新能源汽車技術(shù)解析-第六章純電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真

第六章

純電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真1一、驅(qū)動電機參數(shù)匹配驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機參數(shù)主要包括額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速、額定功率和峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩以及額定電壓等。電機最高轉(zhuǎn)速與電動汽車最高車速之間的關(guān)系式中，nmax為電機最高轉(zhuǎn)速，r/min；vmax為電動汽車最高車速，km/h；it為電動汽車傳動系統(tǒng)的傳動比；r為車輪半徑，m。電動汽車最高車速是指電動汽車能夠往返各持續(xù)1km以上距離的最高平均車速。電機額定轉(zhuǎn)速式中，ne為電機額定轉(zhuǎn)速；β為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)。β值越大，在低轉(zhuǎn)速區(qū)電機就可獲得越大的轉(zhuǎn)矩，有利于提高車輛的加速能力和爬坡性能，穩(wěn)定運行性能好；但β值太大，會增大電機的工作電流，同時功率變換器的功率損失和尺寸也會增大，因此β值不宜過高。β通常取值為2～4。傳動系統(tǒng)的匹配直接影響電動汽車的動力性和經(jīng)濟性。純電動汽車傳動系統(tǒng)匹配主要包括驅(qū)動電機參數(shù)、傳動系統(tǒng)傳動比和蓄電池參數(shù)匹配。式中，Pe為驅(qū)動電機的額定功率；λ為電機的過載系數(shù)。驅(qū)動電機的功率驅(qū)動電機是純電動汽車行駛的唯一動力源，對整車的動力性有直接的影響。所選的電機功率越大，整車的動力性也就越好，但是如果功率過大，電機的重量和體積也會增大，且電機的工作效率不高，這樣就不能充分利用有限的車載能源，從而使續(xù)駛里程降低。1驅(qū)動電機的峰值功率由整車的設(shè)計目標(biāo)來確定，峰值功率應(yīng)該達到最高車速、最大爬坡度及加速時間分別對應(yīng)的最大功率需求。根據(jù)電動汽車最高車速確定驅(qū)動電機峰值功率電動汽車以最高車速在平坦路面行駛時所需要的驅(qū)動電機功率為驅(qū)動電機的峰值功率2正確選擇驅(qū)動電機的額定功率非常重要。如果選擇過小，電機經(jīng)常在過載狀態(tài)下運行；相反，如果選擇太大，電機經(jīng)常在欠載狀態(tài)下運行，效率及功率因數(shù)降低，不僅浪費電能，而且增加動力電池的容量，綜合經(jīng)濟效益下降。電機額定功率應(yīng)使電機盡可能工作在高效率區(qū)。電機額定功率應(yīng)滿足電動汽車對最高車速的要求，同時要考慮電機的過載要求。電動汽車驅(qū)動電機的額定功率為驅(qū)動電機的額定功率根據(jù)電動汽車最大爬坡度確定驅(qū)動電機峰值功率電動汽車以爬坡車速爬上最大坡度時所需要的驅(qū)動電機功率為根據(jù)電動汽車加速能力確定驅(qū)動電機峰值功率電動汽車加速能力是指電動汽車從某一速度加速到另一速度所需的最短時間。電動汽車滿足加速能力所需要的電機功率為驅(qū)動電機的峰值功率應(yīng)能同時滿足電動汽車對最高車速、最大爬坡度和加速能力的要求，所以電動汽車驅(qū)動電機的峰值功率為（Pemax為驅(qū)動電機的峰值功率）一、驅(qū)動電機參數(shù)匹配驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩一、驅(qū)動電機參數(shù)匹配式中，Temax為驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)矩，N·m；Te為驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩，N·m。驅(qū)動電機參數(shù)初步確定之后，還須驗證是否滿足一定速度下的最大爬坡度和汽車行駛最高車速的要求，即驅(qū)動電機的額定電壓在輸出功率一樣的條件下，電流會隨電壓變高而減小，這就降低了對開關(guān)和導(dǎo)線等元件的要求，如過電壓較高，會增加單體電池串聯(lián)的數(shù)量，會使整車質(zhì)量和成本增加，動力性下降且布置困難電機額定電壓常由電機的參數(shù)決定，并正比于電機額定功率。即電機的額定功率越大，電機的額定電壓越高。同時，電機額定電壓選擇要符號標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)定的電壓。驅(qū)動電機電壓等級的確定和動力電池組電壓等級密切相關(guān)二、傳動系統(tǒng)的傳動比匹配概述123在電機輸出性能一定的前提下，傳動比的選擇主要取決于汽車的動力性對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，擋位數(shù)越多，相應(yīng)地增加了發(fā)動機工作在高性能區(qū)域的可能性，進而提高了汽車的燃料經(jīng)濟性。相比之下，電動汽車的動力來自驅(qū)動電機，電機具有較寬的工作范圍。電機特性為低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率，適合電動汽車的運行，并不需要過多擋位。過多擋位會增加變速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。固定速比的變速器并不能滿足電機常工作于高效率區(qū)。兩擋變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制容易的特點，同時又能滿足汽車動力性和經(jīng)濟性的要求。傳動系統(tǒng)的傳動比的選擇應(yīng)該滿足的原則最大傳動比應(yīng)該滿足汽車的爬坡性能，同時要兼顧電機低速區(qū)工作的效率；最小傳動比應(yīng)該滿足汽車行駛的最高車速，同時盡量降低電機輸入軸的轉(zhuǎn)速，兼顧電機高轉(zhuǎn)速工況下的效率在電機輸出特性一定時，傳動系統(tǒng)的傳動比選擇依賴于整車的動力性指標(biāo)電動汽車傳動比的選擇應(yīng)該滿足汽車最高車速、最大爬坡度以及對加速時間的要求二、傳動系統(tǒng)的傳動比匹配傳動系統(tǒng)的最小傳動比電動汽車傳動系統(tǒng)的最小傳動比電動汽車傳動系統(tǒng)的最小傳動比由電機最高轉(zhuǎn)速和汽車最高車速確定式中，itmin為傳動系統(tǒng)的最小傳動比傳動系統(tǒng)的最大傳動比電動汽車傳動系統(tǒng)的最大傳動比由以下兩種方法算出的最大值確定由電機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩和最高車速對應(yīng)的行駛阻力確定傳動系統(tǒng)的最大傳動比為式中，Tumax為電機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m由電機峰值轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度對應(yīng)的行駛阻力確定傳動系統(tǒng)的最大傳動比為傳動系統(tǒng)的最大傳動比為式中，itmax為傳動系統(tǒng)的最大傳動比電動汽車傳動系統(tǒng)的最大傳動比三、動力電池參數(shù)匹配動力電池匹配原則動力電池是整車的能量來源，整車所有的能量消耗都來自動力電池。因此所選擇的動力電池的類型、質(zhì)量和各種技術(shù)參數(shù)都會影響電動汽車的整車性能，是電動汽車的關(guān)鍵部件之一。動力電池參數(shù)匹配主要包括電池容量、電池數(shù)目、電池電壓等參數(shù)的匹配。動力電池匹配原則動力電池類型要求3動力電池一般有能量型與功率型兩種，為滿足電動汽車的行駛要求，采用能量型電池，匹配時主要考查電池的能量，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，其輸出的功率越大，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(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，并通過對現(xiàn)有產(chǎn)品反復(fù)驗證進行設(shè)計電壓等級要與驅(qū)動電機電壓等級一致且滿足其電壓變化2由于電動空調(diào)、電動真空泵和電動轉(zhuǎn)向助力泵等附件也消耗一定的電能，所以電池組的總電壓要大于驅(qū)動電機的額定電壓1符合電動汽車的運行要求電動汽車要求動力電池具有較高的比能量和比功率，以滿足電動汽車?yán)m(xù)駛里程和動力性的要求，同時也希望動力電池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特性。目前可用于純電動汽車的動力電池主要有鉛酸蓄電池、金屬氫化物鎳蓄電池和鋰離子蓄電池三、動力電池參數(shù)匹配動力電池參數(shù)匹配設(shè)計動力電池組是由一個或多個電池模塊組成的單一機械總成；電池模塊是一組相連的單體電池的組合；單體電池是構(gòu)成電池的最小單元，一般由正極、負(fù)極和電解質(zhì)等組成動力電池組的容量電池組的容量取決于電動汽車的續(xù)駛里程，電池組的容量越大，電動汽車?yán)m(xù)駛里程越長，但整車重量和成本隨之增加。合理匹配動力電池組的容量可大大提高整車的性能電動汽車在水平路面上巡航行駛所消耗的功率Pmd為電動汽車巡航行駛時所消耗的功率，kW；vd為電動汽車巡航行駛速度，m/s電池組能量應(yīng)滿足Ez為電池組能量，kW·h；ξSOC為蓄電池放電深度；ηe為電機及控制器整體效率，是指電機轉(zhuǎn)軸輸出功率除以控制器輸入功率乘以100％；ηd為蓄電池放電效率；ηa為汽車附件能量消耗比例系數(shù)；S為電動汽車?yán)m(xù)駛里程，km電池組能量與容量的關(guān)系Uz為電池組電壓，V；Cz為電池組容量，A·h電池組容量應(yīng)滿足動力電池模塊數(shù)目電池模塊數(shù)目必須滿足驅(qū)動電機供電、電動汽車行駛時所需的峰值功率和續(xù)駛里程的要求電池組的最低工作電壓應(yīng)能滿足驅(qū)動電機系統(tǒng)的最小工作電壓，由此需要的電池模塊數(shù)目N1為滿足電機系統(tǒng)最小工作電壓所需要的電池模塊數(shù)目；Uemin為驅(qū)動電機的最小工作電壓，V；Uzd為電池組單體模塊電壓，V滿足電動汽車行駛時所需的峰值功率要求的電池模塊數(shù)目單體電池最大輸出功率Ub為單體電池開路電壓，V；Rb0為單體電池等效內(nèi)阻，Ω滿足電動汽車?yán)m(xù)駛里程要求的電池模塊數(shù)目N3為滿足電動汽車?yán)m(xù)駛里程要求的電池模塊數(shù)目實際電池組模塊數(shù)量為Nz為實際電池組模塊數(shù)目三、動力電池參數(shù)匹配實例已知電動汽車整車質(zhì)量為1350kg，滾動阻力系數(shù)為0.0144，迎風(fēng)面積為1.9m2，迎風(fēng)阻力系數(shù)為0.3，輪胎滾動半徑為0.28m，最高車速為100km/h，最大爬坡度為20％，續(xù)駛里程為150km。根據(jù)純電動汽車傳動系統(tǒng)匹配公式，計算結(jié)果如下電機類型選取異步電機，額定功率Pe=30kW；峰值功率Pemax=72kW；過載系數(shù)λ=2.4；最高轉(zhuǎn)速nmax=9000r/min。主減速器傳動比為4.3245。采用Ⅲ擋變速器，Ⅰ擋傳動比為2.0898，Ⅱ擋傳動比為1.4456，Ⅲ擋傳動比為1。電池類型選擇金屬氫化物鎳蓄電池，其容量為250A·h，比能量為80W·h/kg，比功率為230W/kg，電池組模塊數(shù)目為22。電動汽車傳動系統(tǒng)主要參數(shù)都是從汽車行駛時所消耗的能量出發(fā)推導(dǎo)計算得到的，理論上，它的動力性和續(xù)駛里程能夠滿足設(shè)計要求。四、性能仿真電機仿真模型1電動汽車主要部件及整車仿真模型電機仿真模型2電動汽車用的交流電機/控制器仿真模型包括轉(zhuǎn)動慣量影響子、轉(zhuǎn)速評價器、轉(zhuǎn)矩限制以及溫度控制器等于模塊。交流電機/控制器仿真模型能夠把需求的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電能需求并把電能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸出。模塊功能此模塊可以計算驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸入功率以及對電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進行限制，并控制驅(qū)動電機的溫度。電機特性圖控制模塊輸入電機的特性，并對轉(zhuǎn)動慣量以及電機溫度的影響進行計算，最后得到電機輸出的有效驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以及電機輸入的能量。電動汽車傳動系統(tǒng)匹配是否滿足設(shè)計要求，需要對電動汽車的性能進行仿真分析。四、性能仿真蓄電池仿真模型030201蓄電池在充放電時伴隨著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致電池溫度也會發(fā)生變化。因此蓄電池的電化學(xué)特性是一個與各種隨機變量相關(guān)的非線性函數(shù)。實際上，電化學(xué)電池動態(tài)模型的建立一方面從分析內(nèi)在機理出發(fā)；另一方面借助試驗測試來擬合非線性變量之間的關(guān)系，建模的基礎(chǔ)是確定電動勢以及內(nèi)阻的特性函數(shù)。蓄電池所容納的充電量被看作常數(shù)，并受到最小開路電壓的限制。蓄電池放電過后需要重新補充的電量受到庫侖定律的影響，最大充電量受到蓄電池最大開路電壓限制。當(dāng)蓄電池完全被當(dāng)作一個已知內(nèi)阻的電壓源時，與之相連接的部件（如電機）將被看作耗能元件。蓄電池的輸出功率受等效電路輸出的最大功率、電機功率、控制器接收的最大功率的影響。蓄電池仿真模型如右圖所示，包括開路電壓和內(nèi)阻計算、功率限制、負(fù)載電流計算、SOC值計算、蓄電池散熱等子模塊。四、性能仿真車身仿真模型車身仿真模型包括滾動阻力、坡度阻力、迎風(fēng)阻力、加速阻力、汽車速度計算等子模塊。車身仿真模型概述電動汽車的速度是評判電動汽車的一項重要指標(biāo)，汽車速度計算子模塊在模型總成中具有相當(dāng)重要的作用。汽車速度計算模塊的重要性通過汽車速度計算模塊計算出汽車行駛速度，從而推算出汽車的行駛阻力。汽車行駛阻力的計算根據(jù)車輪反饋而來的汽車需要的驅(qū)動力和線性速度，計算出傳遞給汽車所需要的驅(qū)動力以及更新下一刻速度。驅(qū)動力的計算與速度更新四、性能仿真主減速器和變速器仿真模型主減速器仿真模型如右圖1所示，通過車輪/輪軸傳遞的主減速器輸出端需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以及由變速器反饋而來的有效轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，修正主減速器輸入端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速算出主減速器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。變速器仿真模型如圖2所示，由輸入輸出軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速計算子模塊、變速器控制子模塊、轉(zhuǎn)動慣量影響子模塊、轉(zhuǎn)矩?fù)p失子模塊等構(gòu)成。此模型通過主減速器模型傳遞的變速器需要輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以及由電機/控制器模型反饋而來的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，修正變速器的輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速算出變速器的輸出有效轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。主減速器和變速器仿真模型都具有傳遞及修正轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的作用。123圖1圖2四、性能仿真純電動汽車整車仿真模型將各個模塊封裝連接組成純電動汽車的整車模型如下圖所示。四、性能仿真仿真結(jié)果汽車在實際行駛過程中不可能長時間在穩(wěn)定車速下行駛，