（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车电池能量管理系统及整车控制平台的研究与开发.pdf

渐江走学博士后研究报告 摘要 电池作为电动汽车的主要或辅助能量存储系统，目前仍然是电动 汽车商业化发展的瓶颈。从整车的角度出发，对电池组及其管理系统 有如下基本要求：及时提供或回收整车运行所需的能量；准确显示电 池组剩余电量；工作安全稳定，有较长的使用寿命等。本文主要通过 基于电动汽车整车控制与能量匹配的电池管理系统研发，达到安全高 效地使用电池的目的。研究内容主要包括： 电动汽车整车进行动力学分析 对电动汽车的动力特性、行驶阻力进行计算分析，对电动汽车动 力总成、能源系统的匹配进行系统分析，从而提出电动汽车电池管理 系统和整车控制系统的控制参数匹配要求。 电动汽车车载能源及充放电性能特性分析 对聚合物锂离子动力电池的s o c ( 剩余电荷容量) 预测进行理 论分析。介绍了基于w x 纯电动汽车的电池管理系统的工程设计开 发过程，并对系统的性能测试结果进行分析。 基于c r u i s e 软件的电动汽车整车控制系统的建模与仿真 首先介绍了w x 纯电动汽车的结构与功能，然后以c r u i s e 软件 为仿真平台建立了仿真模型，并重点对控制策略模型进行了分析。最 后定义了车辆的仿真数据，给出了仿真结果，并进行了参数分析。 w x 纯电动汽车动力总成系统的开发与应用 介绍了8 6 3 计划电动汽车重大专项子课题“w x 纯电动汽车动力 总成研发”项目的开发过程和主要研发成果。 i 浙江失学博士后研究报告 最后，在总结本文研究工作的基础上对下一步的研究方向进行了 展望。 关键词：电动汽车，电池管理系统，汽车动力学，整车控制平台 l l 浙江大学博士后研究报告 a b s t r a c t b a t t e r yt e c h n o l o g yi s s t i l lt h eb o t t l en e c kt om a k et h ee l e c t r i c v e h i c l er u nc o m m e r c i a l l y ，w h i c hi st h em a i no ra u x i l i a r ye n e r g y s t o r a g es y s t e m f r o mt h ev i e w p o i n to fd e s i g n i n gt h ew h o l e v e h i c l et h eb a t t e r yp a c ka n di t sm a n a g e m e n ts y s t e mm u s tf u l f i l l t h eb a s i cr e q u i r e m e n t st h a ti tc a np r o v i d eo ra b s o r bt h ee n e r g y t ok e e pt h ev e h i c l er u n n i n g ，d i s p l a yt h es t a t eo fc h a r g eo ft h e b a t t e r ye x a c t l y ，w o r ks a f e l ya n ds t a b l ya n dt h el i f e i sl o n g i n t h i sp a p e rt h ev e h i c l ec o n t r o la n dp o w e rm a t c h i n gt e c h n o l o g y a n di t sa p p l i c a t i o nt ob a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mi ss t u d i e dt o m a k et h eb a t t e r yw o r ks a f e l ya n de f f i c i e n t l y t h em a i nr e s e a r c h i sa sf o l l o w s e l e c t r i c a lv e h i c l ed y n a m i c sa n a l y s i s t h ep a p e rc a l c u l a t e s & a n a l y s e sd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r i c a lv e h i c l e sp o w e rt r a i na n de n e r g ym a t c h a c c o r d i n g l y ， t h ep a p e rc a na d v a n c es e r i e s p a r a m e t e r so fb m s ( b a t t e r y m a n a g e rs y s t e m ) a n dv e h i c l ec o n t r o lp l a t f o r m e n e r g y s o u r c e i n e v & c h a r g e d i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c 西ep o l y m e rl i i o np o w e rb a t t e r i e sa r er e s e a r c ho b j e c t 砀e p a p e r h a sd e e p l yr e s e a r c h e dt h ef o r e c a s tt e c h n o l o g yo fb a t t e r y s s o c ( s t a t eo fc a p a c i t y ) t h ep a p e rh a sa l s od e s c r i b e dt h er & d p r o c e s so fw x e v sb m s ，a n da n a l y z e d t h er e s u l to ft h e p e r f o r m a n c et e s t m o d e l i n g s i m u l a t i o no fv c u b a s e dc r u i s es o f t w a r e t h ep a p e ru s e ss o f t w a r ec r u i s e 宰m a k eu pas i m u l a t i v em o d e lo f i t i 一堂兰叁望堡主生竺查楚生 w x e v ，a n da n a l y s e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fv e h i c l ed y n a m i c s t h ep a p e rd e s i g n st h ed a t ao fs i m u l a t i o no f e v ，a n da n a l y s e st h e r e s u l to fs i m u l a t i o nb ys e v e r a lv a r i a t i o n a lp a r a m e t e g s r & da n d a p p l i c a t i o no f w x e v sp o w e rt r a i n s t h ep a p e rh a si n t r o d u c e dt h ep r o c e s sa n df r u i t so f t h ep r o g r a m 。t h er & d o f p o w e rt r a i no fw x p u r ee l e c t r i c a lv e h i c l e t h i s p r o g r a mi ss u b d i r e c t o r y8 6 3p r o g r a me v e s p e c i a lp r o g r a m a tl a s tt h er e p o r ti ss u m m a r i z e da n d t h ef u t u r ew o r k sa r e a n t i c i p a t e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c a l v e h i c l e , b a t t e r ym a n a g e rs y s t e m ， v e h i c l ed y n a m i c s ，v e h i c l ec o n t r o lp l a t f o r m 浙江大学博士后研究报告 1 1 前言 第一章概述 当前全球面临着能源短缺的危机，并且大气污染也是急待解决 的难题。这两大问题直接威胁着传统交通工具汽车的可持续发 展。而以电动汽车为代表的代用燃料汽车是人类解决这一危机的主要 途径。在此形势下，世界各国的汽车制造商都投入了大量资金开发电 动汽车。进入二十世纪九十年代以来，国际电动汽车的开发已逐步进 入产业化初期阶段。近年来，世界汽车界不断传来纯电动、混合动力、 燃料电池等清洁能源车型研制开发成功的消息，今后将有更多的电动 汽车产品投入批量生产。其中法国有7 0 0 0 辆，日本有1 0 万辆电动汽 车产品投放市场，其它欧美国家生产数量平均在1 0 0 0 辆左右。据美 国能源部预测，从1 9 9 9 年到2 0 0 7 年世界电动汽车的销量将平均每年 增长6 0 ，到2 0 0 7 年的销量将达到1 0 1 万辆。 我国在“八五”、“九五”期间，都连续将电动汽车列为国家重大 科技攻关项目，“十五”期间，更是以产业化为目标，将电动汽车列 为“8 6 3 计划”重大专项。经过近几年的技术攻关，在电动汽车一些 关键技术上取得了阶段性的成果。目前，我国与发达国家在电动汽车 的研制水平相比虽有差距，但较传统内燃汽车而言，差距相对较小。 因此，以发展电动汽车为主攻方向，是我国汽车工业实现跨越式发展， 赶超发达国家汽车工业的机遇。 万向集团自1 9 9 9 年开始启动电动汽车及其关键技术研发项目， 浙江失学博士后研究报告 通过多年的技术攻关，集团在电动汽车动力电池、一体化电机、电控 系统等关键技术领域为进一步推进电动汽车产业化研制打下了较好 的基础。为此，万向集团电动汽车项目也被国家科技部列入了“十五” 8 6 3 电动汽车重大专项计划。但是，就目前集团在电动汽车领域取得 的技术成果而言，距真正意义的投放市场及产业化还有相当的距离。 其中核心的问题是电动汽车动力电池的性能提高和运行安全。为此， 本文就是针对万向电动汽车的运行特点，在电池管理和整车控制策略 j 方面开展研究工作。 1 2 课题来源及国家“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项简介 本课题属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 电动汽车重大 专项的子项目“w x 纯电动汽车动力总成研发”( 课题编号： 2 0 0 3 a a 5 0 1 3 5 0 ) ，由万向电动汽车开发中心承担，计划研制出一种具 有自主知识产权，零排放、续驶里程长，价格低廉的中级家用轿车通 用的纯电动汽车动力总成系统。通过2 轮开发，研制出6 辆原型车； 提供完整匹配测试报告以及批量产品生产规划，实现产业化，来缩小 与国际汽车工业的差距。纯电动轿车的车型平台选择海汽普利马 h m 6 4 3 2 型运动休闲车。该车型为9 0 年代末国际先进水平，具有优 良的性能价格比，比较适合作为城市出租车使用，方便电动轿车的产 业化示范运行的推广。 为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入w t o 后我国汽 车工业的竞争力，2 0 0 1 年9 月，中国科技部在“十五”期间的国家 “8 6 3 ”计划中，特别设立了电动汽车重大专项。专项将从国家汽车 浙江大学博士后研究报告 产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科 技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以官、产、学、 研四位一体的方式，联合进行攻关。计划在“十五”期间，促进我国 符合市场经济发展要求的研发体系、机制和人才队伍的形成，以电动 汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、 系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占新一代 电动汽车制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。 电动汽车重大专项提出“三纵三横”研究开发布局。“三横”是 指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车，“三纵”是指 电池、电机和控制系统的关键零部件。强调建立符合整车开发规律的 严密的整车开发程序，提出以整车开发为主导，关键零部件和相关材 料紧密结合、基础设施协调发展，政策法规、技术标准与评估技术同 步展开的基本方针，作为国内汽车科技项目的一个探索，以保证电动 汽车重大专项产品化和产业化目标的实现。该项目的运作强调创新， 要求各项目组成立科技公司，专门负责开发工作。不仅所参加的各法 人单位要入股，其中的主要研发人员也要入股，形成责任捆绑。目前 该项目的科研资金已经大大超过国家投入的近9 个亿，总共达到25 亿元以上。 1 3 电池管理系统的国内外现状和趋势 1 8 4 0 年意大利科学家伏打( v o l t a ) 研制成的伏打电池是世界上 第一个能够实际应用的电池。在近2 0 0 年的发展中，曾研究过数十 种不同的电池，但是能够成为商品得到广泛应用的仅为- d , 部分。 浙江大学博士后研究报告 1 8 5 9 年法国科学家普兰特( p l a n t e ) 发明的铅酸电池是世界上第一个 可充电电池；1 8 6 8 年法国科学家勒克兰舍( l e c l a n c h e ) 研制成功了 锌锰干电池；1 8 8 9 年至1 9 0 1 年瑞典的扬格纳( j u n g n e r ) 和美国的 爱迪生( e d i s o n ) 先后研制成功了铁镍电池和镉镍电池；在第一次世 界大战期间，中性锌空气电池被研制成功；1 9 4 3 年法国的安德烈 ( a n d r e ) 发明了锌银电池；1 9 4 7 年美国的鲁宾( r u b e n ) 研制成功 了锌汞电池。5 0 年代碱性锌锰电池问世，6 0 年代燃料电池研制成功， 7 0 年代锂电池开发成功，8 0 年代氢镍电池问世，9 0 年代锂离子电 池出现。这些电池的性能和寿命有了长足的进步。电池从研究成功到 规模化生产的周期大大缩短。 电池是电动汽车的心脏。目前各国都在加紧研究各种高能量密 度、高功率密度、长循环寿命、低价格的电池，这些电池还要有良好 的工作温度范围、自放电性、使用安全和无污染等特点。1 9 9 0 年美国 加州汽车零排放法规出台后，促使美国三大汽车公司于1 9 9 1 年1 月成 立先进电池联合会( u s a b c ) 。u s a b c 制定的中长期研究开发先进 电池技术性能指标如表： 表1u s a b c 先进电池技术性能目标 主要参数中期指标( 2 0 0 0 年)市场指标 长期指标( 2 0 1 0 年) 质量能量密度( w h k g ) 8 0 - 1 0 01 5 02 0 0 质量功率密度( w k g ) 15 0 - 2 0 03 0 04 0 0 体积能量密度( w h l ) 13 52 3 0 3 0 0 体积功率密度( w l ) 2 5 0 3 0 06 0 0 8 0 d o d 5 6 0 0 l o 1 0 0 01 0 1 0 0 0 循环寿命( 年次) 工作环境温度( 度)一3 0 6 5 4 0 6 5 价格( 美元k w h ) ( = 1 5 0( = 1 5 0 动力电池正负电极极片生产及相关性能评价的企业标准的 建立。 高电压电池体系优化设计及电池热管理与应用可靠性研究。 电池组及管理系统相关标准及其评估体系的建立。 电池组体系轻量化与综合低成本化研究。 ( 2 ) 从使用的角度，优化电池管理，提高现有电池的潜能 电动汽车上使用的电池都是成组的电池。以往充电机和电池诊断装置 只对电池组总电压进行监测，这种方法忽略了单电池的性能差异，以 及温度对个别电池过充电、过放电的影响，导致整个电池组容量的下 降甚至损坏。根据电池特性，对电池组实施有效的管理对于确保电动 汽车的安全、保持电池组性能，延长电池组寿命、提高电池使用效率 具有重要意义。 国际电工学会( i e c ) 在1 9 9 5 年制定的电池管理系统标准中给出 了电池管理系统应有的功能： 剩余电量( s o c ) 的显示： 浙江大学博士后研究报告 提供电池温度信息； 电池温度高温报警； 电解液状态( 电解液浓度) 的显示； 不健康电池早期预报； 提供电池老化信息； 电池关键数据记录。 随着电动汽车技术发展，电池管理系统的功能也在不断丰富，在 文献 1 8 】中介绍的电池管理系统功能有： 数据采集 均衡充电 s o c 计算与显示 热管理 安全管理 能量管理 辅助电池管理 在工程实践中，从整车的角度出发，对电池组有如下基本要求： 充分发挥电池组能力，及时提供或回收整车运行所需的能量；准确显 示电池组剩余电量；工作安全稳定，有较长的使用寿命。 1 4 电动汽车电控系统的特点 电动汽车电控系统的开发是电动汽车研究领域的重点技术攻关 项目。汽车电子技术的快速发展，使得整合汽车各个系统的电子控制 单元成为汽车工程领域亟待解决的重大课题。上世纪9 0 年代兴起的 6 浙江大学博士后研究报告 电动汽车研发为实现电控系统的整体布局提供了一个非常好的研发、 试验平台。 电控系统由各功能部件电子控制单元( 如整车控制e c u 、安全 控制e c u 、电池管理e c u 、电机驱动e c u 、智能仪表e c u 等电子 控制单元) 、数字通讯网络以及相应的控制策略组成。电控系统是电 动汽车最高层次的管理与控制层，它综合加速踏板、制动踏板、车载 能源、驱动电机等各零部件的状态信息，决策出当前应采取的控制策 略；对车辆运行过程中的故障进行预警预报；在车辆减速和制动时， 通过控制指令使整个动力、储能系统工作在能量回馈状态。 电控系统的另一个突出功能就是实现对整车的电气绝缘检测、高 压保护、数字仪表显示以及故障诊断。电动汽车不同于传统内燃机汽 车的主要特征就是车上多了高压线路及大功率电气装备。由此带来的 整车安全、故障模式的变化需要在电控系统的控制策略中考虑针对性 的逻辑判断及安全保护策略，以保护整车电器与电路的电气安全，从 而保证驾驶员、乘员以及车辆本身的安全。通过整体设计车辆电控系 统，可以实现c a n 通讯方式的整车数字化信息传递与处理，这样就 能大大地方便对整车运行状态的监控和故障诊断。 电动汽车电控系统的研发是近年来汽车电子领域先进技术和思 路的集成应用。电动汽车的电控系统不同于传统汽车中分散在各个部 件的电控单元，而是一个通过数字通讯网络组织的有机整体。 德国博世公司在2 0 世纪7 0 年代首先提出整车电控系统的概念， 并推出了c a n 通讯总线的协议标准，试图实现各个电子控制单元 浙江夫学博士后研究报告 ( e c u ) 的数字通讯以利用信息科学领域的先进技术全面提升系统性 能，同时还可以充分享用计算机微电子科学领域的成果，通过采用高 性能的专用处理器集中处理整车及关键部件的各种信息，以节约成 本、提高控制单元的可靠性。但是，出于市场和技术竞争及各种利益 冲突的原因，全球几大汽车电子领域的企业难以达成共识，整合汽车 电子控制单元的计划因此搁浅。 电动汽车的研发热潮使得汽车电子领域的专业技术人员有了实 现新一代集成电控系统的平台。因而在2 0 世纪9 0 年代，各大汽车电 子企业纷纷推出了适合于电动汽车用的电控系统。通用汽车在e v - i 纯电动汽车上采用了基于c a n 总线通讯技术的整车控制系统、电气 安全控制系统、电池管理系统，甚至在车身电器方面也通过总线与电 控系统进行信息传送，在数字仪表上显示车辆电气状态。丰田公司在 电动汽车电控系统的研发领域处于世界前列，1 9 9 5 年推出的r a v 4 e v 纯电动汽车装备了完善的集成电控系统，电池管理、电机驱动、安全 检测与控制、整车管理以及车载充电等关键系统都集成在一个控制包 中，共享信息资源，集中冷却。随后的近年内，丰田公司在p r u i s e 混 和动力电动汽车上大量采用集成电控系统，加强了对电动汽车有限能 量的优化利用，在2 0 0 3 年底推向市场的第三代p r u i s e 车上，电控系 统集成在一个控制板上，采用的高性能控制芯片不仅可以完成整车的 驱动控制，而且能够实现整车电气电力部件的数字化管理，充分利用 了现代控制技术和微电子芯片技术领域的成果。 在欧洲，电动汽车电控系统的开发集中在电传动、车载通讯以及 浙江走学博士后研究报告 车身网络拓扑结构分析等领域。在电传动领域，总部设在荷兰的t n o 组织下属汽车电子研究机构在盘式电机控制系统以及a t 控制系统等 方面的研究取得了显著成果，该组织正在我国寻求合作伙伴以实现电 动汽车传动控制技术的产业化。瑞典汽车电子硅谷的产业群在电动汽 车电控系统方面的研发取得了丰硕的成果，车载通讯、主动安全控制、 线控技术等都已经形成了产品。法国在电动汽车方面的研究开展的较 早，但是局限在纯电动汽车领域，在电控系统领域的研究主要集中在 对电机、电池的控制方面。在电控单元的整合方面，现代控制技术和 高性能芯片采用较少。 我国在电动汽车电控系统的研发开始于“十五8 6 3 计划”电动汽 车重大专项。在重大专项的“三纵三横”研究课题布局中，电池、电 机、电控作为“三横”项目组织技术攻关，其中电控系统涵盖了多能 源总成控制、整车控制平台、c a n 通讯网络、高压电安全控制、车 载通讯等内容。经过近三年的技术攻关，我国在多能源总成控制、 c a n 通讯网络、电气安全控制等领域取得了长足的进步，功能性样 件已经开发成功，而且在国内形成了官、产、学、研联合攻关的组织 体系。由清华大学研制的整车控制系统、多能源控制系统等电控单元 经过了连续1 5 0 小时的台架试验考核，各项性能指标满足车辆运行要 求。上海交通大学研制的高压电安全控制系统基于严格的汽车安全检 测规范进行设计，能够有效保障车辆及乘员的电气安全。国内其它开 展电控系统研究的单位，如天津清源公司、株洲电力机车研究所、武 汉理工大学、东风电动车辆公司、同济大学、上汽研究院等在电控系 浙江大学博士后研究报告 的研究方面都比较有特色，功能性样件有的已经开始装车试验。 总的来讲，我国在电控系统的研究方面起点较高，技术路线和研 发目标基本上与国外先进技术同步，但是由于我国在汽车电子领域的 技术积累和开发经验上与国外有较大差距，因而从功能样件向性能样 件的过渡阶段存在较多的问题，如电磁兼容、通讯网络布局、电控单 元整合、产品可靠性以及成本控制等技术经济指标方面都存在或多或 少的缺陷，难以形成拥有自主知识产权的产品。 随着我国汽车工业的迅猛发展，占据汽车产业高份额利润的汽车 电子产品的研究开发日益得到政府、企业和研究机构的重视。目前国 内对电动汽车电控系统的研发大都结合汽车电子的研发进行，新一代 集成汽车电控系统的开发思路在电动汽车电控系统的研发过程中得 到了充分的重视，并体现在电控系统整车控制功能设置与控制网络设 计之中。 i 5 本文工作简介 第一章对国内外电动汽车电控系统和电池管理系统分析与总 结。比较了当前国内外流行的电动汽车电控系统设计思路和技术特 点，总结电动汽车电池管理系统和电控系统的发展趋势。 第二章对电动汽车整车进行动力学分析，对电动汽车的动力特 性、行驶阻力进行计算分析，对电动汽车动力总成、能源系统的匹配 进行系统分析，从而提出电动汽车电池管理系统和整车控制系统的控 制参数匹配要求。 第三章对电动汽车车载能源及充放电性能特性进行分析，对聚 1 0 浙江大学博士后研究报告 合物锂离子动力电池的s o c ( 剩余电荷容量) 预测进行理论分析。 介绍了基于w x 纯电动汽车的电池管理系统的工程设计开发过程， 并对系统的性能测试结果进行分析。 第四章基于c r u i s e 软件的电动汽车整车控制系统的建模与仿 真。首先介绍了w x 纯电动汽车的结构与功能，然后以c r u i s e 软件 为仿真平台建立了仿真模型，并重点对控制策略模型进行了分析。最 后定义了车辆的仿真数据，给出了仿真结果，并进行了参数分析。 第五章w x 纯电动汽车动力总成系统的开发与应用。介绍了8 6 3 计划电动汽车重大专项子课题“w x 纯电动汽车动力总成研发”项目 的开发过程和主要研发成果，并对各子系统的性能测试结果进行分 析。 第六章对全文的工作进行了总结，提出了今后的工作方向。 1 6 本章小结 本章首先介绍了本文课题的来源，对国内外电动汽车的现状和发 展趋势进行了分析，并对电动汽车电池管理系统和电控系统的技术现 状和发展前景进行了阐述。在此基础上，本章对本文所做的工作进行 了介绍。由于本文所做的工作是8 6 3 计划电动汽车重大专项的组成部 分，因此本文对8 6 3 计划重大专项子课题“w x 纯电动汽车动力总成 研发”也进行了必要的阐述。 浙江大擎博士后研究报告 第二章电动汽车动力学分析 2 1 电动汽车驱动力与行驶阻力 2 1 1 驱动力 电动汽车的电动机输出轴输出转矩m ，经过减速齿轮传动，传到 驱动轴上的转矩m t ，使驱动轮与地面之间产生相互作用，车轮与地 面作用一圆周力f o ，同时，地面对驱动轮产生反作用力e 。f 与磊大 小相等方向相反，e 方向与驱动轮前进方向一致，是推动汽车前进的 外力，定义为电动汽车的驱动力。有： m = m i g i o t l f ：丝：m i g i o q ， ( 2 1 ) 式中：e 一驱动力( n ) ； 材电动机输出转矩( n m ) ； 0 一减速器或者变速器传动比； o 一主减速器传动比； 叩一电动汽车机械传动效率； ，驱动轮半径( 掰) 。 电动汽车机械传动装置指与电动机输出轴有运动学联系的减速 齿轮传动箱或者变速器、传动轴以及主减速器等机械装置。机械传动 链中的功率损失有：齿轮啮合处的摩擦损失、轴承中的摩擦损失、旋 转零件与密封装置之间的摩擦损失以及搅动润滑油的损失等。影响因 浙江大学博士后研究报告 素复杂，单独计算每个损失比较困难。现代机械传动装置生产技术水 平比较高，传动装置中的损失较小，为了简化计算，将各项损失合并 到啮合损失内。对于一般机械传动装置效率可以按下式计算： r 2j 7 斌 ( 2 2 ) 式中：叩，一圆柱齿轮对的效率，叩，= 0 9 7 0 9 8 ； 仉一圆锥齿轮对，仇= o 9 6 o 9 7 ； h 一传递转矩时处于啮合状态的圆柱齿轮对数； 肌一传递转矩时处于啮合状态的圆锥齿轮对数。 对于采用行星轮系或行星排的机械传动效率，计算方法更为复 杂。对于单排行星减速器的效率值一般取0 9 7 - - 一0 9 8 。万向传动轴的 效率取o 9 8 。 2 1 2 电动机的转矩特性 电动汽车在各种行驶工矿下行驶时，所需的转矩和功率是行驶速 度的函数，取决于不同车速行驶时所遇到的行驶阻力。电动机的转矩 一转速特性必须满足汽车的这种需要。假设电动机在不同转速时的功 率保持不变，则： 昂= 蒜 ( 2 3 ) 式中：n 一原动机转速( r m i n ) ； m 一原动机转矩( n m ) ； 一原动机的输出功率( k w ) 。 在电动机的工作转速范围内，转矩与转速成反比，转速低时转矩 浙江大学博士后研究报告 大，转速高时转矩小。这种特性比较接近汽车的行驶工况。在本项目 开发过程中，提出纯电动轿车用的5 0 k w 交流异步电动机的转矩特性 要求如图2 1 所示。 o3 6 0 0 n ( r m i n 。) 图2 1 电动汽车交流异步电机转矩特性曲线要求 这些特性图上有三条曲线，即连续工作区、短时工作区和启动工 作区( 瞬时功率) 。启动功率和短时功率均大于连续功率。由于电动 机发热，启动功率与短时功率使用时间受到限制。 2 1 3 行驶阻力 电动汽车在坡道上上坡加速行驶时，作用于电动汽车上的阻力与 驱动力保持平衡，建立如下的汽车行驶方程式： e2 + 凡十c + 一 ( 2 4 ) 式中：f 一电动汽车驱动力： 一电动汽车行驶时的滚动阻力： 浙江大学博士后研究报告 l 一电动汽车行驶时的空气阻力； e 电动汽车行驶时的坡道阻力； 乃一电动汽车行驶时的加速阻力； ( 1 ) 滚动阻力0 电动汽车在硬路面上行驶，由于橡胶轮胎的弹性迟滞形成的能量 损失，相当于汽车车轮在前进方向上遇到的一个阻力消耗了汽车的能 量。将这个阻力定义为汽车行驶的滚动阻力，通常它与车轮上的法 向载荷成正比。即 2 f g c o s a ( 2 5 ) 式中：g 一汽车的总重力( n ) ； 口一汽车在坡道上行驶时道路的坡度角； 厂一滚动阻力系数。 滚动阻力系数厂数值由试验确定，影响滚动阻力系数的因素很复 杂。通常滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速和轮胎的材料、构造、 气压等因素有关。为了降低滚动阻力系数，可以采用低弹性迟滞橡胶、 薄胎面、高压子午线轮胎。美国通用汽车公司生产的“冲击”牌电动 轿车的轮胎的滚动阻力系数降到0 0 0 4 8 ，达到了目前最高的技术水 平。 在进行汽车动力性分析时，在良好的硬轮面上滚动阻力系数取值 范围为：当v 5 0k m h 时，可按下式进 行计算： ，2o 0 1 6 5 【l + o o f ( v - 5 0 ) 】 ( 2 6 ) 浙江大学博士后研究报告 根据试验，在良好的水平硬路面上，厂取0 0 1 0 0 2 。 ( 2 ) 空气阻力瓦 根据空气动力学原理，汽车在行驶过程中由于空气动力的作用， 在汽车行驶方向上作用在汽车上的分力称为空气阻力。空气阻力通常 与气流相对速度的动压力成正比。空气阻力可以表示为： e = 籍 ( 2 7 ) 式中：c 。一空气阻力系数； 屹汽车行驶速度( k m h ) ； 4 一迎风面积，汽车行驶方向上的投影面积。 降低空气阻力的主要途径是降低c d 值。空气阻力系数g 值与汽 车表面的结果形状有关，由风洞试验确定。对于通常的轿车c o = o 3 0 4 6 ，货车c o ：o 6 o 7 ，大客车c o = 0 6 o 7 。近年来，在降低汽车 空气阻力系数方面的研究成果取得很大的进展。如美国通用公司“冲 击”牌电动轿车的空气阻力系数c d = o 1 9 。 迎风面积爿由下式估算： a = b - h ( 2 8 ) 式中：b 一汽车前轴轮距( 胁) ； 日一汽车的最大高度( 历) 。 ( 3 ) 坡道阻力e 汽车上坡行驶时，除必须克服滚动阻力与空气阻力外，还必须克 服坡道阻力f 。由于汽车的重力沿上坡路面的分力g s i n 口阻止汽车前 进，此力成为坡道阻力c 。有： 浙江大学博士后研究报告 e2 g s i n a ( 2 9 ) 式中：g 一汽车总重力( n ) ： 口一道路的坡度角。 道路的坡度角除了以角度表示外，道路工程上常以坡度表示，将 坡度角的正切定义为坡度。即： f ：t 觚口：皇 一般的路面上坡角度很小，可以近似地认为： e 。g s i n t z 。g i ( 2 1 0 ) ( 4 ) 加速阻力弓 设有两个物体其质量均等于m ，其中一个物体在运动时有一部分 质量可以旋转，并与该物体有一定的运动学联系；另一个物体没有旋 转质量。若以相同的力作用时，两个物体所得到的加速度是不相等的， 前者的加速度小于后者。这是因为物体所受力作用而做加速运动时， 有旋转质量的那一部分除随该物体作平移加速度外，并将产生旋转加 速度。因此，旋转质量加速旋转而形成附加惯性负荷，表现为对该物 体整体的阻力。可以设想为有旋转质量的物体，其质量比无旋转质量 的物体增加了5 倍，占称为质量增加系数，或者质量换算系数，用牛 顿第二定律表示为： f = 6 m 口 电动汽车作加速行驶的加速阻力，利用相同的原理可以表示为： 。8 g d v ，= 一一 gd t ( 2 1 1 ) 电动汽车的质量换算系数可进一步作理论分析计算，通常由试验 浙江大学博士后研究报告 确定。对于电动汽车还缺乏实验数据和近似的计算方法，可参考内燃 机汽车的质量换算系数的计算方法。由于电动汽车没有笨重的内燃机 和飞轮，电动汽车的质量换算系数会相对小一些。 2 2 电动汽车行驶的驱动力与行驶阻力平衡 电动汽车的动力行评价指标按照常规汽车的动力性的评价指标 有三种，即汽车的最高车速、最大加速能力和最大爬坡度。 汽车的最高车速是指汽车在无风的条件下，在水平良好硬路面上 所能到达的最高车速；汽车的加速能力用汽车原地起步的加速能力和 超车加速能力来表示，通常采用汽车加速过程中所经过的加速时间和 加速距离作为评价汽车加速性的指标；汽车的爬坡能力是指汽车在良 好道路上以最低行驶车速上坡行驶的最大坡度。 汽车在行驶过程中，汽车的驱动力和行驶阻力始终保持平衡。这 种平衡关系由汽车行驶方程式( 2 4 ) 表示。 汽车在水平路面等速行驶时，由式( 2 4 ) 得： c2 ，+ 凡 ( 2 1 2 ) 即驱动力曲线与+ 只曲线的交点对应的车速即为电动汽车的 最高车速。特别要注意，这个交点是在电动机的连续工作区，还是在 短时工作区或瞬时工作区。因为电动汽车的最高车速只有在电动机的 连续工作区才有意义。 兮 l 2 f f f w 将( 2 4 ) 式改写成： f 。+ f i = f | 一f 舡 l r 浙江失学博士后研究报告 汽车在坡道上以速度矿等速行驶，2 0 ，则 f t f ” l = o g ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 求出电动汽车以速度v 等速爬坡行驶的坡度i 。当车 速v2 时，此时即可求出电动汽车的最大爬坡度一x 。 当汽车在水平良好硬路面上加速行驶时，e 。o 则得： f i = f t f 和 警= 嘉( c 一叫 ( 2 1 4 ) 2 3 电动汽车的功率平衡 2 3 1 电动机输出功率与阻力功率 由汽车行驶方程式( 2 4 ) ，可知： f t = f f 七f 。七f t + f i 以电动汽车行驶速度乘以上式两端，考虑机械损失，再经过单 位换算之后可得 巴：! ( g f 。o s a v , + ( 7 s i l l 口v a + ! 趔+ 旦坐 ” 叩3 6 0 0 3 6 0 07 6 1 4 0 3 6 0 0 9 d t ( 2 1 5 ) 或p 2 言弓+ 只+ 只+ 弓 ( 2 1 6 ) 式中：匕一电动机输出功率( k w ) i g 一车重( n ) ； 圪一车速( k m h ) ； ，7 一电动汽车电动机输出轴至驱动轮之机械传动装置的总效率； 浙江大学博士后研究报告 d v d t 一电动汽车的行驶加速度( m s 2 ) 。 电动机的输出功率换算到驱动轮上的输出功率，应该考虑传递过 程中的机械损失，即： e2 概 ( 2 1 7 ) 克服电动汽车行驶滚动阻力所消耗的功率为： 哆= 、g f c o 矿s , z 圪= 翥 克服空气阻力所消耗的功率为： 兄= 篙 克服坡度阻力所消耗的功率为： ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) p ：g s i n c t v o 盟 3 6 0 03 6 0 0 ( 2 2 0 ) 克服加速阻力所消耗的功率为： 只：鱼生一d g 3 6 0 0 9 d t ( 2 2 1 ) 2 3 2 电动汽车的功率平衡 电动汽车在行驶时，电动机传递到驱动轮的输出功率与体现在驱 动轮上的阻力功率始终保持平衡。有： 匕= 昙( 哆+ r + 只+ 弓) 只+ 。刮匕一号( p ，化) 】 ( 2 2 2 ) 在良好的路面上加速行驶的坡度i = 0 ，由式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 7 ) 浙江大学博士后研究报告 得： e 2 吁【气一号( 弓+ 名) 】 ( 2 2 3 ) 车速为屹时的加速度为： 警2 哿盼号( 弓堋】 ( 2 2 4 ) 汽车等速上坡行驶时，加速度d r a t = 0 则 只一帆一寺( p ，+ 驯 车速为v o 时的爬坡度为： f 。等卧；1 ( p ，删 ( 2 2 5 ) 2 4 电动汽车总体设计与系统匹配分析 电动汽车在行驶过程中，所需的阻力功率随时都在变化，电动机 的输出功率也将随阻力功率的变化而变化。电动汽车主电路中传递的 电功率也是在不断变化。通常，电动汽车在运行过程中，主电路中的 电流变化较大，主电路电流的大小不仅影响系统的散热与正常工作， 而且直接影响蓄电池放电性能与使用寿命，同时影响一次充电后的续 驶里程。在下述分析中假定蓄电池的端电压以及逆变器的输出电压保 持不变。 2 4 1 主电路传递的功率 电动汽车上的电路较为复杂，有供电照明与仪表的电路，有提供 取暖通风、散热和制冷的电路，有给制动装置和转向装置提供动力的 浙江大学博士后研究报告 电路，还有其它电子设备的电路等。当采用交流感应电机时，电动汽 车的主电路是指给电动汽车行驶提供所需能量的电路，即动力蓄电池 组到控制器和逆变器之间的直流电路，以及逆变器与交流感应电动机 之间的交流电路，将这两条电路称为电动汽车主电路，如图2 2 所示。 j i b ? i u m i l ： 电动机， 厂1 逆变器 一l - - 图2 2 电动汽车的主电路 由图可知 p b = p i m 式中：岛一动力蓄电池组的输出功率； 一逆变器的输入功率 p 8 = u8 i8 ( 2 。2 6 ) 式中：一动力蓄电池组串连时的端电压( 矿) ； 厶一动力蓄电池组串连时的输出电路的电流( a ) 。 由于蓄电池存在内阻，接通电路后，端电压将有所下降，此处忽 略不计，假设逆变器的效率为叩一，电动机的效率为叩“，则： p i 2r i v p t t p 【= p 1 只m2r l t v p n ( 2 2 7 ) 式中：p ，m 一逆变器的输出功率； 浙江大学博士后研究报告 一电动机的输入功率。 对于三相交流感应电动机，有： p 2 3 u m l h fc o s # ( 2 。2 8 、 式中：u 埘一逆变器输出端的线电压( 矿) ； 一逆变器输出端的线电流( ，) ； c o s 妒一异步电动机的功率因数。 另外 p = r i v p 8 易2 ( 2 2 9 ) 2 4 2 主电路的负载电流 电动汽车在行驶过程中的各种工况下消耗的功率是不同的，主电 路的负载电流也不一样。电动汽车等速行驶所需的功率换算至电动机 输出轴为： = 吉蠊+ 篙) 。 p 2 l o o o p 扣 ( 矽)( 2 3 0 ) 假定电动汽车主电路的电压保持不变，由式与式即可计算电动汽 车等速行驶工况的主电路中负载电流。 电动汽车主电路中的直流电路的负载电流为： ，f d 2 岳。而l o o o 万p ，i , ( 彳)( 2 m ) 电动汽车主电路中交流电路的负载电流为： 浙江大学博士后研究报告 k 2 南2 上4 5 u , 叩c o s # ( 2 3 2 ) 当电动汽车在良好的平路上加速行驶时，电动汽车消耗的功率由 加速开始瞬间的行车速度计算等速消耗的功率2 弓+ 只，加上加 速过程所需的功率e ，则： 5 l o o o ( p j + ) ( w ) 同理，电动汽车在坡道上等速行驶时所需的功率为： 2 l o o o ( p , + )( w ) 采用类似的算法，可以计算电动汽车在加速时的主电路的负载电 流或坡道上等速爬坡时主电路的负载电流。 电动汽车上动力蓄电池两次充足电之间的总行驶里程称为电动 汽车的续驶里程，以千米( o n ) 表示。电动汽车的续驶里程短，是 近一个世纪以来电动汽车落后于内燃机汽车的重要原因。因此，如何 降低不同行驶工况下电动汽车的能量消耗，提高电动汽车的效率，增 加续驶里程是发展电动汽车必须解决的重要课题。 电动汽车的续驶里程的影响因素比较复杂，电动汽车的续驶里程 与电动汽车在行驶过程中的能量消耗紧密相关，影响它们的主要因素 来自电动汽车行驶的外部条件与电动汽车本身的结构条件。 ( 1 ) 行驶的环境状况 在相同的车辆条件下，电动汽车行驶的道路与环境气候影响着电 动汽车行驶的能量消耗，如气温的高低、风力的方向与大小、道路的 种类与交通拥挤状况都会使车辆的能量消耗增加或减小，从而使电动 汽车的续驶里程有显著的区别。 ，d 浙江失擘博士后研究报告 ( 2 ) 电动汽车的行驶规范 行驶规范是指预先确定的行驶速度与时间的变化关系曲线。电动 汽车试验时必须沿着规范给定的速度时间程序行驶。通常称为多工况 道路循环试验法。也可以采用给定的单一恒速工况进行试验对比。采 用多工况道路循环试验较为接近车辆实际的行驶工况，具有较好的可 比性。国外测试电动汽车续驶里程常采用多工况道路循环试验法：联 合国欧洲经济委员会( e c e ) 采用e c e - - r 1 5 ，即十五工况法；日本 采用十工况城市循环；美国电动汽车采用s a e j 2 2 7 a 试验循环工况， 我国目前采用g b t 18 3 8 5 2 0 01 电动汽车动力性能试验方法、g b 厂r 1 8 3 8 6 - 2 0 0 1 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法、 g b t 1 8 3 8 8 2 0 0 1 电动汽车定型试验规程进行电动汽车测试( 见附 件一、二、三) 。 ( 3 ) 滚动阻力与空气阻力的消耗影响 滚动阻力与空气阻力消耗的能量是电动汽车能量消耗的主要组 成部分，如何降低滚动阻力系数与空气阻力系数，仍有许多课题需要 研究解决。g m 的“i m p a c t ”与日本“i z a ”电动轿车在这方面达到 了当前最高技术水平。 ( 4 ) 蓄电池的性能 蓄电池的性能参数主要是指蓄电池的能量密度、额定容量、放电 率、放电电流、放电深度、蓄电池内阻，特别是指整组的一致性及蓄 电池的环境温度等是影响电动汽车行驶的能量消耗和续驶里程的重 要因素。一般电动汽车在冬天的续驶里程要短于夏天的续驶里程。 浙江走学博士后研究报告 (