纯电动汽车动力匹配与仿真

蹋纯电动汽车动力匹配与仿真彭涛武汉理T大学汽车_R稗学院，武汉430070【摘要】根桀款纯电动汽车的动力设计要求，构建其动力系统结构模型和控制策略。在理论分析基础I，埘L乜机、传动系传动比以及电池进行了参数配计算，并利用ADVISOR仿真软件对其进行了仿真分析，结果明这种动力系统没计方法有效可行。【ABSTRACT】ACCORDINGTOAPARTICULARPUREELECTRICVEHICLEPOWERDESIGNREQUIREMENT，THEPOWERSYSTEMMODELANDCONTROLSTRATEGYHAVEBEENBUILTONTHEBASISOFTHEORETICALANALYSIS，THEMOTORANDTRANSMISSIONRATIOANDBATTERYPARAMETERSHAVEBEENMATCHEDBASEDONASIMULATIONSOFTWAREADVISOR，THERESULTHASBEENCONCLUDEDTHATTHISDYNAMICSYSTEMDESIGNISEFFECTIVEANDFEASIBLE【关键词】电动汽车动力性能参数匹配DOI103969JISSN10074554201109020引言随着经济和社会的发展，传统燃油汽车在给人类生活带来极大便利的同时，也带来了严重的环境污染和能源危机。电动汽车被看成能够解决这两大问题的重要途径之一。但是电动汽车续驶里程制约了电动汽车的普及和发展。因此，对动力传动系统参数进行合理设计和匹配，已成为电动汽车研究热点之一。目前，在动力电池和其他技术取得有效突破之前，对电动汽车动力传动系部件的设计参数进行研究是提高电动汽车性能的重要手段之一。电动汽车的能量供给和消耗，与蓄电池的性能密切相关，而驱动电机直接影响电动汽车的动力性，传动系统设计的关键是确定合理的传动比。这些动力传动系统参数均是影响电动汽车动力性和经济性的因素。收稿日期201107O681动力设计要求及动力系统结构选型11动力设计要求纯电动汽车的动力性能主要取决于动力系统参数匹配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，要求电动车具有能量再生能力。根据设计要求，本文设计的某款纯电动整车动力性指标如表1所示。表1整车动力性能及相关参数要求12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上海汽车201109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1所示。信号图1动力系统结构图至车载用电器电动汽车动力系统控制策略当汽车起步加速和正常行驶时，电池给电机供电驱动车轮，并向车载用电器供电；当汽车下坡或刹车减速时，电机作为发电机给电池充电，从而实现能量有效回收。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。13整车相关技术参数设计根据汽车行驶方程FTFFFFTFICFO0SGSIN8NDU其中迎风面积A136X16722712M上海汽车201109滚动阻力系数厂0016空气阻力系数C。04汽车旋转质量转换系数6103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PF一CAU3A一DU1钾36003600。76140。3600DTJ取G981MS，“R09。2动力传动系统参数匹配动力传动系统是电动汽车最主要的系统，电动汽车运行性能主要由其动力传动系统的性能决定。一个电动汽车的动力传动系统的参数匹配，主要包括电池组容量、电机参数选择、传动比选择等。21电池组容量选择铅酸动力电池其输出电压可用下式表示U6GORI式中UB为电池放电时的端电压；GO为电池的开路电压；R为电池的内阻；，为电池的放电电流。电池输出功率P、放电效率与放电电流关系如图2所示。0A2RB图2电池功率、效率与放电电流的关系从图2A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2B，在一定的工作范围内，通过提高工作电压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9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USABC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NPAXN式中凡为电池数目，。为蓄电池的最大输出功率；P为电动机的最大功率；叼为电动机工作效率；叼为电动机控制器工作效率。由续驶里程选择蓄电池容量CCLPBTI式中C，为蓄电池的额定容量；L为汽车续驶里程；V1为单块蓄电池电压；N为蓄电池的数目；P叼为蓄电池组输出功率，为工作效率。通过计算得到的单体电池组的数目为12个，每个单体电池组的电压为12V；电池容量150AH。故母线电压144V。22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。对于驱动电机，需要确定3个参数，额定功率P。、峰值功率P以及最大转矩。额定功率P可根据电动汽车在额定功率下的最高车速初步来确定，原因一是车辆消耗的功率随车速增大而增加；二是车辆经常行驶的速度一般低于最高车速，故而可有适当的后备功率，以用于加速和爬坡。在计算以最大车速匀速行驶时的功率时，忽略加速阻力功率与坡度阻力功率P。黯678KW汽车在爬坡的工况下，要求的瞬时功率即过L0载功率P大于额定功率。忽略加速阻力功率与空气阻力功率。满载，15KMH时，所需的功率为P吉COSMAX360011128KWJ。同样在爬坡的工况下，汽车驱动电机的最大转矩表达式为，C，4、COMGSI叫N2J以上3个式子中，R为轮胎滚动半径；M为汽车总质量；G为重力加速度I厂为滚动阻力系数；I为坡度；OT为坡道角；C为空气阻力系数；A为迎风面积；VA、V分别为行驶车速及最高车速；6为车辆旋转质量换算系数；卵为传动效率。根据驱动电机的外特性见图3，驱动电机在低转速区可获得恒定最大扭矩，同时在高转速区获得恒定的较高功率。驱动电机最大转速的选择要结合传动系减速比、驱动电机效率和连续转动特性来考虑。驱动电机效率是扭矩和转速的函数，在保障转速和扭矩要求情况下，争取使驱动电机工作效率最大化。浆转速图3驱动电机的转速转矩特性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，汽车后备功率就越大，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，根据设计要求选择驱动电机额定功率为10KW，峰值功率25KW。选择电机额定扭矩为30NM，最大扭上海汽车201109矩为80NM，额定转速为2800RMIN，最大转速为4000RMIN。23传动比参数设计汽车的传动系有两个功能第一是把驱动电机输出轴上的转矩按总传动比放大，传送至驱动轮上；第二是把驱动电机的转速按总传动比缩小，转换成相应的车速；考虑传动效率就能得到功率守恒。电动汽车传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的积，即。，其中I为变速器传动比。231最小传动比的设计最小传动比由汽车的最高车速和传动系结构确定。当变速器的直接档为最高档时，最小传动比为主减速器传动比，即ICMJI00377_MAX522MAX取主减速器的传动比为42，即I42。232最大传动比的设计确定汽车的最大传动比，要考虑3个方面的问题最大爬坡度、附着率及最低稳定车速。由于此车在良好路面上行驶，可以忽略附着率的影响。、1GFCOSOTSINAR一一II0377_LBMINMI“式中MIN，RAIN分别为最低稳定车速及相应的电机转速。本车设计最高车速为60KMH，最大爬坡度为20，最高车速时电机转速为4000RMIN。经过计算可以设计变速器最大传动比I45，最小传动比I1。通过理论计算和工程分析获得动力系统设计参数如表2所示。3纯电动汽车动力性能仿真31ADVISOR软件介绍ADVISORADVANCEDVEHICLESIMULATOR高级车辆仿真器是由美国可再生能源实验室NREL在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发出来的仿真软上海汽车201109件。表2传动系统部件主要参数传动部件设计参数设计值额定功率KW10最大功率KW25电动机额定转速RMIN2800最高转速RMIN4O0O额定输出电压V144电池组额定电容量AHL5O模块电池组数L2主减速器传动比42传动系变速器最大传动比45变速器最大传动比LADVISOR采用了独特的前向仿真法和后向仿真法相结合的混合仿真方法、32仿真工况的选择当前评价整车性能的循环T况主要有CYCECEEUDC、CYCUDDS和CYCHWFET，本仿真选择以美国环境保护署EPA制订的城市道路循环UDDSURBANDYNAMOMETERDRIVINGSCHEDULE作为道路循环工况。其循环周期为1369S，行驶距离为1199KM，最大行驶速度为9125KMH，平均速度为3151KMH。最大加速度为148MS，最大减速度为一148MS。，停车次数为17次。33仿真结果分析根据以上技术参数，基于ADVISOR仿真软件，采用CYCUDDS循环工况对已建立整车仿真模型进行仿真，仿真结果如表3所示。从表中数据可以看出，动力性仿真参数基本符合前述的动力性设计要求，尤其汽车最高车速和加速时间等动力性能得到了很大的提高。表3循环工况仿真结果项目参数最高车速KMH747最大爬坡度195车速15KMH040KMH加速时间S6140KMH一60KMH加速时间S42050KMH加速时间S74仿真的车速要求如图4所示，此电动汽车的实际车速基本可以满足该循环工况所要求的车速，体现出了与设计初衷相符合的良好动力性和经济性。图4车速随时间变化的曲线图驱动电机工作时的实际输出转矩如图5所示，其中功率的正值代表驱动电机向传动系输出的功率，而功率的负值表示在回馈制动时，驱动电机以发电机模式工作，向蓄电池充电时的输入功率。由图可知驱动电机的输出功率能够较好地满足汽车行驶工况的变化。图5驱动电机输出功率图铅酸蓄电池SOC值的变化如图6所示，开始阶段SOC值下降较快，这是由于蓄电池放电极化现象引起的。在SOC到达09以后，其值下降趋于平缓，电池工作在较平稳的区域。车辆在频繁加减速的工作过程中，可以回收能量给蓄电池充电。4结语图6蓄电池荷电状态图本文利用ADVISOR电动汽车仿真软件，对整车的动力性进行了仿真分析。结果表明，此电动12汽车的动力性能够满足设计要求，整车匹配方案合理，从而进一步验证了仿真模型的正确性，为电动汽车的设计、性能预测和分析提供了一种方法和手段。通过仿真分析，得出提高电动汽车动力性能的方法。此外，在行驶过程中使车辆部分动能转化为电能并反充到蓄电池中，从而增加蓄电池可利用的电能，使电池维持较高的SOC值，充分挖掘蓄电池的潜力，减少电池的能量损失，也可以提高放电容量。增加动力传动系统和控制系统的效率也能有效地提高电动汽车的动力性能。参考文献1陈清泉，孙逢春，祝嘉光现代电动汽车技术M北京北京理工大学出版社，20021222陈清泉，詹宜君2L世纪的绿色交通工具电动汽车M北京清华大学出版社，20011163余志生汽车理论M北京机械工业出版神，19924陈志雄，钟绍华基于ADVISOR的纯电动汽车动力性能仿真J上海汽车，2008，15钟磊，高松，张令勇纯电动轿车动力传动装置参数匹配与动力性仿真J山东理工大学学报自然科学版，2010，24178806ADVISOR20ASEEON