纯电动汽车电力驱动系统设计

- I - 纯电动汽车电力驱动系统设计 摘要 本文通过了解纯电动汽车的基本结构，性能特点和关键部件性能的要求， 设计匹配出纯电动汽车电力驱动系统的各部分参数，并基于 ADVISOR 建模仿真，分 析设计匹配所得的各项参数对汽车性能的影响。具体来说，研究内容包括以下几点： （1）查阅文献了解纯电动汽车的基本结构和各部件的重要参数； （2）基于所查得的文献对电动车的电机、与蓄电池和传动系进行设计； （3）学习 MATLAB/ ADVISOR 的相关知识，进行仿真建模；利用 ADVISOR 仿真系 统进行仿真，分析设计所得数据，从而对所设计纯电动微型客车电力驱动系统的合 理性进行验证。 关键词 纯电动汽车；电力驱动系统；匹配；仿真 II Desegn of driving system of pure electric vehicle power Abstract:design and passenger performance simulation based on Pure electric power system Through understanding the basic structure and characteristics of the pure electric cars, and the performance requirements of the key components, power system of the pure electric vehicle parts to be designed and matched, and then modeling and simulation based on ADVISOR, analysis the how the various parameters matching influence on the performance of the car. (1) Consult papers about the basic structure of pure electric automobile components and the important parameters, (2) based on the Consulted papers designing the electric motor and transmission of the car, (3) learn knowledge of MATLAB/ADVISOR , and modeling simulation, Using ADVISOR to simulate the system, and analysis the data of simulation from design. Key words: electric; power system; matching; simulation III 目 录 1.绪论.1 1.1 研究背景及意义.1 1.2 国内外纯电动汽车的发展状况.2 1.2.1 国外纯电动车的发展.2 1.2.2 国内纯电动车的发展.3 1.3 基本内容和技术方案.5 2. 纯电动微型客车动力系统设计及匹配6 2.1 纯电动汽车的动力总成.6 2.1.1 动力总成的基本形式.6 2.1.2 动力蓄电池组及其管理系统.6 2.1.3 动力电机及其控制原理.9 2.2 微型客车整车参数及性能指标 .10 2.3 电动机参数匹配.11 2.3.1 电动机峰值功率及额定功率的匹配 .12 2.3.2 电动机额定转速及最高转速的选择 .13 2.3.3 电动机额定电压的参数选择 .14 2.4 传动系参数匹配14 2.5 动力电池参数匹配16 2.6 匹配结果18 3. 基于 ADVISOR 的整车动力性仿真20 3.1 ADVISOR 的主要功能和特点 20 3.2.1 定义车辆模型21 3.2.2 定义车轮模型22 3.2.3 定义传动系模型23 3.2.4 定义电机24 3.2.5 定义电池模型25 3.3 仿真结果26 3.3.1 车辆仿真循环工况的选择 .26 3.3.2 车辆仿真结果 .27 4.4. 全文总结及研究展望全文总结及研究展望.30 4.1 全文总结.30 4.2 研究展望.30 参考文献参考文献 .31 致谢致谢 .32 第 1 页 共 32 页 1. .绪论 1.11.1 研究背景及意义研究背景及意义 汽车工业的高速发展以及人们对于汽车使用需求的不断增加，带动了汽车产量和保 有量的持续上升。从而加剧了人们目前普遍关注的两个问题:能源问题和环境问题。我国 是个人口大国，随着近些年我国国民经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，汽车 的需求和保有量都迅速的加大，而由此引发的对能源、环境的影响尤为严重。从 1993 年 开始，中国就开始成为石油净进口国。此后几年内，我国的石油进口量每年递增 1000 万 吨左右，而且逐年加大。2003 年递增量达到 2000 万吨。2004 年，中国原油进口达 1.227 亿吨，首次突破 1 亿吨大关。2006 年，中国原油进口量达 1.452 亿吨，2007 年我国的石 油进口量几乎突破两亿吨，比专家预计的年限提前了 3 年。目前，中国己成为世界第二 大能源消费国，能源消费的增长势头还将继续。国际能源机构 (IEA)预测，随着越来越 多中国消费者购买汽车，到 2030 年，中国石油消耗量的 80%需要依靠进口。汽车尾气中 含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢 化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等。一辆轿车一年排出的有害废气比自身重量重 3 倍。英国空气洁净和环境保护协会曾发表研究报告称，与交通事故遇难者相比，英国每 年死于空气污染的人要多出 10 倍。在我国南方许多城市，汽车尾气己经超越工业污染成 为大气污染的首要污染源，汽车尾气被市民评为“最不可忍受的污染物” 。在位列我国第 一批环保模范城的深圳市，大气污染中机动车尾气污染己占 70%，每年排放的各种有害物 质达 20 多万吨，并且还在以每年超过 20%的速度上升。控制汽车污染，成为每年该市 “两会”的热点话题。以解决能源危机与环保需求问题为出发点，以纯电动汽车为代表 的新能源汽车的发展受到全球广泛关注。纯电动汽车具有低噪声、无污染、能量来源多 样化、能量效率高的特点，是解决城市化中的汽车问题的重要途径。发展纯电动汽车将 对调整我国产业结构、提高重点领域的创新能力和市场竞争能力，促进经济社会协调发 展产生深远影响。 纯电动客车的研发则是电动汽车发展的一个着手点。根据我国目前发展的具体国情 结汽车使用管理和运行优势，首先发展纯电动公交客车并使其商业化更符合我国的实际 情况。第一，有利于附属设施建设。公交客车线路固定，停靠站点固定，这样便于在公 交客车集中的地点建立充电设施，有效解决充电站点分布广，资金投入大的问题。第二， 技术要求和成本相对较低。公交车车体宽大，对电池体积要求不那么严格。布置电动机、 电池和传动系等部件有较宽松的空间。公交车运行工况较固定，对整车的整体性能要求 较低，这就会使整车开发容易实现、开发成本不会太高。而相对来说，轿车空间十分有 限，对电池等各部件的各种技术要求十分严格，成本较高。第三，使用效率高。公交车 一般可容纳 40 至 60 人，而轿车只容纳 4 至 6 人，同时公交客车一天运行 8 小时以上， 家用轿车每天大多是在上下班时使用，总计约有 4 小时左右。虽然前者造价比后者高， 但政府、公司可以承受，而且究其社会效益来看，前者要远远大于后者。第四，需求量 大。由于我国目前城市化进程较快，城镇人口密度高，这就使我国对公交客车的需求量 比西方国家大得多，而且我国的公交客车技术与西方国家的差距要比轿车小得多，在不 长的时间内设计出外形美观、价格合理的电动公交客车是可能的。第五，便于集中管理。 公交车由各城市的公交集团公司统一管理，有资金和技术集中的优势。同时在市场运作 和运营过程中便于政府出台管理政策和支助措施。目前我国的城市燃油公交客车保有量 第 2 页 共 32 页 大约为 50 万辆，更新周期一般为 5 年。不计其增长率及其它需求，每年应新生产 10 万 辆才能维持现有的保有量。假如传统燃油公交车用电动客车替代:若替代 1%即需要一个年 产 1000 辆的城市电动客车工厂;若替代 10%则需要一个年产 1 万辆的电动公交客车企业。 纯电动公交客车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔市场。因此，大力发展城市纯电 动客车，对于合理利用资源、改善环境、提高人们的生活质量、实现社会的可持续发展 以及实现能源结构多样化，加强我国能源安全都具有极其重要的意义。 1.21.2 国内外纯电动汽车的发展状况国内外纯电动汽车的发展状况 1.2.11.2.1 国外纯电动车的发展国外纯电动车的发展 从 20 世纪 70 年代起，世界发达国家均投入巨资进行电动汽车的商业化开发和应用。 经历了基础研究、关键技术突破、产品开发和试验，车队和小区域的试用，现在正在转 入小批量商业化生产和实际应用探索的阶段。美国政府以能源部为中心，在电动汽车的 研制开发过程中连续的逐年递增投入资金。1976 年美国制订了电动车辆研究计划。1984 一 1985 年美国能源部拨款 1900 万美元支持电动车的研制。据美国电动汽车协会 1995 年 发表的统计数据，美国有 190 家电动汽车研发、生产企业。通用的电动车第二代 EV-l 与 1996 年开始小批量商业化生产。至 2000 年大约售出 1110 辆。福特公司 2002 年推出全 新的 THINK 都市车。不过近些年由于纯电动车的价格太高且续驶里程未能满足使用者的 需求，因此诸如 EV-1、Chrysler EPIC 等已相继停产。然而美国国家实验室还继续进行 纯电动汽车的先进驱动系统、先进电池及其管理系统等的深入研究。另外小型、低速、 特种用途的纯电动汽车也在不断的发展。欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会，并得到欧 洲经济委员会的支持和资助。法国的标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直在积极研制 电动汽车，1990 年 J5 和 C25 电动货车投人生产，1995 年标致和雪铁龙电动汽车投入生 产。法国在电池、电子控制和电机技术等电动汽车技术方面列世前茅。1992 年德国政府 拨款 2200 万马克，在吕根(Rugen)岛建立欧洲电动汽车试验基地。戴姆勒公司计划在 2010 年推出小型车 smart 品牌和豪华车梅塞德斯一奔驰品牌的电动车。目前 Eleetri。Smart 在欧洲部分城市己有运行。如图 1.1 所示为 Eleetricsmart 正在伦敦街 头运行和在充电站充 电。 图 1.1 在城市中运行的 EleetrieSmart 日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就制定了电动汽车发展计划。1991 年通 第 3 页 共 32 页 产省制定了第三届电动汽车普及计划，用于推动电动汽车的普及与应用，日本各汽车制 造商均开始了纯电动汽车的开发。1997 年后日本汽车制造商推出了装载镍氢、镭离子电 池的第二代纯电动汽车。90 年代末，丰田公司研制出 RAV-4 型纯电动车。尼桑汽车公司 1998 年在日本和美国销售的 Ahra-EV 公司自己开发的铿离子动力电池，使用寿命约为 10 年。三菱公司在 1999 年底展出的 FTO-V 上，装备了新开发大容量、高输出的镭离子电池 和大功率的永磁同步电动机。目前世界各国政府和著名的汽车制造商都在如火如茶的进 行电动汽车产品的开发，其中以美国的蓝鸟客车公司、英国的 FRAZER-ASH 公司为代表的 电动客车和电动轿车已经上市，在英国已有 4 万多辆电动汽车在使用。法国则是世界上 推广应用纯电动汽车最成功的国家之一，成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会， 在巴黎和拉罗谢尔已经建立了比较完善的纯电动汽车充电站网等纯电动车运行需要的基 础设施，制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策，且已经初步形成了纯电动汽车 运行体系。在近年的国际性大型运动会上，电动汽车也成为各国展示其科技实力和环保 意识的工具之一。亚特兰大奥运会使用了美国蓝鸟客车公司生产的纯电动客车作为公务 和电视转播车，悉尼奥运会购买了英国 FRAZER-NASH 公司的近 400 辆电动客车作为接送 运动员车辆。 1.2.21.2.2 国内纯电动车的发展国内纯电动车的发展 自“八五”以来，我国在电动轿车、电动公交客车、电动车辆系统设计与开发、子 系统与零部件研制、能量存储装置、示范运行和标准制定及政策研究等多方面都取得了 诸多成果。清华大学早在 1990 年北京国际 EV 展览会上就展出了 EV6580 型电动小客车， 在那以后又为多家汽车制造厂商开发和研制了多种 EV、HEV、FCEV 等功能样车。其中的 EV6580 型电动小客车采用 6500 系列小型车进行改装，最高车速 80km/h，80%放电续驶里 程达到 116.7km。之后清华大学又承担了国家高技术研究发展计划项目“燃料电池城市客 车整车技术”等有关电动汽车的研究课题，研制出的燃料电池轻型客车已投入运行。北 京理工大学承担了国家高技术研究发展计划项目和 2008 年北京奥运会电动车项目，同时 承担北京市电动汽车示范运行管理中心的筹建和运行管理工作。以北京理工大学、北京 理工科凌电动车股份有限公司、北京公交车厂和北方华德客车股份有限公司为团队的北 京纯电动客车已顺利通过北京市公共交通总公司组织的示范运行车组验收。小批量研发 生产的 4 种车型近 40 辆公交车已经投入北京市一区一线电动示范车队的示范运行。同济 大学和上海燃料电池汽车动力系统有限公司等共同承建国家高技术研究发展计划电动汽 车重大专项燃料电池项目，也已试制出“春晖一号” 、 “春晖二号”和“超越”系列混合 动力电动车。西安交通大学在电动汽车关键技术领域研究开发了 15 项国家发明专利，正 式授权 5 项。在电动汽车驱动控制和能量回收技术的研究中，率先将 Hco 鲁棒控制应用 到电动汽车能量回收技术上。与传统的控制方法相比，Hco 鲁棒控制可以方便地同时考虑 输入电压变动、负载扰动和其他非线性的补偿，显著提高了车辆的一次性充电的续驶里 程。西安交大对电动汽车超级电容一蓄电池复合电源系统的研究表明，在市内道路行驶 时，可以提高电动汽车续驶里程 30%一 50%。一汽进行了解放牌混合动力城市客车和红旗 牌混合动力轿车的研制开发工作。其中混合动力客车列为国家“863 计划”项目。解放牌 混合动力城市客车具有纯电机驱动、发动机单独驱动、联合驱动和电机启动发动机，以 及滑行再生制动 5 种基本工作模式。经转鼓试验台的性能测试结果表明，红旗牌混合动 力轿车最高车速不小于 160km/h，0 至 100km/h 的加速时间为 14 秒，NEDC 工况百公里油 耗为 4.9 升，排放可达到欧 III 标准。东风电动车辆股份有限公司承担了个国家高技术 研究发展计划的整车项目，已研制出的电动客车作为武汉市公交汽车投入使用。长安汽 车联合清华大学等单位共同承担的国家高技术研究发展计划项目 ISG 混合动力长安轿车 整车匹配项目，目前已经通过国家级验收。天津清源电动车辆股份有限公司与天津一汽 等单位联合研发的纯电动车。在国家“十五” 、 “十一五”863 重大项目支持下，重点开展 第 4 页 共 32 页 电动汽车动力系统关键技术研发，己开发纯电动微型汽车、纯电动高速轿车、plug-in 混 合动力轿车以及混合动力公交客车 4 个动力系统平台。形成了年产 6 万辆纯电动轿车总 装线和年产 8 万套动力系统的生产线。纯电动轿车己批量出口欧美，截至 2008 年，清源 公司已累计出口各类电动汽车 3000 余辆。北京奥运会、残奥会期间，有 500 辆纯电动、 混合动力和燃料电池汽车为奥运服务，其规模超过历届奥运会，成为展示“绿色奥运、 科技奥运、人文奥运”理念的移动名片。500 辆新能源车辆，均是我国 863 计划的自主创 新研发成果，包括 55 辆纯电动大客车、25 辆混合动力客车、75 辆混合动力轿车、20 辆 燃料电池轿车、3 辆燃料电池城市客车以及 320 多辆各类纯电动场地车。运行样车车型包 括:北京理工大学的 BK6122EV、中通纯电动客车、北客京华纯电动客车等。如图 1.2 所示， 为我国已经研制并投入到实际运行的纯电动客车和纯电动客车。 图 1.2 纯电动轿车和奥运中的纯电动客车 配合纯电动车辆运行的地面配套基础设施建设也取得了一定的成就。奥运期间北京 建成了一套较完善的配套设施，包括为车辆提供能量补充的充电站及充电监控网络;对车 辆的远程实时监控、运行数据自动化采集、记录和分析的电动汽车智能化管理系统;车辆 日常维护、保养的综合服务体系。这套设施是国际上规模最大、充电机数量最多的电动 汽车充电站，并首次实现了电池更换自动化。整个充电站占地面积 5000 平方米，站内布 置 240 台 9 千瓦充电机。 全国范围内大规模建设电动汽车充电站网络展露曙光。目前国内自主研发的纯电动 轿车和纯电动客车很多均已进行了国家质检中心的型式认证试验，各项性能指标均满足 有关国家标准和企业标准的规定。纯电动轿车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指 标己超过法国雪铁龙公司等国外大型汽车生产企业研制的纯电动轿车和厢式货车，初步 形成了关键技术的研发能力。 图 1.3 纯电动车充电站和正在充电的电动车 第 5 页 共 32 页 1.31.3 基本内容和技术方案基本内容和技术方案 本论文的基本内容是通过了解纯电动汽车的基本结构，性能特点和关键部件性能的要 求，设计出纯电动汽车合理的电力驱动系统，基于 ADVISOR 的建模仿真，分析设计所得 的各项参数的正确性。具体来说，研究内容包括以下几点： （1）查阅文献了解纯电动汽车的基本结构和各部件的重要参数； （2）基于所查得的文献对电动车的电机、蓄电池和传动系进行设计； （3）学习 MATLAB/ ADVISOR 的相关知识，进行仿真建模； （4）利用 ADVISOR 仿真系统进行仿真，分析设计所得数据，从而对所设计纯电动微型 客车动力系统的合理性进行验证。 基于以上研究内容，具体技术方案如下：通过对电动汽车的基本结构，性能特点和关 键部件性能的要求的了解，以及对 ADVISOR 软件的学习，设计纯电动微型客车的动力系 统，并用 ADVISOR 进行建模仿真，分析仿真所得数据，从而验证所建微型客车动力系统 模型的正确性。若仿真结果与实际要求不一致，则不断修改所建模型，直至仿真结果与 实际要求基本一致为止。 第 6 页 共 32 页 2. . 纯电动微型客车动力系统设计及匹配 电动汽车动力总成主要包括能源系统、驱动系统。动力总成是电动汽车最重要的子 系统，决定了整车的动力性和经济性，是电动汽车产业化的关键。能源系统主要由动力 电池及相关的管理系统构成。驱动系统是由驱动电机及其控制器、机械传动系统、车轮 等构成。动力总成在整车控制系统的协调控制下，实现驾驶员的操纵意图。 2.12.1 纯电动汽车的动力总成纯电动汽车的动力总成 2.1.12.1.1 动力总成的基本形式动力总成的基本形式 纯电动汽车动力总成有很多种形式，主要有单电机驱动方式、双电机驱动方式、轮 毅电机驱动方式、相互相反电动机驱动方式等。不同方式有不同的动力总成布置和不同 的传动系结构方式。纯电动客车采用了单电机后轮驱动的方式，动力总成主要包括驱动 电机、动力电池、传动系和控制系统四部分。纯电动客车保留了原车型的部分传动系统。 电机驱动系统和动力电池系统基于 CAN 网络结构和在控制系统的协调控制下实现整车驱 动、再生制动和能源合理分配等功能。图 2.1 为纯电动客车动力系统结构原理。 图 2.1 动力系统构成 2.1.22.1.2 动力蓄电池组及其管理系统动力蓄电池组及其管理系统 纯电动车行驶完全依赖蓄电池的能量，电池容量越大，可以实现的续驶里程越长， 但是相应的需要的电池的体积、质量也越大，会增加电动车的整车质量降低整车的动力 性，同时给整车的布置也增加了难度。所以纯电动汽车电池的选择和匹配要根据具体的 设计目标、道路情况和行驶工况的要求和实际情况来确定电池的类型和参数。总结电动 车对动力电池的具体要求如下。 电池组要有足够的能量和容量，以保证典型的连续放电不超过 1C，典型峰值放电 一般不超过 3C;如果电动汽车上安装了回馈制动，电池组必须能够接受高达 5C 的脉冲电 流充电。 电池要能够实现深度放电(例如 80%)而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷功率 和全放电。 第 7 页 共 32 页 需要安装电池管理系统和热管理系统，显示电池组的剩余电量和实现温度控制。 由于动力电池组体积和质量较大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都 需要认真研究。 基于以上的标准综合市场电池供给和成本等因素进行电池的选择。目前电动车用动 力电池主要有铅酸电池、镍氢电池、金属空气电池、锂离子电池等类型。 铅酸电池。每个电池单体的额定电压是 2V。铅酸电池技术成熟、性能可靠、价格低 廉，能量密度太低、过充电和过放电性能差、循环寿命短、快速充电困难。 镍氢电池。一种碱性蓄电池，单体额定电压为 1.2V。镍氢电池比能量较大、循环寿 命长、过充电和过放电性能好、无记忆效应、无污染、可靠性高，其成本很高。 锂聚合物电池。单体电压 3V。埋聚合物电池比能量和能量密度高、但其对温度敏感、 低温性能较差，目前技术不够成熟，是纯电动车用动力电池的发展方向之一。 锂离子电池。单体电池电压高达 4V 以上。自放电率稍高，但其单体电压高、比能量 和比功率高、循环寿命长、可靠性高。其成本高。 综合各类电池，基于电池的高比功率和高比能量，项目组选择了锂离子电池作为动 力电池。锂离子电池是在二次锂电池的基础上发展起来的。它从原理上解决了二次锂电 池安全性差和充放电寿命短两个技术难题。典型的电池体系构成如下:电池的正负极均由 可以由嵌入和脱出 Li的化合物或材料组成。其中正极为锂化跃迁金属氧化物 (LiMo2，MCo、Mn 或 Ni 等跃迁金属);负极为可嵌入 Li的碳(形成 LixC碳化锂);电 解质通常是有机溶液或固体聚合物。 锂离子电池是 1990 年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。1995 年，索 尼公司又开发成功用于电动车的锂离子蓄电池，共分为两种类型，一种是用于纯电动车 容量为 100Ah 的高能量电池;另一种是用于混合动力车容量为 22Ah，功率密度为 800w/g 的高功率电池。日本近年来一直在大力研究锂离子电池。日本政府在 2002-2006 年设立 了国家级锂离子研究项目，日本的主要电池厂商，包括日立、汤浅、松下，都是该项目 的成员。电池的技术指标如表 2.1 所示。 表 2.1 日本 SNOY 公司电动车用锂电池的技术指标 技术圆柱形单体电池方形组合电池 性能高能型高功率型高能型高功率型 重量（kg）3.31.22912.5 尺寸（mm）4106725050290150140220300160 工作电压（v）3.63.628828.8 额定容量（Ah）1002210022 比能量（Wh/kg）1106210055 比功率（Wkg）300800300700 充放电寿命（次）1200-1200- 法国 SAFT 公司受美国能源部资助，一直在进行锂离子电池的研究工作，致力于 及等较便宜的正极材料的开发并取得一定进展。SAFT 公司在 200 年向 2 LiNiO 2 OMLiNi yx 美国能源部提供的锂离子电池组的性能与 FreedomCar 项目对储能电源的目标相比，除了 第 8 页 共 32 页 成本外其它性能指标均已达标。该公司开发的大容量锂离子电池的主要技术 性能见表 2.2。 表 2.2 法国 SAFT 公司锂离子电池性能指标 圆柱型电池技术参数方形电池 单体电池组合电池（6 只） 重量（kg）3.301.107.40 尺寸（mm）137*53*216290*150*140220*300*160 额定能量（Wh）415158950 额定容量（Ah）1154488 重量比能量 （Wh/kg） 125143128 体积比能量（Wh/L）265322202 比功率（80%DOD） （Wh/kg） 300345300 工作温度（）-1050-1050-1050 在我国目前有很多锂离子电池研制和开发的单位和厂商，其中一些厂商生产锂电池 的性能己经能满足电动车开发和使用。其中天津电源研究所在大容量锂离子电池的研制 也取得一定进展，其性能指标如表 2.3。 表 2.3 天津电源研究所锂电池性能 技术参数35Ah100Ah 重量（kg）1.1637 体积（mm ） 3 0.521.5 工作电压（v）3.63.6 额定容量（Ah）35100 重量比能量（Wh/kg）110110 体积比能量（Wh/L）240240 比功率（W/kg）200220 充放电寿命， 0.3C,60%DOD(次) 200200 月自放电（%）1010 目前我国研制的锂离子电池的能量密度、放电率、充放电寿命及密封性等，均可以 满足美国 USABC 制定的电动汽车用动力电池的中期目标。当前，锂离子电池仍然存在的 主要问题是:快速充放电性能差、价格高和过充放电保护问题。在过充或滥用的条件下， 锂电池可能发生火灾或爆炸。因此为了确保锂离子电池的安全性，必须使用电池管理系 第 9 页 共 32 页 统。 电池管理系统应具有如下功能: 1)参数检测。实时采集电池充放电状态。采集的数据有电池总电压、电池总电流、 每包电池测点温度以及单体模块电池电压等; 2)剩余电量 (SOC)估计。电池剩余能量相当于传统车的油量。为了让司机及时了解 SOC，系统应即时采集充放电电流、电压等参数，通过相应的算法进行 SOC 的估计; 3)充放电控制。根据电池的荷电状态控制对电池的充放电。若某个参数超标，如单 体电池电压过高或过低，为保证电池组的正常使用及性能的发挥，系统将切断继电器， 停止电池的能量供给; 4)热管理。实时采集每包电池测点温度，通过对散热风扇的控制防止电池温度过高; 5)均衡控制。由于每块电池个体的差异以及使用状态的不同等原因，电池在使用过 程中不一致性会越来越严重。系统应能判断并自动进行均衡处理; 6)故障诊断。通过对电池参数的采集，系统具有预测电池性能、故障诊断和提前报 警等功能; 7)信息监控。电池的主要信息在车载显示终端进行实时显示; 8)参数标定。由于不同的车型使用的电池类型、数量、电池包大小和数量不同，因 此系统应具有对车型、车辆编号、电池类型和电池模式等信息标定的功能。电池管理系 统通过接口与上位机标定软件进行通信; 9)CAN 总线接口。根据整车 CAN 通信协议，与整车其他系统进行信息共享。 2.1.32.1.3 动力电机及其控制原理动力电机及其控制原理 电动机驱动系统是电动汽车最关键的系统。它的任务是在驾驶员的控制下，高效率 地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。电动汽车 的电动机驱动系统的特性要求主要取决于以下三个方面:驾驶员对电动汽车的驾驶性能要 求、车辆的性能约束以及车载能源系统的性能。基于以上特性选取电动车驱动系统有如 下要求: 以电磁转矩为控制目标，油门和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值，要求 转矩响应迅速，波动小; 电动汽车要求驱动电机要有较宽的调速范围，电机能在四象限内工作; 为保证加速时间，要求电机低速时有大的转矩输出和较大的过载倍数，为保证汽 车能跑到最高车速，要求电机高速区处有一定功率输出; 驱动系统高效，可靠性好，电磁兼容性好，易于维护。 电动汽车驱动系统可以按照驱动电机的类型进行划分，可分为直流电机驱动系统、 交流感应电机驱动系统、永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统等。 (l)直流驱动系统，以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统。其控制器通常采 用斩波器控制方式，它具有控制较简单、效率较高、成本低、技术成熟等优点。但因为 具有电刷、换向器等易损件，需要定期维护，同时使得它的转速、功率密度、使用寿命 都受到了限制。直流电机的效率低、价格高、重量和体积也较大。目前广泛应用于城市 无轨电车。 第 10 页 共 32 页 (2) 永磁同步电机交流驱动系统。与普通直流电机和异步电机相比，它的功率密度大， 体积小，转矩惯量比大，传动系动态响应快。但目前由于永磁同步电动机价格较贵。同 时对于大功率的 PMSM 要做到体积小、质量轻尚存在一定的技术难度。 (3)开关磁阻电动机驱动系统。开关磁阻电机结构比感应电机更简单可靠，它特别适 用于高速、低速转矩大、电流小的系统。而且工作效率高，转子无绕组，适合于频繁正 反转及冲击负载等工况条件。同时还具有较宽的调速范围，低速大转矩和制动能量回馈 等特性。因此比较适合电动汽车。但是该电动机振动和噪声较大。目前在电动车驱动中 有一定的应用。 (4) 交流驱动系统，以交流感应电机为驱动电机。三相感应交流电动机（三相异步电 机）与直流电机相比，具有效率高、体积小、质量轻、免维护、可靠性好、寿命长等优 点。三相感应交流电机采用变频调速时，可以取消机械变速器，实现无级变速，使传动 效率大为提高。另外，感应电动机很容易实现正反转，再生制动能量的回收也更加简单。 当采用鼠笼型转子时，感应电动机还具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、工作可靠、 效率高和免维护等优点。随着现代电力电子技术的发展，大功率电力电子器件的出现， 以及调速方法的改进，使得交流感应电机的调速性有较大改善。目前纯电动车有较多采 用交流感应电机作为驱动电机。 综合考虑电动车的要求和各种电机的性能区别以及市场、成本等原因，本项目选取 三相感应交流电动机为驱动电机。三相交流异步电动机和三相交流永磁同步电动机在制 造、体积、重量、成本、可靠性及性能等方面远比直流电动机优越得多。通过正弦脉宽 调制型（SPWM）三相变频电路，把蓄电池的交流电逆变成可以变频变压的三相交流电供 它们使用，具有和好的变速驱动性能，已成为电动汽车驱动的较好方式。 图 2.2 三相逆变变频调速示意图 2.22.2 微型客车整车参数及性能指标微型客车整车参数及性能指标 表 2.4 微型客车整车参数及性能指标 项目具体要求数值（目标值）备注 整车尺寸长宽高388515701860单位为 mm 轴距-2500单位为 mm 前轮距/后轮距 -1290/1290单位为 mm 第 11 页 共 32 页 前悬/后悬-575/845单位为 mm 总质量（满载）-1770单位为 Kg 整备质量-1200单位为 Kg 前后轴荷分配-595/605、650/970单位为 Kg 从 0Km/h 加速到 100Km/h 所需时间 30s- 最高车速 100Km/hHVW 条件下(整备质量+180Kg) 爬坡能力-25%最大总质量条件下 迎风面积 2.593m2 风阻系数 0.456 轮胎规格 165/70R13C 容量要求 电池性能 功率要求 额定/峰值 电机性能扭矩要求额定/峰值 续驶里程要求-150Km（空载） 百公里耗电量 要求 -18 度（相当于 1.5L 燃 油） 60Km/h 等速行驶 碰撞星级要求满足 C-NCAP 四星级评价性能,总分不低于 40 分,且各单项不存在罚分项 最高配置款 参考传统客车技术参数，本项目提出了纯电动客车的基本性能指标如 (1)最高车速大于等于 100km/h ; (2)最大爬坡度大于等于 25% ; (3) 0-100km/h 加速时间小于等于 30s; (4)续驶里程大于等于 150km(空载) 2.32.3 电动机参数匹配电动机参数匹配 电动车用驱动电机通常要求能够频繁启动/停车、加速/减速,低速和爬坡时要求高转 第 12 页 共 32 页 矩,高速行驶时要求低转矩,并要求变速范围大。其主要参数包括:电动机类型、额定电压、 机械特性、效率、尺寸参数、可靠性和成本等。另外为电动机所配置的电子控制系统和 驱动系统也会影响驱动电动机的性能。 2.3.12.3.1 电动机峰值功率及额定功率的匹配电动机峰值功率及额定功率的匹配 2.3.1.12.3.1.1 以最高车速确定电机的额定功率以最高车速确定电机的额定功率 max 2 max *) 15.21 * *(* 3600 1 U UAC fgmP d T N （1） 式子中： N P 电机额定功率,kW T 传动系统效率 m最大车重，kg f 滚动阻力系数，取 0.015 d C 风阻系数 A车辆迎风面积 U 最高车速，km/h 计算得 PN=28.48Kw 2.3.1.22.3.1.2 以最大爬坡度确定的最大功率为以最大爬坡度确定的最大功率为 max 2 max max1 *) 15.21 * sin*cos*(* 3600 1 v vAC gmfgmP d T N （2） 式中，最大爬坡角 100 arctan max max i 计算得在 20Km/h 速度下的爬坡速度下仅需 31kw 的功率 2.3.1.32.3.1.3 计算其加速时间计算其加速时间 假设车辆在平直路面上加速，车辆加速过程动力学方程为： wif FFFFt 15.21 * * 2 uAC dt du mfgm d （3） 式中，汽车旋转质量转换系数 第 13 页 共 32 页 22 * * 1 * 1 1 r iI mr I m Tf w 上式： w I 车轮转动惯量 f I 飞轮转动惯量 i电机到车轮的传动比 上式经过变形为： 0 0 2) * 15.21 * *( 1 6 . 3 * v d du u AC fgmFt m t （4） 即为加速时间的计算公式 汽车速度与电机转速之间的关系： i nr va * 377 . 0 (5) 电动汽车驱动力 t F 与电机额定转矩的关系： r iT Ft * (6) 用 MATLAB/SIMULINK 建模，可得出加速时间 t 编程原理图如下 图 2.3 MATLAB/SIMULINK 加速计算建模 第 14 页 共 32 页 2.3.22.3.2 电动机额定转速及最高转速的选择电动机额定转速及最高转速的选择 根据各种不同电机的性能对比，选择三相交流感应电机，其转速范围在 4000-10000 之间。操作性较好。尺寸小，质量轻。 电动机的最高转速对电动机成本、制造工艺和传动系尺寸有很大的影响。转速在 6000r/min 以上的电机为高速电机，以下为普通电机。前者成本高、制造工艺复杂而且 对配套使用的轴承、齿轮等各附件有特殊要求，一般适用于电动轿车或 100kw 以上大功 率驱动电机，很少在纯电动客车一般不采用高速电机。因此应采用最高转速不大于 10000r/min 的电机。当然，最高转速越低，成本也会越低。 最大转矩=额定功率/额定转速 知额定转速越低，对转矩的要求越大，对电机的要求也越高。初步确定三相交流感应 电机的最大扭矩不大于 300。 电动机最高转速与额定转速的比值也称为电机扩大恒功率区系数 ，随 值的增 大，电动机可在低转速区获得较大的转矩，有利于提高车辆的加速和爬坡性能。但 值的过多增加会导致电动机工作电流的增大，增大了功率损耗和尺寸。因此 值一般取 24，计算出电动机额定转速应该在 20004000r/min 之间选取。 2.3.32.3.3 电动机额定电压的参数选择电动机额定电压的参数选择 电动机额定电压的选择与电动汽车蓄电池组电压密切相关。在相同输出功率条件下， 电池组电压高则电流小，对导线和开关等电器元件要求较低，但高电压需要数量较多的 单体电池串联，引起成本及整车质量的增加和动力性的下降，而且难于布置。 电动机额定电压一般由所选取的电动机的参数决定，并与电动机额定功率成正比，电 动机的额定电压越高电动机的额定功率越大。 2.42.4 传动系参数匹配传动系参数匹配 传动系统参数匹配主要包括变速器的匹配设计和主减速器的匹配。在最大传动比传动 时，传动系统输出的是最大的扭矩，对应于车辆的最大爬坡度，在最小传动比传动时， 整车将达到最大速度。 2.4.12.4.1 最大减速比的确定最大减速比的确定 最大传动比由电动机的额定转矩和汽车的最大爬坡决定，有如下公式： T T rfG ii * )sincos( * max maxmax 01 (7) 第 15 页 共 32 页 式中： 1 i 变速器最低档速比 0 i 主减速器速比 r车轮滚动半径 T 传动系统总效率 2.4.22.4.2 最小减速比的确定最小减速比的确定 最小传动比由电动机的最高转速和最高车速决定，有如下公式： max max 02 377.0* v rn ii (8) 式中： 2 i 变速器最低档速比 max v 最高车速 根据电机的转速扭矩和车辆的行驶速度，爬坡度，可以确定减速比的范围。 根据电机额定功率和额定转速，电机扩大恒功率区系数 取 2.5，可计算出电机最 高转速，最大扭矩，车辆最高车速定为 100Km，可计算出传动系的最小减速比和最大减速 比的要求。 综上，可得出电机不同额定功率，不同额定转速下对减速比的要求。如下表所示： 表 2.5 电机不同额定功率，不同额定转速下对减速比的要求 额 定 功 率 电机额定 转速 最高转速车辆最高 速度km 最小减速 比 百公里 加速时 间 40270067501006.19 141.56.907424.28 40300075001006.88 127.37.674924.52 40330082501007.57 115.88.442424.28 40360090001008.26 106.19.209924.28 50270067501006.19 176.95.525918.29 50300075001006.88 159.26.139918.29 第 16 页 共 32 页 50330082501007.57 144.76.753918.29 50360090001008.26 132.67.367918.29 60270067501006.19 212.24.604914.71 60300075001006.88 1915.116614.71 60330082501007.57 173.65.628314.71 60360090001008.26 159.26.139914.71 若动力电机无需驱动其他附件（空调、等） ，则根据上表，选择动力传动系的参数如下： 表 2.6 动力传动系的参数 额定功率（Kw） 50 额定转速(r/min )/最大转速(r/min) 2700/6750 电机 最大扭矩（N*m）/转速（r/min） 176.9/2700 减速器减速比 5.7 加速时间(s) 18.29 电机特性图如下 50kw电机特性图 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 01000200030004000500060007000 转速（r/min） 扭矩（N*m） 图 2.4 电机特性图 2.52.5 动力电池参数匹配动力电池参数匹配 蓄电池的放电电流，放电电压，效率，输出功率等参数与汽车的续时里程，车速等有 第 17 页 共 32 页 密切联系，合理选择这些参数，使其与汽车的动力系统达到最佳匹配值，是提高电动汽 车性能的有效途径。 2.5.12.5.1 匹配原则匹配原则 作为电动汽车的电源应满足的要求主要有：高的比能量和比功率，循环寿命长，安全 可靠，免维护，对环境污染小，节省能源及成本低廉。蓄电池的主要新能参数有功率密 度，能量密度，可靠性，寿命和价格等。 其中锂离子电池的高能量和充放电速度快等优越性能得到越来越多的关注，是目前市 场前景最好的一种产品。尽管价格有些贵，根据发展的趋势，我们选择锂离子电池， 。 其工作电压高达 3.7V，大约是镍镉或镍氢电池的 3 倍，可减小电池的使用数量。没有游 离的金属锂，电池使用更安全。无记忆效应，使其无时不为你提供最大的能量。 动力电池一般有能量型与功率型两种，为满足纯电动汽车的行驶，要求采用能量型电 池，匹配时主要考查其能量要求，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，因此主要是根据车辆的续驶里程来确定电池容量，根据车速确定其 放电电流，根据电动机电压确定电池的放电电压。 2.5.22.5.2 蓄电池匹配蓄电池匹配 2.5.2.1.2.5.2.1.锂离子电池组电压等级锂离子电池组电压等级 在车用电池的使用过程中，电池的最大放电电流不应超过 300A，根据电动机峰值功 率 Pmax 确定电池的电压等级 V 满足如下关系式。 300 1000 max 0 P V （9） 由上式计算出电池组的电压等级 V0160(V)。参考市场上锂离子电池的额定电压(4V)及 本文匹配的电动机额定电压范围（300-350V） ，确定电池组电压等级 V=4V80=320V。 2.5.2.2.2.5.2.2.锂离子电池组能量锂离子电池组能量 电池的能量计算公式为： 1000/CUW essess （10） 式中 ess W 为电池组的实际能量（kWh） ； ess U 为电池组的平均工作电压（V） ；C 为单体 电池的容量（Ah） 。 电动汽车行驶里程 S(km)所需的能量，可以通过下式计算。假定汽车以 ele V (km/h)的 速度行驶。 ele eled ele V VAC fgmP* 15.21 * * 3600 1 2 （11） )/(* eleeleeleroad VSPtPW ( 12) 第 18 页 共 32 页 式中 ele P 为汽车以纯电动驱动所需的功率（kW） ； road W 为车辆行驶里程 S(km)所需的 能量（kWh） 。 需要使 ress W 满足： ress W road W (13) 由电池容量与电压可以直接求续驶里程，计算公式如下所示： eleeleSocess PVCUS/* (14) 式中 Soc 为电池块的有效放电容量。电池不可能完全 100%放出其额定的容量，比如从 放电初始时 SOC 为 100%放电到 SOC 为 40%，那么该系数即为 60%，即可放出其最大容 量的 60%。 下表为 60km/h 下不同电压和容量下的续时里程。 表 2.7 60km/h 下不同电压和容量下的续时里程 容量 电压 80.0 90100.0 110120.0 20096.0 108.0 120.0 132.0 144.0 220105.6 118.8 132.0