（光学工程专业论文）纯电动汽车动力系统研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n j n 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：塑丛! ! ! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 蹴引獬) 碉一m 胁 1 0 0 0 04 0 0 0 1 0 0 0 0 效率( 呦 7 5 8 58 5 9 2 8 5 9 39 0 9 5 可靠性一般优 优良 价格高便宜 一般高 有电刷易于产生控制系统复杂 输出转矩脉动大需要检测转子 火花，引起电磁 转矩大，具有非磁极位置，永 缺点 干扰维修复杂， 线性特性磁体有退磁的 体积大质量大 问题 结构简单，转矩结构简单，调速结构简单，牢靠体积小，重量 控制特性良好范围广，较小的启动时的转矩小所以能量密 优点 转动惯量，技术大，可调范围狂度大，控制器 比较成熟，维修广，效率高比较简单，效 也比较简单率比较高 武汉理工大学硕士学位论文 电动汽车发展初目前大部分电动尚未成熟，发展大多数使用在 期得到青睐，与汽车都选择其作受到限制特殊电动汽车 前景 其他驱动技术相为动力来源 上如太阳能电 比劣势较多动汽车 3 1 5 本文所用的电动机驱动系统 永磁无刷直流电机具有优越的起动和调速性能、没有机械接触结构( 换向器 和电刷) 、寿命长、噪音低、和电磁干扰小等优点n 钔，在电动汽车的设计过程中 我们遇到问题( 如电动汽车起步不稳、电机噪声大以及在行驶过程中频繁的制动、 加速造成电机易于毁坏) 通过永磁无刷电动机可迎刃而解，同时直流电机驱动技 术较成熟、成本较低，所以在本文中选择永磁无刷直流电机驱动技术。 3 2 蓄电池选择 电动汽车在短时间内无法实现大范围商业化的主要原因还是电动汽车电池 技术存在严重的缺点n 引： ( 1 ) 充电时间太长，一般需要4 - 8 小时才能充电完毕，给用户带来不便。 ( 2 ) 存储电量小，一次充电续驶里程短，这就限制了电动汽车的适用范围。 ( 3 ) 整车单位质量的荷电量小，从而影响了汽车的动力性能( 如加速、爬坡 性能等) 。 ( 4 ) 寿命较短，一般的电池只能往复充放电3 0 0 4 0 0 次，性能好的可使用 7 0 0 - 8 0 0 次，假设一辆电动汽车每年充放电2 0 0 次，电池才能使用4 年，另置新 电池就使得电池使用成本较高，用户难以接受。 蓄电池代替石油给汽车提供能量，还需满足以下几点要求n 0 1 ： ( 1 ) 要有高功率密度和高能量密度 ( 2 ) 使用寿命长 ( 3 ) 电池一致性好，充放电性能高 ( 4 ) 使用维修方便，价格较低 因此电动汽车的发展很大程度上取决于电池技术，下面介绍几种常见的电动 汽车用电池口1 。 3 2 1 铅酸电池 至今，铅酸蓄电池已有1 0 0 多年的历史，是已经成熟的汽车电源。因其电压 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 稳定，内阻小，结构简单，价格便宜，所以在汽车上被广泛采用。铅酸电池正负 电极分别为二氧化铅和铅，电解液为硫酸。由于铅酸电池的技术比较成熟，经过 进一步改进后的铅酸电池仍将是近期电动汽车的主要电源，正在开发的电动汽车 用先进铅酸电池主要有以下几种：水平铅酸电池、双极密封铅酸电池、卷式电极 铅酸电池等。铅酸蓄电池的主要缺点体现在以下两方面：一个是重量大，同时体 积也较大，所以比能量较低，作为电动汽车电源时，汽车续驶里程较低，需要经 常充电。另一个缺点是使用寿命较短，常需要维修使得使用成本较高。 3 2 2 镍金属电池 电动汽车用的镍电池主要有镍金属电池( 主要是镍一镉电池) 和镍一氢电池两 类。镍一镉电池和铅酸电池相比虽然价格较高( 其价格约为铅酸蓄电池的4 - 5 倍) ， 但是其性能却更具优势：“比能量能够达到5 5 w h k g ，比功率可以达到2 0 0 w k g ， 循环寿命达到2 0 0 0 多次，充电速度快”。所以总体来说其实际使用成本并不高， 其存在的主要问题是金属镉的污染性，如果在使用镍一镉电池中不注意回收重金 属镉的话，就会对环境造成严重的污染，基于这一点许多发达国家都已限制发展 和使用镍一镉电池。相比之下，镍一氢电池则是一种绿色镍金属电池：“它的正负 极分别为镍一氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污染问题，且其电解液在 工作过程中不会出现增减现象，电池可以实现密封设计 。另外，镍一氢电池在比 能量、比功率和使用寿命等方面都比镍一镉电池有所提高，实验证明，使用镍一 氢电池的电动汽车一次充电后的续驶里程最高可达到6 0 0 k m 。鉴于镍一氢电池的 高性能、无污染、工作原理和特点适合电动汽车等特点，目前在欧美已实现了批 量生产和使用，美国通用公司已经把其作为今后优先考虑的动力电池，但其还存 在价格太高、自放电率较高、均匀性较差等缺点啪1 ，这些缺点也影响着镍一氢电 池在未来电动汽车上的广泛使用。 3 2 3 锂离子电池 锂离子电池是上个世纪9 0 年代发展起来的可充电高容量电池，具有很高的 能量密度( 大约是铅酸电池的3 4 倍) 、无记忆效应、自放电率小、寿命长、对 环境无污染等优点，是未来电动汽车最主要的动力电池，也是当今各国能量存储 技术研究的热点，但也具有一定的缺点：一致性、可靠性、安全性差，不能快速 充电，成本高，技术不成熟，高温性能差啪1 。一般的锂离子蓄电池采用锂金属的 氧化物或者储锂碳材料作为电极，锂离子电池充放电过程如下：“锂离子在正负 极材料晶格中可以自由扩散，当电池放电时，锂离子从负极中脱出，嵌入到正极 武汉理工大学硕士学位论文 中，反之则为充电过程。即锂离子借助于电解液在电池的两极间往复运动以传 递电能实现充放电过程。根据电解质的不同可以将锂离子蓄电池可分为锂离子电 池和锂聚合物电池两种，目前锂离子电池存在成本相对较高和安全性较低的问 题，而锂聚合物电池虽然解决了上述两个问题，但目前仍属于实验室产品。 3 2 4 锌一空气电池和高温钠电池 锌一空气电池( 又叫锌氧电池) 可以分为碱性和中性两种系列，该电池以锌 板为负极，能够吸收空气中氧气的碳为正极，以k o h 溶液或者n h 4 c l 为电解质。 锌空气电池对环境适应性很高可以在很恶劣的环境下工作，一般不需要维护，同 时具有较高比能量( 可达2 0 0 w h k g ) ，是清洁安全电池，但是也具有比功率较小 ( 9 0 w k g ) 、寿命较短、存储再生制动的能量的能力小、输出电流较小及充电困 难等缺点啪1 ，所以为了帮助以锌空气电池作为驱动电源的电动汽车起动和加速通 常还会装有其它电池( 如镍镉蓄电池) 。 高温钠电池可以分为两种：一种是钠氯化镍电池( n a n i c l 2 ) ，另一种是钠硫 蓄电池。此种电池一般使用固态n i c l 2 充当电池的正极，而将液态n a 作为电池 的另一极，两极之间使用固态b - a 1 2 0 2 陶瓷当做电极间的电解媒质，在电池的 正常充电情况下，在给电池提供2 5 0 度 - - - 3 5 0 度的高温条件下，负极的钠离子可 以借助两极间的电解质向着正极漂移，从而形成电流。往往高温条件的实现满足 起来比较繁琐。 3 2 5 燃料电池 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化 为电能的发电装置，它的基本化学原理是水电解反应的逆过程，即氢氧反应产生 电、水和热。由于其无噪声、运行寿命长、可靠性高、维护性能好，效率高，无 污染，被列为2 l 世纪的首选能源。燃料电池也分为多种，但目前只有质子交换 膜型燃料电池最适合电动汽车使用。 3 2 6 太阳能电池、超级电容和飞轮电池 太阳能电池即是将太阳能转化成电能的装置，太阳能电池作为动力电源的电 动汽车已经出现，但大部分还只是样车，另外太阳能电动汽车还存在转化效率低、 成本高、系统复杂等问题，所以太阳能电动汽车要想商业化还需时日。 超级电容是为了满足混合动力电动汽车能量和功率实时变化要求而提出的 武汉理工大学硕士学位论文 一种能量存储装置。它是一种电化学电容，但是具有电池和传统物理电容的优点。 它一般与蓄电池一起应用在电动汽车上来弥补蓄电池的不足，同时来提高电动汽 车的性能和延长蓄电池的使用寿命。 飞轮电池区别于传统的化学电池，而是一种将机械能与电能转化的装置，它 由飞轮、电动机发电机和电力电子装置组成。充电时，电动机工作带动飞轮高 速转动增加其动能。放电时，发电机工作，飞轮带动发电机输出电能。飞轮电池 比功率可达5 0 0 0 1 0 0 0 0 w k g ，使用寿命可长达2 5 年，完全能够满足电动汽车起 步、加速时对电池“爆发 的要求，但目前我国对飞轮电池的研究还处在实验室 阶段，而欧美国家已经实现产业化啪1 。 轴承“ + 1 1 i i _ jl i 蔼、。 ， ， 、 斑 、 il 悼 i i 掀；上 土 土 上广 图3 - 5 飞轮电池结构示意图 3 2 7 本文所采用的电池 铅酸蓄电池是已经成熟的电动汽车车载电源，作为动力电源它虽然不能提供 较长的续驶里程，同时也需要经常充电，但是它具有价格便宜、电压稳定且内阻 相对较小，结构也较简单的优点，特别适合于我们初期电动汽车的设计，具有较 高的实验价值。同时本文所设计的是k k 系列电动汽车对电池的要求相对较低， 因此选择铅酸蓄电池作为动力电源。 3 3 变速器以及主减速器 汽车在起步加速时需要较大转矩，为提高电动汽车的加速和起步性能同时防 止电机电流过大而烧毁电机，需要变速器和主减速器来起到减速增距的目的。 武汉理工大学硕士学位论文 我们常见的变速器按照操纵方式的不同可以分为强制操纵式、自动操纵式和 半自动操纵式三种n 刳： ( 1 ) 强制操纵式变速器是靠驾驶员直接来操纵变速杆来换挡，大多数汽车采 用这种变速器。 ( 2 ) 自动操纵式变速器的换挡是自动进行的，驾驶员只需操纵加速踏板即可 控制车速。 ( 3 ) 半自动式变速器可以分为两种形式。一种是常用的几个档位自动操纵， 其余的档位则由驾驶员操纵；另一种则是预选式，即驾驶员预先用按钮选定档位， 再踩下离合器或者松开加速踏板时，接通一个电磁装置或者液压装置来实现换 挡。 变速器的其它分类在此不作介绍，手动变速器( 即强制操纵式变速器) 在汽车 上的使用历史最为悠久，它具有传动效率高、性能稳定、易于制造且价格较低等 优点n 别。同时手动变速器较其它变速器成本较低，本文采用手动变速器。 主减速器主要是起到减速增矩的作用，将在下面的参数匹配中介绍。 3 4 整车目标参数 按照k k 系列电动汽车的设计要求我们得到整车设计目标参数，见表3 2 。 表3 - 2 整车设计目标参数 整车尺寸( m m ) 3 3 0 0 1 6 7 0 1 5 5 0 电池类型铅酸蓄电池 整车质量( k g ) 1 1 5 0 传动效率 0 9 1 离地间隙 1 7 5 m m 一次充电最大行驶距离( k i n ) 1 2 0 轴距( r a m ) 2 0 4 5 空气阻力系数c d 0 3 8 轮距前后( m m ) 1 4 4 0 1 4 3 0迎风面积a ( m 2 ) 2 最小转弯半径( m ) 4 5 车轮的滚动半径r ( m ) o 2 9 轮胎 1 8 5 6 0 r 1 5 滚动阻力系数f 0 0 1 4 驱动方式前驱 整车的动力性能指标如下： ( 1 ) 最高车速：6 0 k m h ( 2 ) 最大爬坡度：1 8 ( 3 ) 加速时间：2 0s ( 0 - 5 0 k m h 的加速时间) ( 4 ) 蓄电池放电深度为8 0 ，能够以速度4 0 k m h 行驶1 2 0 k m 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 动力系统元件参数匹配 3 5 1 电动机参数的确定 电动机为电动汽车提供转速和转矩，电机功率的选择关系到电动汽车的动力 性能，从电动汽车的动力性能指标要求着手求解满足的条件的电动机作为我们的 设计思路。如果选择的电机功率过大，虽然有足够的后备功率来满足加速和爬坡 性能，但功率大的电机其质量也会增幅很多，并且在大多数工况下电动机不会在 其峰值功率处工作，这样就存在一定程度的“浪费”。相反，如果选择的电动机 功率过小，就不能满足基本的动力性能，这样也是不可取的。 ( 1 ) 由最高车速确定 最高车速是汽车动力性能指标之一，但它同时也反映了汽车的加速性能和爬 坡能力，因为较大的最高车速要求的电动机功率就越大，则汽车后备功率就越大， 从而相应的汽车爬坡和加速性能也就越好。设计中我们先由汽车的最高车速来确 定电动机额定功率的大小，根据电动机的额定功率大至等于汽车以最高车速行驶 时的行驶阻力功率之和，即： 只：f 墅旦些+ 竺旦丝! ! 堕：1 厶r 。l3 6 0 0 7 1 6 4 0 “ f 3 1 、 将表3 - 2 中的参数值代入上式得到只= 5 4 6 k w 。电动机的额定功率至少大于 5 4 6 k w 。由于该车采用了5 档的变速器，在很大程度上起到减速增距的作用，故 在此选择过载系数为1 5 ，得到电机功率为8 5 k w ，图3 6 为电动机的转矩特性。 图3 - 6 电动机的特性曲线 ( 2 ) 验证是否满足汽车的加速性能 在水平良好的地面上，车辆的加速度可以用以下公式来表示： 武汉理工大学硕士学位论文 d v f t f w f f 西 万- m ( 3 2 ) 上式中万可以表示为： 渊+ 婆+ 生：坌算：坠 m r 2m r 2 ( 3 - 3 ) 其中，r r 为传动装置效率( 包括主减速器以及变速器传动轴等) ，i o 为主减 速器传动比，为电机输出轴和传动轴的转动惯量，岛为驱动轮的转动惯量， 为车轮半径，f 。为变速器传动比。由式3 - 2 和3 - 3 得到加速时间为： r = 去i ( 去p2 去f ，希 。3 m 上式中，v 等于5 0 k m h ，f 为汽车起步至5 0 k m h 的时间。e h 公式3 - 3 得到系数万 值为3 ，驱动力取最大值2 9 0 7 n ，同时忽略空气阻力和滚动阻力，得到结果为加 速时间1 6 5 ，满足设计要求。 ( 3 ) 验证是否满足汽车的爬坡性能 汽车的运动方程同样适用于电动汽车。如下： ft=ff+fw七ftfj(3-5) 一般假设汽车在爬坡过程中加速度为零即为匀速运动，同时上坡速度低，则 有：f j = 0 ， 凡= f m g c o s a ，f i = m g s i n a 。于是得到汽车爬坡角度为： 弘一ml熹静j-arctan(f)mg x 1 f i + 2 n 、 f ：t p i d o q t ：垒! ：兰! 三兰型! 兰q ：2 1 ：2 9 0 7 一= 一= 一= z v i j ，v r0 2 9 ( 3 - 7 ) 将e = 2 9 0 7 、瓦= 0 代入上式得到口= 1 5 1 得爬坡度为2 6 1 8 满足设计要求。 经过以上计算所确定的电动机额定功率为：8 5 k w 综合分析之后选择的电动机( z c t 8 5 b 一9 6 2 6 ) 的参数如下表： 表3 - 3 电机参数 额定功率 8 5 k w 额定转速 2 8 0 0 r m i n 额定电压 9 6 v 最高转速 3 5 0 0 r m i n 额定电流 1 l o a 额定转矩 2 9 n m 电机质量 7 0 k g 效率 8 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 2 蓄电池参数设计 在制造样车初期我们选择了技术较成熟，价格便宜的铅酸蓄电池为储能装 置。根据在上文提到的汽车性能评价指标，即该车在平均车速为4 0 k m h 行驶 1 2 0 k m 。得到功率为 p 2 赤( m g f 4 - 等 仔8 ， ： ! 1 1 5 0 x 9 8 x o 0 1 4 + q ：! ! 兰兰兰! 竺、4 0 3 6 0 0 0 9 l 0 8 5 2 1 1 5 e ：p 奎f ：2 6 塑：7 8 t w h 铅酸蓄电池的s o c 一般介于0 3 - 0 8 之间，放电深度为8 0 所以得到蓄电池 组总能量为： f 。，：9 7 5 k w h 7 8 0一“ 电池的容量= 能量电压= 9 7 5 1 0 3 9 6 = 1 0 1 6 a h 。 铅酸蓄电池的比能量一般为3 5 k w 堙，于是得到电池组的总量为： 9 7 5 x 1 0 3 3 5 = 2 7 8 k g 电动机额定电压为9 6 v ，所以我们选择额定电压为1 2 v 的铅酸蓄电池8 个串 联，一个备用电池，每个蓄电池模块重3 5 堙，给电动机供电的电池总重为： 3 5 8 = 2 8 0 k g 以上结果满足设计要求，我们所选择的电池具体参数见表3 4 ： 表3 - 4 蓄电池参数 类型牵引型铅酸蓄电池电压 1 2 v 额定容量 1 2 0 1 3 0 a h质量 3 5 埏 外形尺寸 3 6 0 1 7 2 2 8 2荷电状态带液充电态蓄电池 3 5 3 传动系传动参数选择 ( 1 ) 确定主减速器的传动比： 电动机的转速可以轻松达到内燃机的水平，但低功率电机的转矩相对内燃机 却显得不足，同时考虑到电机的过载保护，所以在主减速器传动比的选择上尽量 取较大值，以满足汽车的加速和爬坡能力。由电动机转速与汽车行驶速度的关系： 武汉理工大学硕士学位论文 v ：0 3 7 7 卫 ( 3 9 ) l g l o 得到传动系最小传动比应满足最大车速的要求： i o _ o 3 7 7 堡= 0 3 7 7 x v 些擘塑“2 (3_11)max 6 0 上式中，为电动机最大功率时的转速。由此得4 2 i o 6 4 ，综合分析之后选 择主减速器减速比为4 4 。 ( 2 ) 确定变速器传动比 理论上对于燃油汽车的动力性，档数多就意味着发动机在其最大功率附近高 功率工作的机会增大，提高汽车的加速和爬坡能力。对燃油经济性而言，档数多 能使得发动机在低燃油消耗区工作的机会增大，降低油耗。然而对于电动汽车， 主要研究其动力性，在主减速器减速比的设计上已经考虑到汽车的加速和爬坡能 力，同时为了试验传统变速器在电动汽车上的应用，在这里选择原有汽车上的变 速器，下面主要验证传动系在最大传动比的状况下的爬坡能力。 汽车在最大爬坡工况时有： e2 乃+ e 麟 ( 3 1 2 ) 即： t t qm a x ，g l f 。1 77 r = g fc o s 口m “+ g s i n 口懈( 3 - 1 3 ) 式中，一是电机的最大扭矩，名。是变速器一档的变速比，口懈是最大的爬坡 度，得到公式 l i o ( g f c o s 口一+ g s i n a 一 咖r r ( 3 1 4 ) 该车要求最大爬坡度1 8 9 6 ，即口一= 1 0 2 。于是有： f 耳l i o ( 1 1 5 0 x 9 8 x c o s l 0 2 + 1 1 5 0 x 9 8 xs i n l 0 2 ) 0 2 9 5 5 0 9 1 ( 3 1 5 ) = 1 2 7 得到，g 。2 8 8 ，选择变速器一档变速比为3 8 ，符合要求。其他档位传动比 为：i ：3 8 1 8 ；i i ：2 1 5 8 ；i i i ：1 4 0 0 ；：1 0 2 9 ；v ：0 8 3 8 ；r ：3 5 8 3 。 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述，得到总的设计方案，见表3 - 5 ： 表3 5 设计方案 电动机蓄电池变速器 主减速器 9 节1 2 v 铅酸蓄五档变速器传动比分别为 z c 厂r 8 5 b 9 6 2 6 电池，一节备用i ：3 8 1 8 ；i i ：2 1 5 8 ；i i i ：1 4 0 0 ； 4 4 1 2 n ：1 0 2 9 ；v ：o 8 3 8 ：r ：3 5 8 3 3 6 本章小结 ( 1 ) 介绍了几种常见的驱动电机以及它们各自的特点。 ( 2 ) 介绍了几种常见的动力电源以及它们的特点。 ( 3 ) 针对所设计汽车的性能参数，计算所需要的电机、电池、变速器等的参数。 得到总体的设计方案。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章电动车动力系统的建模 4 1 仿真软件a d v is o r 的介绍 仿真技术在现代汽车设计中的作用越来越明显，最主要的原因是仿真技术可 以在产品生产前对其进行设计思路和性能的验证，从而大大缩短了新产品的开发 周期。目前，在电动汽车领域应用较广泛的仿真软件有以下几种瞳引：s i m p l e v 软 件，它是由i d a h o 国家工程和环境实验室开发的；a d v i s o r 是a d v a n c e dv e h i c l e s i m u l a t o r 的简称，是由美国再生能源国家实验室( n r e l ) 研发的，在m a t l a b 和 s i m u l i n k 软件环境下研发的车辆仿真软件；m a r v e l ，由a r g o n n e 国家实验室研 发以及d u r h a m 大学研发的a n u s 软件等。 其中，由于a d v i s o r 这种高级车辆仿真器软件实用性比较强，开始广泛应用 于现在世界上许多汽车生产企业、研究机构以及高校都在使用a d v i s o r 进行汽车 仿真方面的研究方面。 本章内容即在掌握a d v i s o r 基本功能的基础上，根据前几章所设计车辆的各 项参数建立符合要求的仿真模型，并对仿真结果进行分析。 a d v i s o r 主要功能有：预测所建立的汽车模型的燃油经济性；对某循环工况 下的汽车模型的排放性能进行评价；对各种类型汽车的能量利用和损失进行评估 等。其主要具有以下特点心羽： ( 1 ) 仿真模型模块化的设计思路。 a d v i s o r 软件内已经建立了发动机、变速器、离合器、车轴、主减速器、车 轮等模块的模型。各个模块可以通过输入输出端口进行数据的传递和组合，从而 得到不同的汽车模型，大大节省了建模时间，提高了建模和设计效率。 ( 2 ) 仿真模型及源代码全部开放。 a d v i s o r 仿真模型和源代码在全球范围内完全公开，我们现在可以免费使用 a d v i s o r 2 0 0 2 版本。 ( 3 ) 应用了独特的混合仿真方法。 现代汽车的主要仿真方法有前向仿真和后向仿真两类，而a d v i s o r 采用的是 以后向仿真为主兼前向仿真为辅的混合仿真方法，使其具有仿真运算速度快、计 算量小和较高的仿真结果精度等优点。 ( 4 ) 可以与其他多种软件进行联合仿真( c o s i m u l a t i o n ) 。 汽车产业是个复杂的集成体，汽车的仿真很难涉及多个领域，但a d v i s o r 软件开发很难以涉及各个领域，所以a d v i s o r 设计了软件接口与其他的软件( 如 武汉理工大学硕士学位论文 s a b e r 、s i m p l o r e r 、v i s u a d o c 、s i n d a f l u i n t 等) 进行联合仿真而实现进一步 扩展其功能。 4 2a d vis o r 的简单介绍 ( 1 ) 软件应用是在m a t l a b 环境下，设置好a d v i s o r 的路径，在m a t l a b 命令 输入窗口输入a d v i s o r 命令，回车运行软件，就会出现以下界面，见图4 - 1 选择 合适的单位后点击s t a r t 开始运行软件。 ( 2 ) 运行软件后就会出现一个新的界面，界面右边的下拉菜单可以修改各部 件参数、选择车辆的9 种动力配置模式( d r i v e t r a i nc o n f i g ) ，其中包括： c o n v e n t i o n a l ( 传统燃油车辆) 、s e r i e s ( 并联混合动力) 、e v ( 纯电动车辆) 、 c u s t o m ( 自定义) 等几种模式，点击右下角的c o n t i n u e 按钮则进入下一步。见 图4 - 1 所示是选择的e v 模式下的界面。 图4 - 1 选择e v 模式下的操作界面一 ( 3 ) 以下界面是点击c o n t i n u e 按钮之后会出现的结果，这个界面右上角的 下拉菜单可以设置试验工况( d r i v e c y c l e ) ，默认的是c y c u d d s ，左边曲线是 图4 - 2 选择e v 模式下的操作界面二 3 2 武汉理工大学硕士学位论文 该工况下速度与时间之间的关系，界面右边中间可选选项是汽车加速和爬坡能力 的测试，点击右边的按钮可以对其进行参数设置。左边曲线图下面的下拉菜单是 测试目标的选择。 ( 4 ) 所有参数设定之后，点击r u n 按钮，会出现实验结果界面。其中包括油 耗、污染物排放以及整车动力性能见图4 2 所示。在图4 2 中因为之前我们选择 的是电动汽车所以得到的排放结果一直为零。 4 3 仿真模型的建立 4 3 1 电机及驱动系统建模 三i = 三专m 上 m 呈m 荔；薹 + 蚕三量 妻 + 三； 。4 。， 图4 3 直流无刷电动机的等效电路图 根据等效电路，得到该电机的电磁转矩为： 乙= 盟盟 3 3 ( 4 - 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 上式中，q 为电机转子的角速度。 得到的电动机模块见下图4 - 4 。 图4 - 4 电动机模块 在上述模型中主要包括以下几个模块：热量模块，转速限制模块，转矩限制 模块，转动惯量的作用模块，下面分别作介绍。 ( 1 ) 热量模块。该模块用来计算某一时刻电动机的温度，同时判断为保持某一 个温度而需要的散热方式以及保持这一温度所消耗的能量。 qmo_genoh y o n ? 锄 7 1 1 1 i - = = ：”。u l l ： i n h - k ( ：卜+ | 兰 厢而搁，崮： 螺r h 1 7 u 八o o 一l a n t 。崦帼 f e hs p d v a n v 刨刈伊亡 麟 图4 5 电机热量子模块 ( 2 ) 转速限制模块。由电动机的模型可以看到转速限制模块的输入来自电机的 请求速度，该模块主要是将v 请求和峙算进行对比。当v 请求v 计算时，则模块的输 出为电机的最大转速；当v 请求v 计算时，此时模块的输出为： 岷际= 鳖打w 实际2 j 里打 理论 ( 4 3 ) 其中，v 实际为实际的车速，。为受限制的需求转速，v 理论为该车所能达到 的理论速度。 ( 3 ) 转动惯量的作用模块。它主要是检测该直流无刷电动机中转动元件( 如转子 武汉理工大学硕士学位论文 等) 的转矩消耗，通过整个驱动系统的传动比，得到该电动机与整车转动惯量的 一个关系函数，从而根据模块的输入转速计算转动惯量的大小，该模块的结构见 下图。 图4 6 转动惯量的作用模块 ( 4 ) 转矩的限制模块。该模块功能为了保护电机使其在所允许的转矩范围内工作， 其工作原理是根据电机最大转速时对应的最大转矩，分别计算出电机在不同的模 式下工作时的最大转矩，再根据函数关系得出输出时的最大转矩。当处于电动机 模式时有t = m i n ( t , a t 求，毛大1 ) ；当处于发电机模式时丁= m i n ( t a 求，大2 ) ，其中 & 大l ，大：分别为最大充电转矩和最大发电转矩。 4 3 2 电池的仿真模型 与电动机的仿真模型一样，铅酸蓄电池的仿真模块也是有许多子模块组成， 其中包括开路电压及内阻的计算模块、功率的限制模块、电流的计算模块、s o c 的运算模块和热量模块等。 ( 1 ) 开路电压及内阻的计算模块 该模块是基于铅酸蓄电池的一种理想状况建立的，即把它看成是一个理想电 图4 7 开路电压及内阻的计算模块 武汉理工大学硕士学位论文 压源串联一个内阻的等效电路，于是我可以得到铅酸蓄电池的电压特性口纠： 圪=u+ri(4-4) 上式中，圪为电池的开路电压；u 为工作电压；r 为铅酸蓄电池的等效电阻。由 上式可计算出在某请求电池功率和某荷电状态( s o c ) 下的开路电压圪和内阻 r。 ( 2 ) 电流计算模块。通过一个二次方程求解得到口羽，即： 广：一 ，圪一4 v o 一4 尺p 2 r ( 4 5 ) ( 3 ) s o c 运算模块。荷电状态( s o c ) 的数值可用下式计算： s o c = ( 初始电量一已消耗电量) 初始电量( 4 6 ) 其中，已用电量采用安培时间积分法计算曲刳。 回 e n a b l e 图4 - 8s o c 运算模块 其他的模块不再作具体介绍。综上所述我们得到铅酸蓄电池的仿真模型见图4 - 9 。 图4 - 9 蓄电池的仿真模型 3 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 3 车身模块 根据汽车动力学方程即可得到整车的仿真模型( 包括车身模块和车轮及传动 轴模块) ，即 整车模型如下： f = f 。+ f t + f f + f j ( 4 - 6 ) 图4 - 1 0 整车模型 图4 - 1 0 所示，该方程首先计算迭代步的加速度来计算所要求后馈驱动力， 迭代步内的平均速度为步骤开始处和末端处所需速度的平均值b 钉。 4 3 4 变速器模块 图4 ：- 1 1 变速器模块 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 变速器仿真模型由变速箱控制子模块、扭矩损失子模块、输入输出轴扭矩、 转动惯量影响子模块、转速计算子模块等组成，具有传递和修正扭矩和转速的作 用，即通过车轮轮轴传递的扭矩和转速，以及由电机控制器反馈而来的有效扭 矩和转速，修正车轮轮轴的扭矩和转速计算出齿轮箱的输出扭矩和转速乜引。 4 3 5 循环工况模块 循环工况的仿真模型如下： 图4 - 1 2 循环工况的仿真模型 目前用来测评汽车性能的循环工况主要有e u d c 、u d d s 、h w f e t 等，我国常采 用e u d c 循环工况为主，但是我们在选择循环工况的时候要考虑汽车主要的工作 状况，选择合适的循环工况要符合实际的汽车的工作。 4 3 6 电动汽车的总体模型 a d v i s o r 采用的是以向后仿真为主兼向前仿真的混合仿真思路，所以我们在 图4 - 1 3 整车的仿真模型 3 8 武汉理工大学硕士学位论文 建立整车仿真模块的时候也按照这种思路。即d r i v ec y c l e ( c y c ) 、v e c h i l e ( v e h ) 、 w h e e la n da x l e ( w h ) 、g e a rb o x ( g b ) 、m o r t o r c o n t r o l l e r ( m c ) 、e l e c t r i ca c c l o a d s ( a c c ) 、p o w e r b u s ( p b ) 、e n e r g y s t o r a g e ( e s s ) 等模块。按照向后仿真为主的思路 得到整车的仿真模型如下( 以上主要详细介绍了电机、电池、车身及循环工况等 模块，至于其它模块不在作介绍) 。 4 4 本章小结 ( 1 ) 简单的介绍了应用a d v i s o r 进行仿真的操作过程。 ( 2 ) 根据方程得到各个动力部分仿真模块并简单的分析了部分模块的工作原理。 ( 3 ) 得到了电动汽车的总体仿真模型。 3 9 武汉理工大学硕士学位论文 第五章模型的仿真及结果的分析 5 1 参数的输入 5 1 1 电机模块的仿真输入参数 5 1 2 蓄电池的模型输入参数 5 1 3 传动系参数输入 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 4 整车参数的输入 5 1 5 循环工况的选择 基于纯电动汽车的使用主要集中在城市道路，所以我们选择e c e 工况又叫十 五工况，此最高车速是5 0 公里d , 时，平均车速为1 9 公里d , 时，基本与城市内 汽车的行驶速度相吻合。1 9 9 9 年之后国家对试验工况进行了修改，在原有的1 5 个工况4 个循环的基础上，增加了一个4 0 0 秒的e u d c 工况循环( 即城郊高速公 路工况) 魄1 ，具体的循环过程见图5 1 。 零 芒 暑 整 图5 - 1e c ee u d c 循环工况 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 5 2 仿真结果及分析 5 2 1 仿真参数设置n 们 仿真主要是针对汽车的加速性能和爬坡能力两个方面，汽车的加速性能的评 价是由其原地起步加速时间和超车加速时间来确定的，即“原地起步的加速时间 系是用一档或二档起步，按最佳换档时间逐次换至最高档，加速至某一预定距离 或车速所需的时间，超车加速时间系指用最高档或次高档由某一较低车速在油门 全开情况下，加速至某一高速所需用的时间n 钔。 汽车的爬坡性能是用满载时汽 车在良好路面上的最大爬坡度。表示的。显然，“最大爬坡度”是指一档最大爬 坡度。有的国家规定在常遇到的坡度上，以汽车必须保证的车速来表明它的爬坡 能力在仿真前对加速和爬坡性能选项设置参数见图5 2 ，5 3 。 爹；0 ”：。1 ”? 彩带”警”2 灞 。e “c 陌l u r 妇v “ g r a d e 2 广一i s p 酬秭广嗡1 io u ， 广笱一。! ：g h h 妇r _ “ ne m b s t _ t 一 慧 r ； 0 ；。 l r 划s o c 一广试r ，礞 i w s o c 广r 谴 ：淼。 虹 l ；u c 抽“h 虹， 象o v “k m k o 广一i ir 删”嘶“”一吣广霸 ? 1 凄 ：s 舶c - 4 9 2 厂6 触b 日广鬟 i 广6 u e 2 r “，墨 i 6 | “l “s c e d s 广“荔 r s 删t _ n 帅r “t 。0 ：r g ，6 d etd 。f 广。建 * 广m 自”- 广4 釜r 一。蚺一广蕊一鼋 凌；垫；l 。曼塑鲤i 。些l 燃l 塑倒。描 图5 - 2 爬坡性能参数设置 5 2 2 动力性能仿真结果 t 抽lo n 硝o m b 哦p g | 咖t 舻s 蝴d e 时 阳t a b ks 牲哪t p r 广 i r 曲a l s o c m 批0p _ 一斜l 悖u c u n e 摊m 6 壮 广0 懈嗣e v 时蚓eh 描 广a c i d l o e r t m 嚣o u n bv t 。广矿 一厂矿 k 口哪 k g 厂一 l g 厂一 t 翻tr e 飘唪 p l 叫畦珂b 赫一s p e 耐f i s 耐u n i t = 舻 洲慨稍| 0 bl 柏m 譬a c c e l 脚1 1 2 椰 协l 枞 舻 c c a l 咖1 1 3 k 可k 旆 v j u 舻o 融簟n l 1 0 t 妒t n ni i 啪 舻m * 删r a t e 鬣：毯。l ：；罂蹬；i2 签壹i ；垒壁! 墼i 坦生翌嘲 图5 - 3 加速性能参数设置 通过图5 - 2 、5 - 3 知，在设置界面里将换挡延迟设置为0 2 s ，电池的s o c 初 始值为0 8 ，同时选择o - 4 0 k m h 、4 0 - 6 0k m h 、0 5 0k m h 的加速状态来测试其 加速能力。爬坡能力则选择2 0 p m h ( 3 2 2 k m h ) 时的爬坡角度作为参考，得到结果 见图5 4 、5 5 。 4 2 图5 - 4 仿真结果曲线图 f u dc o n s u m p t i o n 艮，1 0 0k m ) 6 a s o l i n ee q u i v a l e n l d i s t a n c ef k m ) o 2 6 8 6 a c c e l e r a t i o nte s l 0 4 0k m h 【s l ：6 9 m a x a c c e l ( n v s 2 i ：2 2 4 0 6 0k m h 【s l ? ? d i s t a n c ei nlo s 【m 1 ：8 3 5 0 5 0 k m h 【s j = ? ? t i m e i n l k m 【s 1 = 7 7 1 m a x s p e e d k m p h i ：4 9 2 g r a d e a b i l i t va t3 2 2m 12 6 幺 图5 - 5 仿真数据结果 由图5 5 可以看到，在选择的循环工况内汽车的最高车速、爬坡能力都没有 达到设计要求( 设计要求最高车速为6 0 k m h ，最大爬坡度为1 8 ) ，测试最大车 速只有4 9 k m h ，所以4 0 - 6 0k m h 、0 - 5 0k m h 加速性能同样得不到满足。 4 3 武汉理工大学硕士学位论文 整理以上两图数据得到分析结果见表5 1 。 表5 1 仿真结果 最高车速车速为3 2 2 k m h 的爬坡度 加速性能 4 9 2 k m h1 2 6 0 4 0 k m h4 0 6 0k m h0 5 0k m h 6 9 s 无无 消耗燃料和排放废气行驶8 6k m 的行驶l k m 所需时间最大加速度 等价汽油量 0 2 6 7 7 1 s 2 2 m s 2 5 2 3 系统能量消耗状况 由图5 - 6 可以得到，电池效率为0 8 6 ，电机效率为0 6 8 ，变速器和主减速 器的效率分别为0 8 3 和1 ，这说明能量的损失主要在电机，从下图中我们也可 以看到在电机转化能量的过程中损失的能量占总体能量损失的大部分。 e 哪u 嘲e t 拙m 陇l i e nm o 雌 i no u tlossaneu, f u e l 0 f u e lc 啊嘲一 c l u t c h 眦i e n l e ec a 肭 6 m e f e l m l m q u ec o l 曲 e _ 孵s l m 笋 啊嘲2 8 30 9 6 e 嘣孵甜州 甜日 1 11 幅船畦万 h a m f _ , e n a e l e 5 5 3 2 竹孤1 7 射覆秘 2 91 sl7 g e e c m3 7 阳射蔫斟n 2 7 92 7 9 o 1 f “d h3 1 篱 31饕0， 嘲 9 9 0 9n w h e e i l u d e钔篱硼盈n 鸵 1 1 0 b 畦岫 l i 蛐晒0瞄0 嘲 5 7 2 r 蠢_ 1 3 为 伽叠s 娜啉娲c i e r 斜 0 2 9 4 屯懈d 帆螂幽嘟q i o 出l d e d 样 b m + l 删吲i e # s 1 0 i a 删 御“删i 上叫 h 附l h 嘲i t m r u f 武汉理工大学硕士学位论文 移“ 4 ”、7 ”? ”“”e n e r g y u s a g e ( p o w e i m o d e ) ( k j ) 。j t o r q u ec o u p l i n g g e n e r a t or h y d t o r q u ec o n v e r l e r c l l l i c h 。f u e ic o n v e r t e r ；m o t o r c o n t r o l l er ； r o l lz r - j a u xl o a j b r a k m ! j g e a r b o 。 ： a e r + w h e e l a j i e n e r g ys t o r a g e i f i n a i d r i v e 凌。 it o r q u ec o u p l i n g h y d t o r q u ec o n v e r t e r m o t o r c o n t r o l l e r w h e e v a x l e f i n 甜0 r i v e 魏j 。01 0 0 。2 0 0 3 0 0 ，。4 0 0 。5 0 0 ，6 0 0 。7 0 0 8 0 0 图5 7 能量消耗组成图 5 3 动力系统主要组件的仿真结果 5 3 1 电机仿真结果 仿真得到电机转矩转速特性曲线见图5 8 ，可以看到最大转矩大约为5 5 n i t ， 最大转速为3 5 0 0 r m i n ，这与我们选择的电机参数一致，图中粗实线内的区域表 示电机的实际工作点。电机的效率大约为o 8 3 ，与所选择的电机也大体一致。 在电机的输出转速转矩图5 - 9 中，可以看到电机驱动车轮时输出转矩为正值，而 在制动时电机转速为负值，这说明在进行能量回收，有利于汽车续驶里程的增加， 电机的输出转速和我们选择的循环工况相适应，这说明在我们选择的传动系参数 的前提下，电机能够准确快速的根据循环工况的输入信号做出相应来改变转速和 转矩以适应道路状况，对比电机的转速和转矩曲线与可以看出在转矩峰值处对应 转速的低谷处，而转速的峰值处对应转矩的低谷处，即转速转矩成反比关系，这 4 5 曲 叼 呻 驰 ：薹 黼 。 哳 酐 蚀 也说明了实验结果的正确性。 ， 善 重 氦 图5 8 电机的特性曲线和工作效率 图