第四章 电动汽车驱动系统设计

第四章电动汽车动力驱动系统的设计和电动汽车动力系统的组成，(1) VCUORHCU-提供控制信号。VCU或HCU-提供适当的控制信号。(2)电力变换器DC-DC变换电能。(3)电动机-变流器-电能-机械。(4)输变电力学。(5)蓄能发电。(6)能量管理单元-管理功率流。据估计，汽车行驶所需的功率约为30kW，是正常行走所需功率的500倍，是快速行驶所需功率的100倍，是马匹所需功率的50倍。因为人或马在运行时会有一种刺痛的激振力，但发动机没有，而且电机也有相当短的过载(通常在几分钟内达到额定值的3倍以上)。电动汽车的电机功率不能照搬相应的汽车电机功率，必须充分发挥电机驱动的各种技术优势。如果电动机功率增加，它将经常在低效率负载区域行驶，同时增加车辆质量，这将影响功率和成本。现代汽车的发动机功率是几十到几百千瓦，许多汽车的发动机功率超过100千瓦。现在开发的电动汽车的电机功率从几千瓦到几十千瓦，甚至几百千瓦，差别很大。为了促进电动汽车的产业化，应合理选择电机功率，提高电动汽车的性价比。(1)根据最高速度指标确定电机的额定功率和恒功率调速区的最高速度。通常，电机以高于其额定速度(基本速度)的恒定功率进行调节。根据uamax、车轮半径r和传动比igi0，可以根据公式ua=0.377rn/(igi0)获得电机在恒功率调速范围内的最高转速nmax。传动比可以由估计值代替，例如，igi0=10，然后根据下面的(3)重新检查和计算。我国高速公路的最大允许速度为120 km/h，考虑到电动汽车的能量特性，最大允许速度不应设得太高。例如，汽车应具有uamax=125km/h/h，电动机的额定功率：设置爬坡能力i=0，加速度du/dt=0，即忽略公式中的后两项，将要求的最大速度uamax设置为公式中的ua，并使用传动系效率T、车上总重量g、空气阻力系数CD、车身迎风面积a和滚动阻力系数f(卡车计算为f=0.0076 0.000056ua 汽车计算为电动汽车在最大速度uamax下行驶所需的功率，与高速公路长期稳定运行中电机所需的额定功率Pe相差不大。 一、电机和传动系统参数，以及(2)根据电机转速范围及其最高转速来确定电机的额定转速ne，通常，电机转速范围与最高转速nmax和基础转速ne(即额定转速)之比，即转速因子x=nmax/ne表示。根据选定电机的转速因子x和预先确定的最大转速nmax，可以得到电机额定转速ne的转矩计算公式T=9550P/n，根据确定的额定功率Pe和额定转速ne，可以根据恒转矩调速得到额定转速ne下的额定转矩te。(1)电机和传动系参数的确定，(3)根据车辆主要行驶区域的车速和电机的额定转速确定传动系传动比。现有电机的调速范围可以满足车辆行驶条件对车速的要求，档位数量可以设置为1，即ig=1使igi0=i0。根据主运行区域内的车速ua(例如，根据城市运行条件，ua=45km公里/小时)、确定的额定电机速度ne以及车速应尽可能接近额定电机速度以提高电机效率的原则，传动比通过使用公式i0=0.377 rn/ua来确定，其中UA是行驶速度，n是动力输出速度，r是车轮半径。只有当最大爬坡能力指标很难满足，或者电机转速范围很窄时，汽车以较低的速度行驶会使电机效率很低，只需要增加档位。也就是说，扭矩增加了更大的减速比t然而，省略换档操作过程也有利于车辆控制的平稳性和舒适性。如果需要增加档位，可以根据比例级数分配法来确定。如果每个档位的传动比为igi，则最高档位ig1=1，即igi0=i0的串联传动比被设定为直接档位，以满足汽车最高转速nmax的要求；最低档位通常设置为满足最大爬升度max和最小稳定车速uamin(例如uamin=15km公里/小时)的要求。1。确定电机和传动系参数，(4)根据最大爬坡能力指数检查电机的峰值功率和过载能力。注：设定电机额定转速ne时，车速ua设定为相应的车速，即UA=0.377 RNE/I0；通过将传动效率T、车辆总重量g、空气阻力系数CD、车身迎风面积a、滚动阻力系数f、总传动比igi0=i0、最大爬坡角max=arctanimax的相关参数代入上述公式，可以得到车辆在相应速度下以最大爬坡度imax在坡道上行驶所需的电机转矩Td。将该值Td与电机在低速时能够输出的最大过载扭矩进行比较，可以检查电机是否能够满足最大爬坡能力imax指标。(5)根据加速性能指标检查电机的峰值功率和过载能力，根据汽车的设计加速性能指标，根据低速恒转矩调速区的加速时间tT和高速恒功率调速区的加速时间tP确定：确定启动车速ua1和结束车速ua2；电机的额定转速ne对应于车辆速度UAE=0.377 rne/i0；电机转速na2对应于ua2根据TL=9550PL/n的关系和电机的过载倍数，分别得到ne和na2对应的过载转矩TdGe和TdG2以及它们的平均过载转矩TdG=(TdGe TdG2)/2。然后，将车辆旋转质量转换系数、车辆总重量G、质量m=G/g、空气阻力系数CD、车身迎风面积a、滚动阻力系数f、传动效率T、传动比i0和车轮半径r的相关参数代入上述两个方程，以获得车辆从初始速度ua1加速到最终速度ua2所需的时间t=tT tP。对照设计要求的加速时间，检查电机过载能力是否满足汽车要求的加速性能指标。1.电机和传动系参数的确定。根据所需额定速度下的最大过载扭矩，使用关系式TL=9550 PL/N计算所需电机峰值功率，然后除以电机及其驱动控制器的效率mc，加上汽车所需的空调和照明等辅助设备的电功率，并留出一点余量来确定汽车供电系统所需的功率。在获得电机的额定功率和转速后，应根据5.5千瓦、7.5千瓦、11千瓦、15千瓦、18.5千瓦、22千瓦、3千瓦、37千瓦、45千瓦、55千瓦、75千瓦、90千瓦、110千瓦、132千瓦、150千瓦、160千瓦、185千瓦、200千瓦及以上的推荐电机功率等级以及GB/t4772的要求，有一点余量地选择电机的额定功率最后，还需要确定电压水平、能量利用率、行驶里程所需的电池能量以及车载储能装置的使用寿命。(1)电机和传动系参数的确定，(2)蓄电装置参数的确定，(3)为了提高汽车的动力性能，要求蓄电池具有较大的功率密度，并且能够立即向驱动电机提供大电流和功率。同时，为了满足行驶里程的要求，希望电池具有更高的能量密度。根据电动汽车的不同类型，车载能源可以是各种电池、超级电容器、高速飞轮、燃料电池等。以电池为例。电力系统电压水平的确定。电压的确定还应参考国家标准中电动汽车电机的推荐电源电压水平：120伏、144伏、168伏、192伏应尽可能采用合理的高压设计，以降低电机逆变器的成本和体积。然而，过高的电压可能会对功率开关器件造成很大的影响，即它也受到IGBT的最大允许电压的限制。以磷酸铁锂电池为例：单体电压为3.2V，乘以系数，即电压适用范围为2.6 3.8V；然而，单个电池的容量有许多规格，最常见的是20Ah。从可靠性角度考虑，蓄电池应采用串并联方式。制造商通常根据需要将单个电池并联到电池组中，并在包装后提供。例如，与4个单体电池并联的电池组的容量为80Ah。如果串联选择120节电池，电源系统的标称电压可以是384 (=3.2120)伏；容量仍然是80Ah；即使总电能为30.7千瓦时；根据标准，电机可以在312 456伏的电压应用范围内运行。根据行驶里程指标确定车载电池的能量后，要求的电压越高，需要串联的电池越多，但并联的单个电池相应减少。对于电源系统的标称电压和电压应用范围，标称电压应根据所选的电池类型确定；电压施加范围通过将电池的允许放电终止电压和电池的过充电电阻下的最高充电电压乘以大约0.8至1.2的系数来确定。(1)确定电力系统的电压水平，(2)粗略地确定电力系统在几个特定车速工况下的能量利用率，根据待确定的特定车速uai在良好水平的路面上以恒定速度行驶，测量行驶期间消耗的功率或行驶一小时期间消耗的功率，将测量值除以行驶车速uai，以获得在特定车速uai下行驶期间的能量利用率(kWh/km)。注意行驶过程中由速度升降和功率反馈引起的测量误差。1)根据参数计算方法，设置爬坡能力i=0，加速度du/dt=0，即忽略公式中的后两项。并指定几个要确定的具体车速，例如分别为20、60和120公里/小时。将传动效率T、车辆总重量g、滚动阻力系数f、空气阻力系数CD、车身迎风面积a及其相关参数代入计算，得到的值为电动车辆在特定车速uai下行驶所需的功率消耗除以电机及其驱动控制器的效率mc，再加上车辆辅助装置使用的电功率， 并且所获得的值除以相应的行驶车速uai是在几个特定车速uai下行驶时的能量利用系数(kwh/km)。 2)驾驶测试方法，(3)根据行驶里程指标确定车载蓄电池的能量，(1)计算能量利用率。考虑到电池荷电状态的应用范围一般为10% 90%，应将其计算为电池释放总能量的80%。将上述获得的相应车速下的能量利用率(千瓦时/公里)乘以所需行驶里程，然后除以0.8，以获得待确定的车辆电池能量(千瓦时)。2)实际驾驶估算方法。也就是说，携带估计所需能量的电池将在充满电后以设定的速度运行，并且达到的最大里程与设定的行驶里程的比率将被转换。考虑到蓄电池的增加或减少会改变车辆的质量并影响行驶里程，应采用适当的校正系数。行驶里程有两个指标：在特定速度(例如60公里/小时)和综合运行条件下以恒定速度行驶可达到的里程。显然，综合条件下的行驶里程相对较低，通常在60公里/小时左右，60% 80%的行驶里程可以通过恒速行驶实现。考虑到新旧电池等因素，需要适当的冗余设计，获得的值通常增加10% 30%的冗余。以下两种方法可用于确定车辆的能量当刹车或下坡时，电池将由产生反馈的电机以瞬时大电流充电。当启动斜坡时，电机的最大启动电流也会相应增加电池放电电流。为了不损坏和降低蓄电池的使用寿命，有必要对蓄电池在这种特殊工作条件下的充放电能力进行全面的评估。(5)根据蓄电池的充放电循环寿命等估算车载储能装置的使用寿命。(6)根据所选电池的比能量等估计车载储能装置的附加负载。以及将配备的蓄电池的总能量除以所选电池的比能量，以估计车载能量存储装置的附加负载。如果在确定上述动态参数时，该值与给定车辆总重G的余量相差很大，则应进行校正和重新计算。分组后，蓄电池可用作配重，如果分配得当，也有利于通风和散热。处于悬架安装位置的蓄电池应根据降低车辆重心高度的要求尽可能多地布置，如放置在座椅下等。同时，还必须考虑散热、更换和维护的要求。(7)根据车辆动力学对汽车质心的要求，确定蓄电池的分组数量和布局。根据车辆动力学对汽车质心的要求，希望车身质心高度越低，汽车的稳定性和附着利用率越好。从质心到前轮和后轮的轴距也会影响前轮和后轮驱动模式的附着率以及通过性。(8)根据电池组允许的工作温度范围，确定电池组的散热、温度控制和电源管理。电池组的工作温度范围主要取决于电池类型，如磷酸铁锂电池的工作温度范围为-20 60；锰酸锂电池的工作范围为-20 50；镍氢电池的温度范围一般为-20 55。在低温下，电源系统应能满足车辆起动所需的电机起动电流。在正常运行期间，应估计由车辆加热引起的温升。然而，蓄电池本身在充电过程中会产生更多的热量，特别是在快速充电过程中。根据不同情况，采取相应的散热方法。如果正常行驶时产生的热量不大，从车身前部底部吹进来的风可以用来散热。而充电需要固定的散热或温度控制设施来停车和充电。电源管理系统的楼宇管理系统功能主要包括各种电池性能参数的检测、信息采集、数据操作和处理分析、充放电能量管理、电池温度和热管理控制、安全管理、状态数据显示、故障诊断和报警等。使电池在合理的电压、电流、温度范围和荷电状态下工作。如有必要，通过限流控制防止电池过度充电和放电，以确保电池组的安全有效运行，并在最大化能量的同