纯电动汽车计算技术(1).ppt

纯电动汽车仿真 ADVISOR 纯电动汽车车动力系参数匹配 电动汽车的动力系统主要包括电动机 动力电池 传动系和控制系统四部分 电动汽车动力匹配的任务是在满足整车动力性能要求的基础上合理选择动力总成中各部件参数 降低改装成本和提高续驶里程 1 电动机的参数匹配 电动机是纯电动汽车的唯一动力源 其性能与电动汽车整车性能密切相关 因此 对电动机的选择及参数匹配是研究设计纯电动汽车动力系统的关键之一 为了高性能地驱动电动汽车 驱动电机在性能上须达到一定的要求 通常要求驱动电机能够频繁起动 停车 加速 减速 转矩控制的动态性能要求高 在低速或爬坡时 转矩要高 而在高速行驶时 转矩要低 其次 驱动电机的的调速范围要宽 既要工作在恒转矩区 又要运行在恒功率区 同时在整个调速范围内还得保持较高的运行效率 1 1驱动电机类型的选择适用于电动汽车的电动机可分为两大类 即有换向器电动机和无换向器电动机 前者表示它们通常有换向器组件 而后者则无换向器组件 主要有以下几种电机类型 有换向器的直流电动机 无换向器直流电动机中的感应电动机 永磁电机 开关磁阻电动机 纯电动汽车的电动机应有较高的转矩 惯量比 尽可能宽的高效率区和良好的转矩转速特性 在目前所用的电动机驱动系统中 直流电机虽然具有良好的控制特性 但由于其自身固有的缺陷 在电动汽车中用的越来越少 采用鼠笼式感应电动机结构简单 运行可靠 大量应用在电动汽车中 但功率密度和效率一般 开关磁阻电机结构更为简单 效率 转矩惯量比也较高 但由于力矩波动及噪声过大 在电动汽车上用得还不普遍 永磁无刷电动机系统具有最高的效率 转矩惯量比 在电动汽车中得到了较广泛的应用 1 2电动机峰值功率及额定功率的匹配 1 电动汽车动力系统参数匹配的基本原则电动机的功率直接影响整车的动力性 电动机功率越大 电动汽车的后备功率也越大 加速性和最大爬坡度越好 同时也会增加电动机的体积和质量 正常行驶时电动机不能在高效率区附近工作 降低了车辆的续驶里程 因此 设计时通常依照电动汽车的最高车速vmax km h 初速度v0 末速度v 加速时间丁 秒 和最大爬坡度lmax 来确定电动机的功率 首先 根据最高车速vmax km h 确定的最大功率为 式中为传动系总效率 f为滚动阻力系数 为空气阻力系数 A为迎风面积 其次 根据最大爬坡度确定最大功率 式中最大爬坡角 最后 根据加速性能来确定最大功率 汽车起步加速过程可根据经验公式表示为 式中x为拟合系数 一般取0 5左右 Vm和Tm分别为车辆的加速时间 S 和车辆的末速度 km h 1 2 1 3 假设车辆在平直路面上加速 根据车辆加速过程的动力学方程 其瞬态过程总功率为 1 4其中Pall为加速过程总功率 kw 由加速功率Pj 滚动阻尼功率Pf与空气阻力功率Pw组成 dt为设计过程的迭代步长 单位秒 为满足计算精度要求 步长通常取为0 1秒 车辆在加速过程的末时刻 点击输出最大功率 因此 加速过程最大功率要求Pall max为 1 5 Pall max Pmax3 根据上述由动力性三项指标计算各自最大功率 动力源总功率P必须满足上述所有的设计要求 即 1 6 将整车参数代入上述公式并按照整车动力性要求 计算得到电动机的峰值功率 计算过程如下 整车通过改型为电动客车后 质量估算 1 7 即 新车质量 原车整备质量 发动机质量 变速器质量 发动机附件质量 电池质量 电机质量 乘员质量 估算电动机 电池和乘客等质量后 计算得到veh mass 首先将不同的车速值代入式 1 1 得到最高车速与电动机最大功率需求的关系曲线 再根据性能指标最高车速 进而得到Pmax1 其次将不同的坡度值代入式 1 2 并假设车速vi 计算得到车辆最大爬坡度与电动机功率需求的关系曲线 再根据最大爬坡度要求 车速 最终得到Pmax2 最后将不同的加速时间与加速末速度代入式 1 5 计算得到车辆加速性能与电动机功率需求的三维关系曲线 考虑一定的电动机后备功率 约20 计算得Pmax3 综合考虑上述动力性指标 最高车速 最大爬坡度和加速性 要求 根据式 1 6 确定电动机峰值功率为 电动机的额定功率可根据峰值功率由下式求出 1 8 式中Pmax 电机峰值功率 P额 电机额定功率 电机过载系数 电动机过载系数 一般取为2 3 1 3电动机额定转速及最高转速的选择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 很少在纯电动客车上使用 因此应采用最高转速不大于6000r min的低速电机 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 增大了逆变器的功率损耗和尺寸 因此 值一般取2 4 计算出电动机额定转速应该在1500 3000r min之间选取 注意事项 对经常启动 制动和反转的生产机械 选择额定转速时则应主要考虑缩短启 制动时间以提高生产率 启 制动时间的长 短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转速 应选择较小的飞轮矩和额定转速 从电动机制造角度讲 同样功率的电动机若额定转速越高 其电磁转矩外形尺寸就愈小 成本就愈低且重量亦轻 并且高速电机的功率因数及效率比低速电机都高 若能选择转速愈高的电动机 则经济性愈好 但若由此而引起电动机与被拖动机械间的转速相差过大时 所需装设减速装置的传动级数就越多 这就会加大设备成本及传动的能量损耗 1 4电动机额定电压的选择电动机额定电压的选择与电动汽车动力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 但较高的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并且难于布置 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 考虑上述结果确定电动机的额定电压范围为300 350V 由于电动汽车在行驶过程中所遇到的阻力随车速的变化而变化 变化范围很宽 单靠电动机的力矩变化无法满足电动汽车的行驶性能要求 为了满足电动汽车的行驶性能 同时也使驱动电机经常保持在高效率的工作范围内工作以减轻驱动电机和动力电池组的负荷 电动汽车在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器 2传动系的参数匹配 2 1主要参数的匹配电动汽车的传动系参数匹配设计主要包括变速器的匹配设计和主减速器的匹配设计 在电动机输出特性一定时 传动系传动比的选择主要取决于电动汽车的动力性要求 即最大传动比取决于整车的最大爬坡度 最小速比取决于整车的最高车速 1 最大传动比的选择传动系最大传动比是变速器最低档速比与主减速器速比的乘积 由电动机的峰值转矩和车辆最大爬坡度决定 2 1 式中r为车轮滚动半径 为车辆最大爬坡角 f为滚动阻力系数 为最大驱动力矩 为传动系总效率 代入表2 1中数值计算得 2 最小传动比的选择传动系最小传动比是变速器最高档速比与主减速器速比的乘积 由电动机的最高转速和车辆最高车速决定 随着电动机及其控制器技术的发展 高转速 宽调速范围技术得以实现 电动汽车要求电动机既能在恒转速区提供较高的瞬时转矩 又能在恒功率区提供较高的转速 2 2 3动力电池的参数匹配动力电池系统是整车的能量源 为整车提供驱动电能 电池系统的体积 形状和技术参数影响电动汽车的行驶性能 是电动汽车最重要的子系统之一 电动汽车动力电池系统的参数匹配主要包括电池类型的选择 电池组电压和能量的选择 3 1动力电池的匹配原则电动汽车要求动力电池系统具有较高的比能量和比功率 以满足汽车的续驶里程和动力性的要求 同时也希望动力电池系统具有与汽车使用寿命相当的充放电循环寿命 拥有高效率 良好的性价比以及免维护特性 具体要求如下 在电动汽车上 电池系统是一项关键核心的部件 特别是在纯电动汽车上 蓄电池作为惟一的动力源而尤为重要 出于实际运行的需要 电动汽车对电池性能提出了一定的要求 主要包括 1 能量密度高 以提高运行效率和续航里程 2 输出功率密度高 以满足驾驶性能要求 3 工作温度范围宽广 以满足夏季高温和冬季低温的运行需要 4 循环寿命长 保证电池的使用年限和行驶总里程 5 无记忆效应 以满足车辆在使用的时候常处于非完全放电状态下充电需要 6 自放电率小 满足车辆较长时间的搁置需求 此外 还要求电池安全性好 可靠性高以及可循环利用等 动力电池是纯电动汽车最主要的能量源 其性能直接影响整车动力性 是电动汽车发展的关键技术 其性能指标主要包括比能量 能量密度 比功率 功率密度 循环充放电次数及成本等 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 动力电池系统的电压等级要与电动机电压等级相一致且满足电动机电压变化的要求 由于电动空调 电动真空泵和电动转向助力泵等附件的功率消耗 所以电池组的总电压要大于电动机的额定电压 3 1 1其他具体要求 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 因此主要是根据其续驶里程来确定电池容量 并且确定的电池容量还须符合市场现有产品的标准 并通过对现有产品反复验证进行设计 当前 电动车辆可选用的动力电池主要包括铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池和锂离子电池 其中 铅酸电池大电流放电性能良好 安全性好 价格低廉以及材料资源丰富等优点 但其质量比能量和体积比能量值都较小 严重制约其在电动汽车领域的应用 镍镉电池具有很好的充放电倍率特性 但其具有记忆效应 含重金属存在环境污染等问题 镍氢电池虽然具有充放电倍率大 无环境污染隐患 无记忆效应等优点 但是镍氢不宜并联使用 工作电压低 而锂电池具有工作电压高 比能量和比体积大 自放电率低 无记忆效应 充放电效率高 循环寿命长和无污染性等优点 锂电池的能量密度大 单体电池的平均电压为3 6V 使电池故障概率减小 大大延长了电池组的寿命 自推出以后 锂电池便以其优良的性能得到人们的广泛认可 技术上也获得较大的发展 被认为是新一代电动汽车理想的动力源 3 2各大动力电池的优缺点 动力电池的主要性能指标是评价动力电池性能的关键参数 同时也是电动汽车动力电池选型时的首要依据 一般动力电池的主要性能指标包括 1 质量比功率 W Kg 电池的质量比功率代表每千克质量的电池能提供的功率 它的大小决定电池所能输出的最大功率 标志着汽车的加速性能和最高车速 对电动汽车的动力性能等有直接影响 在纯电动汽车中 电池的比功率是最关键的因素 2 质量比能量 Wh kg 代表每公斤质量的电池能提供多大能量 能够表明纯电动汽车的续驶能力 3 3动力电池的主要性能参数 3 循环寿命 动力电池的工作是一个不断电 放电 充电 放电的循环过程 每充电和放电一次 动力电池中的化学物质就要发生一次可逆性的化学反应 随着充电和放电次数的增加 动力电池中的化学活性物质会发生老化 逐渐削弱其化学功能 降低动力电池的充电和放电的效率 最后部分或完全丧失其充电和放电功能 动力电池的工作循环次数是衡量动力电池寿命的重要指标 它标志着使用的经济性和方便性 4 价格成本 电池的成本与电池的新技术含量 材料 制作方法和生产规模有关 代表使用的经济性 目前新开发的高比功率的动力电池成本较高 3 4动力电池的主要技术参数 1电压电压是电池实际可以直接测量的最基本的物理量之一 是电池性能评价和使用的重要指标 电池实际可以在线测量到的电压是电池的两个极柱上的电位差 又称为电池的端电压或外电压 U 电池的端电压等于电池内部所有部分的电压和 即 式中 表示充电时刻 一 表示放电时刻 其中 正负极集流体 电解液 隔膜 SEI膜等呈现纯阻性 所以这部分可以合并在一起 称为欧姆压降 正负极标准电位合并到一起称为电池的电动势 与电池内部的反应状态有关系 反应了电池的荷电状态 电池的正负极过电压合并到一起称为电池的极化电压 容量电池的容量是指一定的放电条件下 可以从电池获得的电量 分为理论容量 实际容量和额定容量 其中 活性物质的理论容量为 其中 n为成流反应的得失电子数 mo为活性物质完全反应的质量 M为活性物质的摩尔质量 实际容量C为在一定的放电条件下 电池实际能放出的电量 计算公式为 采用恒流放电的时候 额定容量是指设计和制造电池的时候 规定和保证电池在一定放电条件下 所能放出的最低限度的电量 3荷电状态 SOC 荷电状态SOC State Of Charge 是用来描述电池的剩余电量的参数 是指电池的剩余电量和最大可用电量之比 即 当电池充满电的时候 SOC 1 电池放完电的时候 SOC 0 当电池从初始荷电状态为SOCo开始放 充 电 且放 充 电容量为 Q 则电池的荷电状态变为 充电时取 放电时取 一 如果初始荷电状态为充满 放完 电 即SOCo 1 SOCo 0 则放出 充入 电量 Q后 电池的荷电状态变为 充电时取 放电时取 一 4OCV SOC曲线电池的内电压 OCV 和它的荷电状态 SOC 具有一定的对应关系 通常把这一特性称为电池的OCV SOC曲线 OCV SOC曲线对了解电池的性能 以及对