅酸蓄电池、金属氢化物镍蓄电池和锂离子蓄电池三、动力电池参数匹配动力电池参数匹配设计动力电池组是由一个或多个电池模块组成的单一机械总成；电池模块是一组相连的单体电池的组合；单体电池是构成电池的最小单元，一般由正极、负极和电解质等组成动力电池组的容量电池组的容量取决于电动汽车的续驶里程，电池组的容量越大，电动汽车续驶里程越长，但整车重量和成本随之增加。合理匹配动力电池组的容量可大大提高整车的性能电动汽车在水平路面上巡航行驶所消耗的功率Pmd为电动汽车巡航行驶时所消耗的功率，kW；vd为电动汽车巡航行驶速度，m/s电池组能量应满足Ez为电池组能量，kW·h；ξSOC为蓄电池放电深度；ηe为电机及控制器整体效率，是指电机转轴输出功率除以控制器输入功率乘以100％；ηd为蓄电池放电效率；ηa为汽车附件能量消耗比例系数；S为电动汽车续驶里程，km电池组能量与容量的关系Uz为电池组电压，V；Cz为电池组容量，A·h电池组容量应满足动力电池模块数目电池模块数目必须满足驱动电机供电、电动汽车行驶时所需的峰值功率和续驶里程的要求电池组的最低工作电压应能满足驱动电机系统的最小工作电压，由此需要的电池模块数目N1为满足电机系统最小工作电压所需要的电池模块数目；Uemin为驱动电机的最小工作电压，V；Uzd为电池组单体模块电压，V满足电动汽车行驶时所需的峰值功率要求的电池模块数目单体电池最大输出功率Ub为单体电池开路电压，V；Rb0为单体电池等效内阻，Ω满足电动汽车续驶里程要求的电池模块数目N3为满足电动汽车续驶里程要求的电池模块数目实际电池组模块数量为Nz为实际电池组模块数目三、动力电池参数匹配实例已知电动汽车整车质量为1350kg，滚动阻力系数为0.0144，迎风面积为1.9m2，迎风阻力系数为0.3，轮胎滚动半径为0.28m，最高车速为100km/h，最大爬坡度为20％，续驶里程为150km。根据纯电动汽车传动系统匹配公式，计算结果如下电机类型选取异步电机，额定功率Pe=30kW；峰值功率Pemax=72kW；过载系数λ=2.4；最高转速nmax=9000r/min。主减速器传动比为4.3245。采用Ⅲ挡变速器，Ⅰ挡传动比为2.0898，Ⅱ挡传动比为1.4456，Ⅲ挡传动比为1。电池类型选择金属氢化物镍蓄电池，其容量为250A·h，比能量为80W·h/kg，比功率为230W/kg，电池组模块数目为22。电动汽车传动系统主要参数都是从汽车行驶时所消耗的能量出发推导计算得到的，理论上，它的动力性和续驶里程能够满足设计要求。四、性能仿真电机仿真模型1电动汽车主要部件及整车仿真模型电机仿真模型2电动汽车用的交流电机/控制器仿真模型包括转动惯量影响子、转速评价器、转矩限制以及温度控制器等于模块。交流电机/控制器仿真模型能够把需求的转速、转矩转化为电能需求并把电能转化成转矩和转速输出。模块功能此模块可以计算驱动电机的转矩、转速、输入功率以及对电机的转矩、转速进行限制，并控制驱动电机的温度。电机特性图控制模块输入电机的特性，并对转动惯量以及电机温度的影响进行计算，最后得到电机输出的有效驱动转矩和转速，以及电机输入的能量。电动汽车传动系统匹配是否满足设计要求，需要对电动汽车的性能进行仿真分析。四、性能仿真蓄电池仿真模型030201蓄电池在充放电时伴随着复杂的化学反应，产生的热量导致电池温度也会发生变化。因此蓄电池的电化学特性是一个与各种随机变量相关的非线性函数。实际上，电化学电池动态模型的建立一方面从分析内在机理出发；另一方面借助试验测试来拟合非线性变量之间的关系，建模的基础是确定电动势以及内阻的特性函数。蓄电池所容纳的充电量被看作常数，并受到最小开路电压的限制。蓄电池放电过后需要重新补充的电量受到库仑定律的影响，最大充电量受到蓄电池最大开路电压限制。当蓄电池完全被当作一个已知内阻的电压源时，与之相连接的部件（如电机）将被看作耗能元件。蓄电池的输出功率受等效电路输出的最大功率、电机功率、控制器接收的最大功率的影响。蓄电池仿真模型如右图所示，包括开路电压和内阻计算、功率限制、负载电流计算、SOC值计算、蓄电池散热等子模块。四、性能仿真车身仿真模型车身仿真模型包括滚动阻力、坡度阻力、迎风阻力、加速阻力、汽车速度计算等子模块。车身仿真模型概述电动汽车的速度是评判电动汽车的一项重要指标，汽车速度计算子模块在模型总成中具有相当重要的作用。汽车速度计算模块的重要性通过汽车速度计算模块计算出汽车行驶速度，从而推算出汽车的行驶阻力。汽车行驶阻力的计算根据车轮反馈而来的汽车需要的驱动力和线性速度，计算出传递给汽车所需要的驱动力以及更新下一刻速度。驱动力的计算与速度更新四、性能仿真主减速器和变速器仿真模型主减速器仿真模型如右图1所示，通过车轮/轮轴传递的主减速器输出端需要的转矩和转速以及由变速器反馈而来的有效转矩和转速，修正主减速器输入端的转矩和转速算出主减速器的输出转矩和转速。变速器仿真模型如图2所示，由输入输出轴转矩转速计算子模块、变速器控制子模块、转动惯量影响子模块、转矩损失子模块等构成。此模型通过主减速器模型传递的变速器需要输出的转矩和转速以及由电机/控制器模型反馈而来的转矩和转速，修正变速器的输入转矩和转速算出变速器的输出有效转矩和转速。主减速器和变速器仿真模型都具有传递及修正转矩和转速的作用。123图1图2四、性能仿真纯电动汽车整车仿真模型将各个模块封装连接组成纯电动汽车的整车模型如下图所示。四、性能仿真仿真结果汽车在实际行驶过程中不可能长时间在稳定车速下行驶，