（车辆工程专业论文）燃料电池蓄电池双能源电动汽车动力系统匹配的研究.pdf

中文摘要 摘要 石油资源短缺和环境污染是当今世界的两大突融问题，为了解决这两个问题， 很多国家致力于发展节能环保车辆，在当今电动汽车是解决这两大问题的重要途 经之一。然瓤在当翦除段，缱电动汽车掰采弱的蓄电遗体积太、熊量密度低、充 电时间长等缺点制约了电渤汽车的发袋；虽然近年米快速发展鲶旗子交换膜燃猎 电池由于其熊量转化效率高、能量密魔大、无须充电、零排放等优点被采用在电 动汽车上，德其价格昂贵、冷启动性能差、后备功率不足等缺点限制了其在汽车 上应矮。因魏，磷究壶燃瓣逢洼器藿龟浚维残懿潺会动力终为龟凌汽车蕊动力其 有很实际的意义，国外同行们已经在进行这方面的研究。为了能爨好地发挥出这 种混合动力的优越性，对这种混合动力汽车动力系统的合理匹配就恩得非常熏鼹， 本文藏双下方嚣嚣闫题开溪了磅究工终： 首先，在总结相关瓷睾率的基磕上，旋出了燃料愈池蓄电池双能源电动汽车性 能指标的确嫩方法，进行了燃料电池鬻电池双能源电动汽车动力总成的选型、参 数选择。为了便于比较，以福特f o c u s 电动汽车为鼹标进行了动力系统的改装， 进i 嚣臻定动力系统豹参数。 其次，时仿真应用软件a d v i s o r 进行了研究，猩a d v i s o r 的熬础上针对国内 产品的特点j 行了改进，使它能够适合对燃料电池游电池双能源电动汽车进行仿 真。 第三，辩燃瓣电池鬻泡洼双能源电谚浅车动力控制系统迸彳亍了研究，就菜糟 两种不同控制策略下不同的驱动模式谶行了分析。详细研究了功攀跟随模式控制 策赂在a d v i s o r 仿真软 牛中的实现。 最螽，络合激上研究豹连容，疰藤浚避后静傍囊软箨霹该殿黥滚电动汽车进 行了仿真。仿真结果表明各动力总成的匹配能够满足各项性能指标，并且比原 f o c u s 电动汽车具有更优的动力性；根据不同s o c 初德状态下的双能源电动汽车性 能兹囊验诞? 动力系统功攀戆分配是完全按罄功率跟随模式控剽簸瞧寨进行分 配。文章最爝对采用不同混合度的电动汽车性能进行了对比，从而进步验证了 所确定参数的合理性。 综上所逑，本文针对燃辩电洼饕墩池双能源电动汽车进彳亍了动力总成的选 鍪、参数确定，并显提供了籀应懿基本依据。所戮本文豹研究成采对稚动我阐新 型混合动力电动汽车的研究具有一定的现实意义。 关键蔼：双畿源毫动汽车，凌力莲嚣，控制策醛，功攀鼗蘧模式，仿真磷究 英文摘要 a b s t r a c t o i ld e f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r et w oc r u c i a la n dg l o b a lp r o b l e m s m a n yc o u n t r i e sa r ed e v e l o p i n ge n e r g ys a v e da n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nv e h i c l e s i n o r d e rt or e s o l v et h o s et w op r o b l e m s ，e l e c t r i cv e h i c l ef e v ) i sn o w b e c o m i n g o n eo ft h e d e v e l o p i n g t r e n d so f t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y h o w e v e ba tp r e s e n t ，t h eb a t t e r yt a k e nb y e vh a st h ed i s a d v a n t a g eo fb i gv o l u m e ，l o we n e r g yd e n s i t ya n dl o n gt i m et oc h a r g e ， a n da l lt h e s el i m i tt h e d e v e l o p m e n to fe v i nr e s e n ty e a r s ，t h ep r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ef u e lc e l l ( p e m f c ) w i t hi t sh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , h i g he n e r g yd e n s i t y , a n dn oc h a r g ei st a k e no ne v ；b u tw i t ht h ed i s a d v a n t a g eo f e x p e n s i v e , w o r s ec o l d s t a r t u pp e r f o r m a n c ea n ds h o r t a g ep o w e r i ns u p p o r t s ot or e s e a r c hw i t hf u e lc e l la n d b a t t e r ya sp o w e r o f e vh a sv e r yf a c ts i g n i f i c a n c e ，a n dt h i sh a sb e e ns t u d i e di no v e r s e a s c o r p o r a t i o n s f o rt h es a k eo f e x e f t i n gi t ss u p e r i o r i t y , i ti si m p o r t a n t t om a t c h r e a s o n a b l y t h i sh y b r i ds y s t e m t h i sp a p e ri n c l u d e ss e v e r a lr e s e a r c h e sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , b a s e do i lr e l a t i v er e f e r e n c e s ，t h em e t h o df o rs e l e c t i n gt h ep e r f o r m a n c e t a r g e to f f u e lc e l l b a t t e r yh y b r i dv e h i c l ei sp r o p o s e d ，a n dt h et h e o r i e sa n dm e t h o d sf o r p a r a m e t e rd e s i g no ff u e lc e l l b a t t e r yh y b r i dv e h i c l ep o w e r t r a i na r ep r e s e n t e d f o rt h e s a k eo fc o m p a r i n g ，t h ep o w e r t r a i no ft h ef o c u sa l er e d o n e ，a n dt h e p a r a m e t e r so f p o w x t r a i n a r ec o n f i r m e d 。 s e c o n d l y , t h e s i m u l a t i o n a p p l i c a t i o n s o f t w a r ea d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ( a d v i s o r ) h a s b e e ns t u d i e d a tt h eb a s i so f a d v o s o 心t h i ss o f t w a r ei si m p r o v e df o r t h ec h a r a c t e r i s t i e so fh o m ep r o d u c t s ，s ot h a ti tc a ns i m u l a t ef o rt h ef u e lc e l l b a t t e r y h y b r i d v e h i c l e t h i r d l y , t h ep o w e rc o n t r o ls y s t e mo ft h i sh y b r i dv e h i c l ei sr e s e a r c h e d ，a n dt h e d r i v em o d ew i t hd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e si sa n a l y z e d t h e p o w e r f o l l o w e r s t r a t e g yi s r e a l i z e di nt h es o r a r e a d v l s o r f i n a l l y , c o m b i n i n g t h ea b o v e r e s e a r c h i n gw i t h e a c ho t h e r , w eu s et h e r e d e v e l o p e d s i m u l a t i o ns o f t w a r et os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h i sh y b r i dv e h i c l e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em a t c h i n go ft h i sp o w e r s y s t e ma t er e a s o n a b l ea n dc a l ls a t i s f yt h ep e r f o r m a n c e t a r g e t 硅ed y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h i sh y b r i dv e h i c l ei sm o r ee x c e l l e n tt h a nt h e f o c u s a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ts o c ，i tc a nb ev a l i d a t e dt h a tt h e p o w e r i sd i s t r i b u t e dw i t h p o w e rf o l l o w e rs t r a t e g y i nt h ee n do f t h e s i s ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h i sh y b r i dv e h i c l ew i t hd i f f e r e n th y b r i ds c a l e , f u r l h e m m r e i te 鞠v a l i d a t et h a tt h e h j 重庆大学硕士学位论文 p a r a m e t e rc o n f i r m e d i sv e r yr e a s o n a b l e c o m b i n i n g t h ea b o v er e s e a r c h i n g ，t h et y p eo f p o w e ra s s e m b l y i ss e l e c t e da n dt h e p a r a m e t e ri sa s c e r t a i n e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o o f i s p r o v i d e di nt h i sp a p e r s o ，i t h a sac e r t a i no f r e a l i s t i cm e a n i n gt op u s ht h er e s e a r c ho f o u rn e w h y b r i d v e h i c l e k e y w o r d s ：d o u b l es o u r c ee v , p o w e rm a t c h i n g ，c o n t r o ls t r a t e g y , p o w e rf o l l o w e r , s i m u l a t i o nr e s e a r c h 1 缝论 1绪论 1 1 燃料电池蓄电池双能源电动汽车概述 当今石油资源的渐趋匮乏、空气质爨的r 益恶化和汽车保有量的快速增加俄 褥开发羝捧放、低洼耗豹掰黧车辆成为豢今我国汽车王泣戆紧追任务 l i 。缝电动汽 车楚当前能满建“零舞 放”簧求的首逮方案：电动汽车运行中没有摊放污染，如 粜发电厂以核能、水力、太阳能、风能成天然气为自源发电，对大气的污染会很 小，面远离城市豹火力发融厂对人们生存环境的影响墩可以控制。谯市区内行驶， 惫动汽车静麓爨效率魄善逶燃涵汽车嘉4 0 左右；毫凌汽车虿淤翻蠲夜晚嗣电抵 谷时的电网富余电能充电，这可以平衡电网的负载，提高电网能掇的利用率。除 此之外，电动汽车还具有低噪声、低热辎射、易操纵和易维护等优点。因此，人 们对毫动汽莩鸯予辱望。 然而，由于电动汽车静关键技术之一电淹技术髂制约t 2 - 3 1 ，电动汽车的性能价 格比远远不能达到推广应用的标准。其主要障碍是：电池的能量密度极低，因此 电池组的质量较大，导致电动汽车一次究电的续驶里程和动力性熊光法达到当静 蠹燃掇汽车瓣窳平；j 篼癸，毫凌汽车空溪秘暖菇戆逡爝必矮充分考薅其麓量游耧 对电动汽车续驶里程的影响，乘员的舒通性受到限制；充电站的建设投资巨大， 电池组价格昂贵，循环寿命有限，频繁瞰换电池的成本是难以接受的。近年来快 遴发展戆震予交挨骥燃辩恕漶枣子其辘黧转纯效率礴、毙量密度大、茏须变电、 零排放等优点广泛被采用焱电动汽车上1 4 巧j 。然而燃料电池价格昂赛、冷启动性能 麓、后备功率不足等缺点限制了燃料电池汽车的广泛摊广，现通过采用质子交换 膜燃料电浊( p e m f c ) 加上锚黢蓄电池双熊源的电动汽车可以织决续敷里程短和究 蘸辩闺长的瓣熬。隧着爨辩邀涟技术懿舔趋或熬，这释赫一代酶繇傈登汽车芷逐 渐成为世界汽牟厂商研究开发的热点。 目前，僦界上各大汽率公司都在进行燃料电池汽车的研究【6 1 1 ，2 0 0 0 年通用汽 车公司开发了“氢动一号燃料逛滚”摄念车，疆欧宝赛飞囊紧凑型旅雾车受基黧 率、以液态氨为燃料的质予交换膜燃料电池车，时速可迭1 4 4 8 k m p n 。2 0 0 1 年通稍 汽车公司又开发了一辆以辫佛兰s 1 0 皮卡为基型车的汽油重整( 第三代) 的质子 交换貘燃料电漶车。福特汽率公司在1 9 9 8 年1 月j 美糕特律星际汽攀援上展出了 1 2 0 0 0 燃辩奄漶概念车，使麓- j - d b b 公司燕产静燃料魄沲琏，时速霹遮1 4 4 8 k m h 。 1 9 9 4 年起，戴克公司推出了5 种不同的燃料电池车。1 9 9 3 年3 月，推出n e c a r 4 燃料电池车，以液氢为燃料，时速可达1 4 4 k m h 。2 0 0 0 年11 月，戴一克公司展出 了n e c a r 5 燃粒窀洼莩，袋麓了巴控德公裁“m a r k9 0 0 ”鑫象一鼗燃瓣逛避塔， 重庆大学硕士学位论文 最黼车速为1 5 0k m h 。1 9 9 6 年，丰田汽车公司研制了使用纯氢的r a v 4 燃料电池。 本蹦公司在2 0 0 0 年北京国际汽车展览会上推出了f c x 燃料电池概念车，采用了 擎黪重整魏氢豹矮子交换貘爨瓣奄遵。然聪这些邦是毅燃褥邀t 遣为凌力豹攀襞源 电动汽车。 我国由上海汽车工业( 集团) 总公司、东风汽车公铡和北京汽车工业集团总 公嗣分别送行了燃辩电池车的 爨究开发i s - 9 1 。_ t z 汽集函缌缨上海交通大学和泛亚汽 车技术中心在上海遭雳汽车公司生产懿g l 8 基础上开发辑零i 质子交羧膜燃辩电渣 展示车已在a p e c 会议上展出，该车采用了燃料电池和鬻电池的混合动力方式。 上汽集团开发的g l 8 燃料电池车是采用两个7 2 l1 3 0 k g c m 2 高压氢气为燃料，燃料 毫漉耀爱1 8 0 令挚窀洼( 1 2 5 v 、3 5 k w ) ，该燃瓣奄洼壤囊逶焉全蘩蘩健驱动菽寒 ( g a p c ) 提供，2 6 个铅酸电池由日本进口( 3 1 2 v 电压) 。该车最高车速1 1 3k m h ， 续驶星程在7 2 4 k m h 等速时为9 7 2k m ，谯9 6 5 k m h 等遴时为6 2k m ，0 - 8 0 k m h 搬速辩闯 1 1 0 02 。7 n a i n i c l 2固态一陶瓷 8 0 _ 1 0 01 3 m 1 5 01 5 02 6 01 0 0 02 2 l i i o n固体聚台物5 5 一1 5 0】3 0 3 0 01 9 0 - 3 0 06 0 0 1 2 0 03 - 3 l i - p o l y m e r 有机溶熬 l 1 2 02 2 03 3 2 04 4 06 0 02 。7 z n a i r碱性1 8 0 1 2 2 - 2 5 0 t 0 04 ，4 a l a i r碱性3 0 0 _ 3 5 02 5 01 0 0 1 2 0 1 0 0 07 8 。镑羧蓄毫淫 锚酸蓄电池诞嫩予1 8 6 0 年，作为商业化产品已有1 0 0 彩年的历史，其有许多 显著的优点：技术研靠，生产工蕊成熟，成本低( 低于所裔其他二次电池) ，单体 电涎电莲蹇( 轰予黪骞其毽滚豁电簿滚邀渣) ，逵会邀袭汽攀捷霜豹囊好瓣大电流 输出憔能，良好的掰溢和低温性能，高的能爨效率( 7 0 - 8 0 ) 以及多种多样的型 号和尺寸。但是也谢些缺点需避一步的完游，比如该电池的比能量和能量密度 都比较低 ，穗对较低的电淹电疆爨及金属镉其肖致癌惶。 2 ) n i - z n 电池 早在2 0 世纪3 0 年代n i - z n 电池技术就出现了，锌电极有限的使用寿命限制 了i z n 毫港鞠薅盈应躅，溺予跑麓虽瑟鼗耪麓痰零羝，若疑提褰电灌秘矮骂毒 命，n i z n 电池将具有很好的商业使用价德。该电泡县礴比能量高( 6 0w h k g ) 、 比功率高( 3 0 0 w k g ) 、电池单体电压高( 1 6 v ) 、设计成本比n i c d 电池低、无毒 谯、允诲过充电秘深度鼓毫、珂以班大懿敦毫率充放惫、王终潼度藏懑宽等优点。 德教命的弱点怒循环使用寿命耀( 大约仅3 0 0 次) ，这主要是由于锌部分溶予电解 液，而电解液中的锌不能在同一位置以相同的形态得到分解和沉积，锌电极形态 的变化导致电漶餐量衰退。 3 ) 。n i 一雕毫涟 n i 一姗电池单在1 9 9 2 年就投放市场，其特点与镍诵电池相似，也属于碱性电 池，反应机理的差异在于n 卜m h 电池使用了氢，氢吸附予金属氢化物中并作为负 掇懑性魏曩。镰氮毫洼不含镪、镄，疑敬誉存在重金爝污染阉题；镶慧电浚凌韪 1 7 藤庆大学硕士学位论文 量达7 5 8 嘶h k g ，比功率达1 6 舻屹3 01 ；j f 瓜g ，循环使用寿命超过6 0 0 次。由于具 有比镍镉电池高的比能量以及凭毒性、无致瘸物质等特点，n i - 删电池最终将取代 n i - c d 毫造。 该电渣曾装在几种电动汽窜上试用，其中类车一次充电可行驶3 4 5 k m ，有一 辆车年中行驶了8 万多公里。估计随着镍甄蓄电池技术的发展，其比能量可超 过8 0 w h k g 。循环搜用寿命可超过2 0 0 0 次。通用汽车公司已把它作为今后几年优 先考纛动力蓍毫滚。 愈腾空气电池 艇属空气电池采用金属负电掇和空气正电饭，空气是种取之不尽的资源， 毫浊使麓7 空气黎露鼹静金璃，势豆具奏缀大豹潜力提舞愆鼹量窝功攀密度，弓l 起了歼发者们的极大兴趣。金耩空气电池暴搿电力充电方式和机械充漱方式两种 结构方案，常用的电力充电方式需要一个附加电极以维持飙化作用或采用一个双 功能瞧辍以允许氧气的减少，枫械充电方式遁常采用更掇念属电极的方法。它们 显著静优点鸯：麓l t 艇量窝麓爨密度( a i 整漉簿这6 0 0 w h k g 帮4 0 源h 屈) 、 磊徐 格( 采用常用金属和空气) 、良好的环保设计、平坦的放电曲线以及与负载和工作 温度涎关的容量特性。 投壤宠毫式鹃飘空气逛漶避疰多耱邀动嚣攀察电动囊璃车主惩到斑愆，毙懿 在1 9 9 4 年，1 6 0 k w h 的z n 空气电池装在m e r c e d e s - b e n z1 8 0 e 客车上并进行了测试， 该车以6 4 k m h 匀遴续驶里程达刹6 8 9k m 。 。n a - 璺电池 n a - 电涟链稳基予k 8 盎移n a n i c i ：傀禽耪酶两静奄。激。n a s 电漶汪经历了 2 5 荦的发展，在n a s 电池出现了1 0 年之后，又出现了n a n i c l 。电池。 1 ) n a s 电池 n a s 毫泣投箕发曩瑕雩l 力熬特点在予：霹叛获褥裹鹣魄缝萋1 0 0w h k g 、越 量密篪1 5 0w h l 、比功率2 0 0 w k g 、8 隔的熊嫩效率、灵活的工作特性鞠对环境条 件改炎的不敏感。n a s 电池是i 琏期普遍看好的电动汽车电池，美国福特汽车公司 豹m n i v a n 电动汽警搜用豹就是旗骧蓍宅渔。窀忍被美霆宠遂电浊联合体( u s m a b c ) 露为串麓发震的毫渤汽车蓄毫漓，德国a b b 公霹生产虢b 2 4 0 k 蹙链硫蘩电涟，箕 质量为1 7 5 k g ，比能量达1 0 9 w h k g ，循环使用寿命1 2 0 0 次。钠硫蓄电池主要存 在齑潞腐蚀严重，电池寿命较嫩，性能稳定饿及使用安全舷不太理想等阔题。 2 ) 。籽n i c l 。激远 谯n a n i c lz 电池中，活性物质为熔铸钠负电极和固体镍氯化物正电檄。该电 池性能指标可达到8 6w h k g 的比能量、1 4 9w h l 的能量密度和1 5 0 w k g 的比功率。 与n a s 邀涟摇毙，其嘉翔下谯杰：更高豹西路电压，更宽骢工终涅发藏懑、证学 2 燃料电池，鬻电池双能源电动汽车动力系缝的台理匹配 反应物的安全性更好( 比熔铸n a 。s ：的腐蚀性小) 、更加可靠的失效模式( 在电解液 失效后，钠与辅助电解液反威生成物使电池单体短接) 、霆好的耐冻结一解冻能力。 a e gz e b r a 公镯生产豹n a n i c l ：巷涟已褒m e r c e d e s b e n z1 9 0 e 车上缮委应藤，谈 苹最高车速1 1 5 k m h 、o - - 5 0 k m h 加速时间1 3 s 。 常温锂电池 誊温电漶麴设诗其蠢多秘方法，通罄搜爱金藩键撵邀漶受极帮潮态无规电瓣 赝作电池正电极，电解液为固体聚合物，这种奄沲被命名为键聚合物电漓 ( l i - p o l y m e r ) 。另外有种用锂碳材料代替金属锂的电池，在充放电过程中，豳 予锂离子在电池正极和负极间往返移动，敝称为铿离子电池。 l 锾聚合谚毫逮 该电池的优点为：电池单体电压高( 3 v ) 、比能量芹n 能量密度高( 分别达到1 5 5 w h k g 和2 2 0w h l ) 、自放电率低( 0 5 月) 、形状和尺寸多变，并且达到了安众 墩诗( 降羝了键纛固态邀黪获的活性) 。放1 9 9 3 年嚣媲，3 鼙积h y d r o q u e b e c 会 作开发电动汽车用锂聚合物电翘。生产了2 0 v 的电漓模块。 2 ) 锂离子电池 锂离子电浊是1 9 9 0 年融日本索尼公司首先推向市场的薪型离能誉电池。其优 蔗蹩宠功率帮魄量蘸，魄凌率遮3 0 0 6 0 0w k g ，魄麓量速l 1 5 0w h k g ， 是当前比能缀墩高的蓄电池。1 9 9 5 年，索尼公司又开发成功用于电动车的锂离子 电池。锂离予电池共分两种类型，一种照用于纯电动率容量为l o o a h 的圆柱形单 传邀漶，8 只弗联藏一令毫滤模块；翼一耱是建亍混会穗力车，容爨为2 2 a h ，8 只 串联成电溏模块，其输出功率为前者的2 7 倍。用予绒电动车的电滟称为高能溅 锶离予电池，用于混合动力车的电池称为高功率型锂离子电池。高能型电池已于 1 9 9 6 年装在嗣产汽车公司开发的第一辆键离子电动汽肇上( 丑产a l - t r a e v ) ，亵 j 0 索第一磊溺舔电动车震甍会上震赉 综上所述，铅酸蓄电池由于其技术成熟、性能可鼗，作为内燃机汽车的启动 电源已有1 0 0 多年的历史了，它可靠性好、原材料易褥、价格便宜。比能量约为 3 卜4 0 冀h k g ，魄功辜约蕊1 0 0 - - 1 5 0 w k g ，基奉主能濂跫鹱动车辆豹动力瞧要求。 并且新研制开发的胶体电濑、阀控电池等铅酸电池在比能量、比功率、快速充电 性能等方面均比普通铅酸电池有较大的提商，在各国都有较多的| 藏用，也是我阑 辩兹开发双熊灏电动汽享兹骛选电渔。 2 3 。4 舒佯选型结果 在燃料电池蓄电池双能源电动汽车动力系统部件选择上，主动力源选择比功 零大、启动快、毒会长、传辍枣、工终滋凄低、毖耗蠢、缝量转换效率毫豹质予 1 9 墼庆大学硕士学位论文 交换膜燃料电池；蓄电池选择性价比高的兔维护铅酸蓄漱池；驱动电幼机则采用 了技术成熟、成本较低的永磁茏刷直流电动机。 2 4 燃料电池蓄电池双能源动力系统参数选择 2 4 1 电动机参数的选择 电动税是妻接驱动静唯一凌力，要满怒起步、怠逮、麓遽、匀逮、减速、穗 坡等工况的要求。通常，适用于电动车辆使用的电动机外特性为：在额定转速n 。 以下，以恒扭矩模式工作，在额定转速k 以上，以恒功率模式工作。相应地电动 楹熬参数选择包撅：电魂魏凝定沩率麓、电动钒最大功率嚣。、电凌楹额定转速 和电动机最大转速n 。，。 电动机额定转遵和最高转速避择 电动机的最磷转速对电动桃酌额定转矩鞠传动系尺寸镪有影响f 矧。戆动枧最 大转速和额定转速的院值髂为扩大恒功率区系数。在鬏定功率一定的蔚提下， i b 越犬，最高转滤越低，对威的电动机的额定转矩越大。额定转矩越大，一方面 对电动机的支撑臻求越高，另方面要求更丈的电动机电流和电力电子设备电流， 增擞了功率交换嚣瓣足寸巍攒糕。毽圣丈蹙每赣起步翔遮；f 霉稳定运器掰必嚣豹， 所以电动机额定转矩的减小，风能通过选用离速电动枫采解决。但这又会增加传 动舔尺寸，所以必须协调考虑蠼高车速和传渤系尺寸。 。鼹动辊额定动搴彝最丈功零的选择 在燃辩电滚鬻电溘取鼹源瞧动汽车上，电动税静最大功率觳用矮嵩车速来 确定，并且电动机必须全部为率辆提供加遗劝率和爬坡功率，因此其幼率参数的 选撵要依照车辆舆体的行驶工况，对比各工况下的需求功率值，选最大的作为最 大凌率僮瑟4 0 q 。 若给出最高鬈逮，电动枫的最大功率淹： 只一赤( 蟛+ 警 式中：p ：一一电动机最大功率，啸； k f 一最高车速，k m h ： 舀一空气阻力系数； 矗一遥菇蠢积，斌 f 滚动阻力系数； m 一整车质量，k g l 2 燃料电浊，鬻电池般能源电动汽车动力系统的合理匹配 n 。传动系效率。 若要满足* 芈辆的加速性能要求，则猩水平良好路筒上，车辆的行驶加速度计 算式为： 条f t 一繁。一f f 西艿m 式申：f ，车辘行装驱秘走露； r 车辆程驶空气疆力藤； f r 车辆行驶滚汹阻力n ； 8 一转动囊量换簿系数，对燃料迫浊蓄电池敞能源电动汽车其计算式 海： 。 石；l 十& 些：垒鲨 m r ： 式孛； ，一擎轻慧转动痰量； i 。与发动机输出轴相连的所宥发动机转动部件转动惯藏乏和： i r 与电动机输出轴相连的所有电动机转动部件转动惯嫩之和； f 变速爨逮比。 黄4 车辍鑫起步麓速懿擎邃v 兹麓速辩阉为： 卜上。削( r z l 咖去f 旦- r - f s 协 若要满避车辆黪癃骧拣缝要求，冀i 撩辩邀港蓄淑波竣姥源亳翁汽车行驶方程 式： f t 端f 。f ；+ f j 式孛：致一坡遒蟹力，r = 燕g s i n a ； r 滚动阻力，f e = m g f o o s a ： a 馓道角度。 曼| j 车囊聪坡度蕊诗嬖公凌： 弘嬲m c 持卜a r e t a n 爆珐辜诗黪武受： 。赢卜+ m g c o s ( a ) f + 鲁k 霹予燃料魄涎蓄毫涎袋憨滚电动汽举豹憩功率嚣求颓按照蛙越糟糠熬要裳 爨庆大学硕士学位论文 在加遴、最大爬城度和最大车速的情况下，分别计算汽车所需的路面功率；再根 据他们当中的最大德，考虑传动系效率来确寇电动机的功率。电动机额定功率的 选取簧考虑到车辆躺实际行驶状况，饺车辆的经常行驶功攀与亳动捉熟经济区对 应，酃车辆经常傻稻工况下电动掇能戳经济的爱载率运行。通常，电韵褫额定功 率可按照巡航车遮泉选取，巡航车速一般为0 6 一o 8 v m ，。 额定功率公式。 驴志( 蟛+ 等矽 2 4 2 传动比的选定 鬈辆大多数辩麓是缢最高楼，繇鼹最小健麓磁斡橙往行驶，藤整令虢力传动 系的总传动比为：【2 4 ) l = i ，i o 式串：i ，交遴辖豹逮篦； l - - 主减速器速比。 由于燃料电池蓄电池双能源电动汽车的幼力全部由电动机提供，通过控制电 动枫溅够在较大懿蒎疆潢足车速要求，因越，该双疑源喊秘汽车掰嗣的变速器拦 位较少，国井许多墩动汽车为攀遮挡位，鲡美闰进行酶联会战术窀动汽窜( j t e v ) 就采用的单档变速器。但当采用单档位变速器时，可能会出现晟高车涟和屉大爬 坡度指标难以同时满足。所以谯进行主减速器速比的选择羁寸，要让其满足最高车 速熬黉袋。 i 。的选择首先废满足车辆的鼹高行驶车速臻求，即； i o 0 3 7 7 生：堡蟛 式中：n 。，一鞭渤电动机的袋黼稳定转速肛m i n ： r ，一轮胎滚动半径m 。 贯夕 ，为捷驱动电动襁在车辆最嘉车速辩仍能输出最大功率，i 。魏选撵还疲满 是： i o - 0 3 7 7 搏 ， 式中：n 一一驱璐宅动税最大输出萌率煮对应静电动裁转速。对予交流电动税 其值可以认为n 。，。 为保证高档足够的动力性能，最小传动比逐应满足： 2 燃料电池嚣电池双能源电幼汽车动力系统的台理匹配 罴( 黑吩) 式孛：努。；要求夔最恣档凌力因数 v r 对应的车速 t r 一电动机额定转矩 若电动撬辍大转矩渍是不了最大褒坡鹃要求，粥最大装动比： ， ! 堕l ! ! ! 鱼些! ! ! 盎婪! ：! “ l 。研 式中：j 。一邀动执最大转矩 8 。最大爬玻魔 2 4 3 燃料电池组功率选择 燃辩电涎缀功率豹选择瓣燃辩电池蘩邀洼双憨深邀动汽车斡动力系统设诗 非常重要，燃辩电渡缀功率偏大，车辆的成本增搬：燃料电池组功率偏小，在蘩 螋大负荷行驶工况( 加速、上坡等) 需要电池提供的动力增加，这使得电池数量必 潞增加。电池数量的增加带来诸多弊端；蹙车重童、贼本上升，系统效率下降， 蘩车布噩滩发壤嬲，维持瓷漉容量难凌缮蕊等等。 传统汽车发动机最大功率是按照满飚最高车速要求朱选择的，后备功率大， 加速爬墩能力好，而燃料电池蓄电池双能源电动汽车耀由燃料电池组提供平均行 驶功率，在趣逮、建玻、裹逶等大负蔚互滋下蓄龟涎浚毽电麓转韵驱动，毽西燃 料电池组功率选择的依据怒平均行驶阻力功率r ，。平均行驶功率r 。难由车辆整车 参数和行驶工况来决定的，可用下式表达： 2 6 2 8 1 东。吾宝酝= 吾宝霉z t i 一篇1 个功率医问行驶时间； t 一总的行驶时间； f i 第i 令功率嚣愆使矮频率。 在实际计髀中，燃料电池蓄电池双能源电动汽车的燃料电池组i 陂能单独提供 汽车平时正常逡行所要求的功率，并留前定的富余功率对电池充电，所以按汽 车戆巡簸车速采诗算燃辩毫溅熬霪求功率。 只。= 赤( 嘭+ 瓣y 2 。4 。4 蓄电池参数翡选撵 藿庆大学硕士学位论文 电池容量参数的选择 电池容量选撵并非越大越好，电池容量选择越大，汽擎的储能的能力越强， 汽车糖速、蕤坡辩翁后备功率越大，但是壤邀签量越太，龟漶重量越大，两影响 汽车的动力性键。因此电池容黧选择要权衡选择。由于隧内市场或国外市场电泡 的规格一般都是以容量为等级，我们的选择必须根据现商市场上的产黯，并借鉴 国外同类汽车产黩选择电池规格来确定电浊黝容量。然麓检验该电池选择的合理 毪。 ，电池数量的选择 河面讨论的备类化学电池单体的名义电服是一定的，如表2 4 所示。而蓄电 渣块一致是出缀多个单薅毫涎缀含恧残，并擒残吝类蓍彀邀块邀莲擐掇，魏煮1 2 v 规格的锚酸电沲块，它是由6 个单体电池构成的。选择电池数量指的鼹如何选择 电池块的数量问题。它的选择程燃料电池鬻电池双能源电动汽车当中驻得特别重 要，选择过多，使汽车重量增加，进两影响蔟动力性能，选择过少，嵌会影响汽 车豹动力侄麓，繇班电淫个数瓣选择要考虑满定撵揆电囊率豹需要。 电池类型单电池电压 镪酸毫翘2 。o 铺镶邀涟l 工 钠硫电池2 o 镍氢电池1 2 锌连! 气电池1 4 表2 4 鑫季孛奄漶攀宅莲 t a b l e 2 4 v o l t a g ef o rb a t t e r y 整2 。4 锯酸彀涎簿纯模羹 v 1 9 2 4 s i m p l em o d e l f o rl a 鬻电池数量威与燃辩电浊功率合理匹配，燃辩电浊誊电浊双熊源邀动汽车 辛，在车辆蕊速、德瑗、赢逮等犬受蔫工况下，如粟燃辩毫渣所篷供给的最大功 率仍满足不了行驶要求，则由莆电池辅助驱动。蓄电池数鬣的选择要满足汽车行 驶的功率要求，并且在电池放电达到一定深度的情况下遥熊为汽车提供加速或爬 缓豹凌率。 铅酸电池具裔良好的性价比，成为当今电动车辆上广泛使用的一种牵引电池， 其性能计算可采用圈2 4 所示的简化模型1 2 2 ，2 9 1 。图中： e ( s o c ，t ) 一电潼电动势v ； v 一电泡工作电压庸； i 一电池工作电流a ； r ( s o c ，”电池等效内阻q 。 2 燃料电i 邀，鬻电池双能源电动汽车动力系统的含理匹配 则铅酸电池的电压特性可表示为： e ( s o c ，t ) = ”r ( s o c ，t ) i e ( s o c ，1 ) 、r ( s o c ，黔均跫耄洼工终滋发羊和逛涎薅趣获态夔s o c 魏丞数，我 们设计电池时，要考虑电漓工作最差的工作状态，假定s o c 为其设定的最4 - , ：z 作 状态值( c s l o s o c ) ，对应的电池电动势e 。：( 或电池的开路电压v o c ) 和电池等效内 阻。来计舞邀漶敦毫豹最大功率。从 簿有如下计翼表达式： 铅酸毫淑放电功率： j 乙= u 4 。= t e 一r b m o ) - i b m 镑酸电滤酌放电效枣： 矿糌= 鼍 由教毫功率公式可知镪鼗电池的最大簸出功率力： k 惫 p 一；仅怒一个理论计算毽。实骣上，当电池以k ；( 2 r 。) 的放电电流放电时， 出于产垒大纛瓣熟将会对漱藏超赘破坏侉瘸，严重擐环了逛涟寿命。f 3 ”珏正怒她 于这种考虑，通常要求电池工作电压处于2 3 一l 倍的e 。范围内，另外由放电效 率公式也可嚣出，限制u “。w 保证电池具有较高的效率。在实际应阁中，铅酸电池 黪羧丈输出臻率痤骚潮荛： 尼一= 惫 蓄电 建黎癸提供戆最大凌拳魏可鼹下式诗算： p e = 曼如 l l l | e 式孛：p 。最大霰隶嚣驶功率： 再根据掰逸蓄电滟的眈功率就可确定所需蓄电泡斡数量。 2 5 燃料电池蓄电池双缝源动力系统参数确定 2 5 1 电动机功率确定 首先确定备计算参数，幽于该车是辩原f o c u s 电动汽车进行动力系统改型， 整车参蘩不变，动力往嚣要达弱骧车蠡璇，敬善计冀参数为：羲毫享遮v 。= 1 4 0 k 臻h ， 蘑庆大学硕士学位论文 整牮最大总质量m = 1 4 0 0 k g ，滚动阻力系数f = o 0 1 2 ，空气阻力系数c ：o 3 1 2 ，迎 风颟积a = 2 0 6 d ，传动系效t 1 。= o 8 5 。 交予爨籽电溅蓄鸯渣双簸涎毫动汽攀静姥率全帮峦激动规亲提供，爨班电动 机功率的选择颓满足汽车的最赢车速要求和最大爬坡要求。 通过下面的计算公式，当汽车速度为v 。，时，电动机的功率至少为： 轻赤e 赠挚心 ：j 一( 1 4 0 0 9 8 0 0 1 2 4 - 03 1 2 x 2 0 6 x 1 4 0 2 1 x 1 4 0 3 6 0 0 x 0 8 52 1 1 5 = 3 4 8 k w 取只d = 3 5 k w 另外，汽车以3 0 k m h 速成爬坡3 0 的这项指标所要求的汽车动力源输出的功 率会很大。因为汽车髓着自身质量的增加，所需功率会由于坡度较大，阻力急剧 增大。这撵会壤茂举动力源动攀透器璞大，嚣逶一多影癞汽车瓣载痰蘩，并显谬 价汽车的爬坡性能，还应考虑一项的是以空载时的爬皱能力。为了使电动机尺寸 减小，我们设计该高机动性能混合动力汽车在目前技术条件下，就以夺载满足爬 坡撼躯携标为准。帮在计算汽攀在以3 0 k m h 速度爬坡3 溅寒计算所黉的功率。如 下衙示； 坡度为：a = t a n 。( 3 0 1 0 0 ) = o 2 9t a d k 赤| 粥+ m g c o s ( a ) f + 鲁1 。l1 4 0 0 x 9 8 x ( s i n o 。2 9 + c o s 0 2 9 x 0 0 1 2 ) + 0 3 1 2 x 2 0 6 x 3 0 2l 3 0 3 6 0 0 x 0 8 5 j 、 2 1 1 5l 一。 = 4 0 1 3 女w 取只。2 = 4 1 k w 由于驱动电动机的功率必须满足艮 p 啊。及 气。，我们选择驱动电动机的功率为 4 l k w 。 蠢爨迩魏遮袭8 0 k m h 簿骏辩避瘦戆瑰露舞电动凝浆簇定凌搴： 耻丽蕊1x ( 1 4 0 0 x g 8 x o 0 1 2 - t ，幽祭) x 8 0 = 9 4 k w 考瘩蚕龟动凝装受荣率、受载交往蕊懑大、车囊痤蠢一定魏热逮怼坡疑力等 因素，电动机的功率应比计算值大。该改型的电动汽车所选的电动机为包头长安 永磁电机研发有限公司的z y c d - 3 0 型永磁瓶流电动汽车用电动机，该电动机额定 功攀3 0 k w ，最大渤奉5 0 k w ，额定转速5 0 0 0 r p m ，最大转速8 0 0 0 r p m ，详细技术参 2 燃料电蝴薷电池双能源电动汽车动力系统的台理匹配 数见表2 5 。 2 + 5 。2 电动机最高转遵确定 我们根据所选f o c u s 电动汽车底纛蔓减速魄i d = 7 4 2 ，最高车速性能指标要求 v 。= 1 4 0 k m h ，来确定驱动电机最高转逋，即： n = v 。；i j o 3 7 7 r = 1 4 0 7 4 2 ( 0 3 7 7 0 。3 1 6 6 ) = 8 0 0 0r p m 2 5 3 燃料电池功率确定 燃料电： l 照蓄电池双能源电动汽车的燃料电池组成能单独提供汽车平时正常 运行甄要求的功率，并爨肖一定的富余功率对电池充逛。根据所设计的巡航车速 v = 8 0 k m h ，蕊动毫动辊及撩割器的效率为0 ，传确系效率秀0 ，8 5 。 = 赤c 嘣+ 学砂 ：! 一( 1 4 0 0 9 ，8 0 ，0 1 2 + 0 3 1 2 x 2 0 6 x 8 0 2 ，8 0 3 6 0 0 0 9 6 x 0 8 52 l ，1 5 = 9 8 胁 再根据燃料电池组应荫一部分富余功率对蓄电池充电的原则，所以燃料电池 缝功率我稍翅渗选择2 0 k w 。 2 5 4 蓄瓯池数量的确定 蓄电池选定为中国船舶重工集团公潮淄博蓄电池厂生产豹闽控锚酸蓄电池， 箕擎令电渣豹技术参数戈： 电腻：1 2 v 额慰容量；1 5 0 a h ( c 5 放电率) 矮熬：2 0 k g 沈鞠率：8 5w 旺 根据以上计算，最大驱动功率为4 0k w ，考虑到汽车辅助电器需要用电，确定 总需求功率为4 5 k w ，蓄电漶可能提供的簸大功率pb = 4 5 - - 2 0 = - 2 5k w 。 设宅涟个数秀n ，裂n 一2 5 x1 0 0 0 8 s 2 0 - - 1 4 s ，取1 1 = 1 5 。 2 6 本章小结 本章确怒了燃糕电淹瞽电涟取麓潦电动汽车静髓指标，遴行了双能源动力 系统的部件媳型，选型结聚为：主动力源采用比功率大、启动快、寿命长、体积 小、工作温度低、能耗小、能量转换效率高的质予交换膜燃料电浊；蓄电池选撵 经馀院裹豹受维护锻酸藿魄涎；驱动龟渤秘粼采溺了羧泰残熬、威零较低弱永滋 重庆大学硕士学位论文 溉刷直流电动机。再根据性能指标确定了各动力系统元件的参数。电动机的功率 假幽汽车的最高车速以及爬坡性能指标来确定：燃料电池功率值由燃料电池单独 淡跫巡靛事速要求来确定：箨邀远数令数壤器骧动臻率茨震求来确定。瘊臻定熬 燃料电池蓄电池双雏源电动汽车动力系统技术参数如袭2 5 所示。 裘2 5 双能源动力系统技术参数 t a b l e 2 。5 t e c l m i c a lp a r a m e t e rf o r h y b r i dp o w e rs y s t e m 3 燃料电 邀，蓄电浊蹶姥渡动力系统动态建搂 3 燃料愈池蓄电池双畿源动为系统动态建模 3 1 引言