第六章

純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真1一、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)最高轉(zhuǎn)速與電動(dòng)汽車最高車速之間的關(guān)系式中，nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；vmax為電動(dòng)汽車最高車速，km/h；it為電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比；r為車輪半徑，m。電動(dòng)汽車最高車速是指電動(dòng)汽車能夠往返各持續(xù)1km以上距離的最高平均車速。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速式中，ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；β為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)。β值越大，在低轉(zhuǎn)速區(qū)電機(jī)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(yùn)行性能好；但β值太大，會(huì)增大電機(jī)的工作電流，同時(shí)功率變換器的功率損失和尺寸也會(huì)增大，因此β值不宜過(guò)高。β通常取值為2～4。傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配直接影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)匹配主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比和蓄電池參數(shù)匹配。式中，Pe為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率；λ為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)汽車行駛的唯一動(dòng)力源，對(duì)整車的動(dòng)力性有直接的影響。所選的電機(jī)功率越大，整車的動(dòng)力性也就越好，但是如果功率過(guò)大，電機(jī)的重量和體積也會(huì)增大，且電機(jī)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(dòng)電機(jī)的峰值功率由整車的設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)確定，峰值功率應(yīng)該達(dá)到最高車速、最大爬坡度及加速時(shí)間分別對(duì)應(yīng)的最大功率需求。根據(jù)電動(dòng)汽車最高車速確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率電動(dòng)汽車以最高車速在平坦路面行駛時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率2正確選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率非常重要。如果選擇過(guò)小，電機(jī)經(jīng)常在過(guò)載狀態(tài)下運(yùn)行；相反，如果選擇太大，電機(jī)經(jīng)常在欠載狀態(tài)下運(yùn)行，效率及功率因數(shù)降低，不僅浪費(fèi)電能，而且增加動(dòng)力電池的容量，綜合經(jīng)濟(jì)效益下降。電機(jī)額定功率應(yīng)使電機(jī)盡可能工作在高效率區(qū)。電機(jī)額定功率應(yīng)滿足電動(dòng)汽車對(duì)最高車速的要求，同時(shí)要考慮電機(jī)的過(guò)載要求。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率根據(jù)電動(dòng)汽車最大爬坡度確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率電動(dòng)汽車以爬坡車速爬上最大坡度時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為根據(jù)電動(dòng)汽車加速能力確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率電動(dòng)汽車加速能力是指電動(dòng)汽車從某一速度加速到另一速度所需的最短時(shí)間。電動(dòng)汽車滿足加速能力所需要的電機(jī)功率為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)能同時(shí)滿足電動(dòng)汽車對(duì)最高車速、最大爬坡度和加速能力的要求，所以電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為（Pemax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率）一、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩一、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配式中，Temax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩，N·m；Te為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N·m。驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)初步確定之后，還須驗(yàn)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(dòng)電機(jī)的額定電壓在輸出功率一樣的條件下，電流會(huì)隨電壓變高而減小，這就降低了對(duì)開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線等元件的要求，如過(guò)電壓較高，會(huì)增加單體電池串聯(lián)的數(shù)量，會(huì)使整車質(zhì)量和成本增加，動(dòng)力性下降且布置困難電機(jī)額定電壓常由電機(jī)的參數(shù)決定，并正比于電機(jī)額定功率。即電機(jī)的額定功率越大，電機(jī)的額定電壓越高。同時(shí)，電機(jī)額定電壓選擇要符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)定的電壓。驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓等級(jí)的確定和動(dòng)力電池組電壓等級(jí)密切相關(guān)二、傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比匹配概述123在電機(jī)輸出性能一定的前提下，傳動(dòng)比的選擇主要取決于汽車的動(dòng)力性對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，擋位數(shù)越多，相應(yīng)地增加了發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高性能區(qū)域的可能性，進(jìn)而提高了汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性。相比之下，電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)具有較寬的工作范圍。電機(jī)特性為低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率，適合電動(dòng)汽車的運(yùn)行，并不需要過(guò)多擋位。過(guò)多擋位會(huì)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(jī)常工作于高效率區(qū)。兩擋變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制容易的特點(diǎn)，同時(shí)又能滿足汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求。傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比的選擇應(yīng)該滿足的原則最大傳動(dòng)比應(yīng)該滿足汽車的爬坡性能，同時(shí)要兼顧電機(jī)低速區(qū)工作的效率；最小傳動(dòng)比應(yīng)該滿足汽車行駛的最高車速，同時(shí)盡量降低電機(jī)輸入軸的轉(zhuǎn)速，兼顧電機(jī)高轉(zhuǎn)速工況下的效率在電機(jī)輸出特性一定時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比選擇依賴于整車的動(dòng)力性指標(biāo)電動(dòng)汽車傳動(dòng)比的選擇應(yīng)該滿足汽車最高車速、最大爬坡度以及對(duì)加速時(shí)間的要求二、傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比匹配傳動(dòng)系統(tǒng)的最小傳動(dòng)比電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的最小傳動(dòng)比電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的最小傳動(dòng)比由電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和汽車最高車速確定式中，itmin為傳動(dòng)系統(tǒng)的最小傳動(dòng)比傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比由以下兩種方法算出的最大值確定由電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩和最高車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比為式中，Tumax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m由電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比為傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比為式中，itmax為傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比三、動(dòng)力電池參數(shù)匹配動(dòng)力電池匹配原則動(dòng)力電池是整車的能量來(lái)源，整車所有的能量消耗都來(lái)自動(dòng)力電池。因此所選擇的動(dòng)力電池的類型、質(zhì)量和各種技術(shù)參數(shù)都會(huì)影響電動(dòng)汽車的整車性能，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一。動(dòng)力電池參數(shù)匹配主要包括電池容量、電池?cái)?shù)目、電池電壓等參數(shù)的匹配。動(dòng)力電池匹配原則動(dòng)力電池類型要求3動(dòng)力電池一般有能量型與功率型兩種，為滿足電動(dòng)汽車的行駛要求，采用能量型電池，匹配時(shí)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(lái)確定電池容量，并且確定的電池容量還須符合市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品反復(fù)驗(yàn)證進(jìn)行設(shè)計(jì)電壓等級(jí)要與驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓等級(jí)一致且滿足其電壓變化2由于電動(dòng)空調(diào)、電動(dòng)真空泵和電動(dòng)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(dòng)電機(jī)的額定電壓1符合電動(dòng)汽車的運(yùn)行要求電動(dòng)汽車要求動(dòng)力電池具有較高的比能量和比功率，以滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和動(dòng)力性的要求，同時(shí)也希望動(dòng)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(jià)比以及免維護(hù)特性。目前可用于純電動(dòng)汽車的動(dòng)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(dòng)力電池參數(shù)匹配動(dòng)力電池參數(shù)匹配設(shè)計(jì)動(dòng)力電池組是由一個(gè)或多個(gè)電池模塊組成的單一機(jī)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(dòng)力電池組的容量電池組的容量取決于電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，電池組的容量越大，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程越長(zhǎng)，但整車重量和成本隨之增加。合理匹配動(dòng)力電池組的容量可大大提高整車的性能電動(dòng)汽車在水平路面上巡航行駛所消耗的功率Pmd為電動(dòng)汽車巡航行駛時(shí)所消耗的功率，kW；vd為電動(dòng)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(jī)及控制器整體效率，是指電機(jī)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(dòng)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(dòng)力電池模塊數(shù)目電池模塊數(shù)目必須滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電、電動(dòng)汽車行駛時(shí)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(dòng)電機(jī)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(jī)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(dòng)電機(jī)的最小工作電壓，V；Uzd為電池組單體模塊電壓，V滿足電動(dòng)汽車行駛時(shí)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(kāi)路電壓，V；Rb0為單體電池等效內(nèi)阻，Ω滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程要求的電池模塊數(shù)目N3為滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程要求的電池模塊數(shù)目實(shí)際電池組模塊數(shù)量為Nz為實(shí)際電池組模塊數(shù)目三、動(dòng)力電池參數(shù)匹配實(shí)例已知電動(dòng)汽車整車質(zhì)量為1350kg，滾動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)匹配公式，計(jì)算結(jié)果如下電機(jī)類型選取異步電機(jī)，額定功率Pe=30kW；峰值功率Pemax=72kW；過(guò)載系數(shù)λ=2.4；最高轉(zhuǎn)速nmax=9000r/min。主減速器傳動(dòng)比為4.3245。采用Ⅲ擋變速器，Ⅰ擋傳動(dòng)比為2.0898，Ⅱ擋傳動(dòng)比為1.4456，Ⅲ擋傳動(dòng)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(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)都是從汽車行駛時(shí)所消耗的能量出發(fā)推導(dǎo)計(jì)算得到的，理論上，它的動(dòng)力性和續(xù)駛里程能夠滿足設(shè)計(jì)要求。四、性能仿真電機(jī)仿真模型1電動(dòng)汽車主要部件及整車仿真模型電機(jī)仿真模型2電動(dòng)汽車用的交流電機(jī)/控制器仿真模型包括轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響子、轉(zhuǎn)速評(píng)價(jià)器、轉(zhuǎn)矩限制以及溫度控制器等于模塊。交流電機(jī)/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(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸入功率以及對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，并控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的溫度。電機(jī)特性圖控制模塊輸入電機(jī)的特性，并對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及電機(jī)溫度的影響進(jìn)行計(jì)算，最后得到電機(jī)輸出的有效驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以及電機(jī)輸入的能量。電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)匹配是否滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)電動(dòng)汽車的性能進(jìn)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(shí)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(huì)發(fā)生變化。因此蓄電池的電化學(xué)特性是一個(gè)與各種隨機(jī)變量相關(guān)的非線性函數(shù)。實(shí)際上，電化學(xué)電池動(dòng)態(tài)模型的建立一方面從分析內(nèi)在機(jī)理出發(fā)；另一方面借助試驗(yàn)測(cè)試來(lái)擬合非線性變量之間的關(guān)系，建模的基礎(chǔ)是確定電動(dòng)勢(shì)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(kāi)路電壓的限制。蓄電池放電過(guò)后需要重新補(bǔ)充的電量受到庫(kù)侖定律的影響，最大充電量受到蓄電池最大開(kāi)路電壓限制。當(dāng)蓄電池完全被當(dāng)作一個(gè)已知內(nèi)阻的電壓源時(shí)，與之相連接的部件（如電機(jī)）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(jī)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(kāi)路電壓和內(nèi)阻計(jì)算、功率限制、負(fù)載電流計(jì)算、SOC值計(jì)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(dòng)阻力、坡度阻力、迎風(fēng)阻力、加速阻力、汽車速度計(jì)算等子模塊。車身仿真模型概述電動(dòng)汽車的速度是評(píng)判電動(dòng)汽車的一項(xiàng)重要指標(biāo)，汽車速度計(jì)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(jì)算模塊的重要性通過(guò)汽車速度計(jì)算模塊計(jì)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(jì)算根據(jù)車輪反饋而來(lái)的汽車需要的驅(qū)動(dòng)力和線性速度，計(jì)算出傳遞給汽車所需要的驅(qū)動(dòng)力以及更新下一刻速度。驅(qū)動(dòng)力的計(jì)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(guò)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(lái)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(jì)算子模塊、變速器控制子模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)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(jī)/控制器模型反饋而來(lái)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(dòng)汽車整車仿真模型將各個(gè)模塊封裝連接組成純電動(dòng)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(shí)際行駛過(guò)程中不可能長(zhǎng)時(shí)間在穩(wěn)定車速下行駛，