电动汽车概论—第五章 电动汽车关键技术

1、第五章电动汽车关键技术一、动力电池技术是目前制约电动汽车发展的瓶颈，具体体现在以下四个方面：1. 电池成本2. 能量密度3. 功率密度4. 循环寿命二、电机及其控制技术是目前影响电动汽车性能的关键因素。主要影响以下性能：1. 动力性（最高车速、加速性能、爬坡性能）2. 经济性（效率）3. 成本4. 寿命与可靠性。三、电动汽车电控技术 影响汽车的协调控制能力、车内通讯能力以及系统可靠性。四、电动汽车轻量化技术 影响汽车的运行经济性和续驶里程。五、电动汽车动力传动系统优化匹配与集成技术 影响汽车的动力性、经济性、平顺性、可靠性、成本等性能。（一）AVL 整车性能模拟分析软件介绍AVL 公司是一家在

2、世界汽车、发动机行业拥有极高知名度的高科技公司。AVL 的先进模拟技术部门致力于开发动力总成及整车的设计分析软件平台，并负责该平台上各个软件在全球的销售、技术支持，以及小型的计算项目（此类项目的计算工作以客户为主，AVL 工程师为辅，着力于培养客户工程师）。现在国内汽车、发动机行业内拥有近300 个正式用户。AVL 公司的先进模拟技术部门充分认识到软件只是一个工具，我们的客户更需要源源不断的专业技术支持。因此，我们的技术专家不但能够熟练地操作软件，更具备深厚的行业应用经验。这是AVL 软件部门在国内同行中最具竞争力同时也得到客户广泛认可的方面.下面就以下几个方面对AVL 整车分析软件CRUIS

3、E 进行介绍:产品技术说明AVL CRUISE 软件是用于车辆系统动力学仿真分析的高级软件，可以轻松实现对复杂车辆动力传动系统的仿真分析，通过其便捷通用的模型元件，直观易懂的数据管理系统以及基于工程应用开发设计的建模流程和软件接口，AVL CRUISE 软件已经成功的在整车生产商和零部件供应商之间搭建起了沟通的桥梁。1) CRUISE-车辆基本性能的分析和评价工具AVL CRUISE 软件界面友好，用户容易理解、使用和掌握，结果分析直观，易懂。便捷的建模方法和模块化的建模手段使得不同项目组可以对模型进行方便快捷的整合。可以快速搭建各种复杂的动力传动系统模型，可同时进行正向或逆向仿真分析；主要物

4、理模型及算法AVL CRUISE 软件采用拖拽式建模方法，可以方便的按照用户的需求搭建所需要的模型，CRUISE 内置元件库由以下部分组成：车辆元件库（Vehicle Library）：包含普通车辆，半挂车，全挂车，可以实现对所有车辆模型的快速建模；发动机元件库（Engine Library）：包含了普通发动机，与AVL BOOST 软件接口发动机断缸熄火控制发动机等元件，可以实现对发动机特性的仿真分析；离合器元件库（Clutch Library）：包含干式离合器，硅油离合器，液力变矩器，自动离心式离合器等元件，可实现对传动系统离合器部分的精确仿真；变速箱元件库（GearBox Library

5、）：包含变速箱，单级齿轮传动机构，差速器，行星齿轮系，双离合器变速箱（DCT），自动变速器（CVT）等元件，可实现对变速系统的仿真分析；电气附件元件库（Electric Library）：包含附件电动机，发电机，电池组，电阻，电气终端等元件，可以仿真车辆的电气附件；混合动力元件库（Hybrid Library）：包含混合动力电机（电动/发电），动力电池组，超级电容器，DC/DC 转换器等元件，可实现对纯电动汽车，混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车的仿真分析；控制元件库（Control Library）：包含离合器控制程序，变速箱控制程序，AMT 控制，DCT控制，发动机起停控制，发动机断缸控

6、制，制动控制，CVT 控制，驱动防滑控制，PID 控制，可以实现模型中主要元件的系统控制；制动元件库（Brake Library）：包含制动器和缓速器，可实现对车辆制动工况的仿真分析；附件元件库（Auxiliary Library）：包含风扇和油泵，可实现对发动机外载附件系统动力消耗的仿真分析；特殊元件库（Special Library）：包含驾驶室（Cockpit），跟Matlab 的接口（API，DLL，Interface），跟Excel 的接口，监视器，跟KULI 的接口，跟Flowmaster 的接口，跟AVLDRIVE 的接口，跟标准C 语言的接口（BlaceBox），函数（Func

7、tion），图表（Map）等23 个元件，主要提供了CRUISE 跟第三方软件的接口程序；车轮元件库（Wheel Library）：提供车轮元件；宏元件库（Marco Library）：给用户提供了自定义元件库的可能。AVL CRUISE 设计了大量的内置计算任务和不同的计算方法，这些任务和方法都是为汽车工程专门设计的。根据计算任务的不同，可以采用不同的计算模式。在CRUISE 中，不同的计算任务采用不同的计算模式。（1）静态计算模式（Stationary Calculation）静态计算模式用于不考虑时间影响的性能分析。在静态计算中，每一个步长都是稳态条件下的计算，即对于每一个步长加速度均为

8、零。举例来说，这样你可以计算每个发动机转速和挡位下的最大爬坡度（结果表示为与车速的关系，其中考虑了比如轮胎滑移等影响因素）。（2）准静态计算模式（Quasi-stationary Calculation）该计算模式用于与时间相关的计算分析，比如循环工况计算（Cycle Run）等。准静态计算模式（也可以称为“逆向工程”）中，目标值是准确定义的，需要的驱动工作点是可计算的。在准静态计算中，其稳态条件与静态计算模式相同。与静态计算模式相比，可以存在加速度，但是被固定为某一定值。这样就可以计算循环工况和满负荷加速工况。车辆的运动变量（比如，行驶循环中的车辆加速度）是预先定义好的。计算中没有控制器，计

9、算是非常高效的。（3）仿真计算模式（Simulation）与准静态计算模式相比，仿真模式更真实地模拟了模型的实际响应。对于仿真实际的行驶循环，仿真模式采用了一个驾驶员模型来形成控制环。在这种情况下，模块之间的链接可以是刚性的，也可以是弹性的。典型应用a. 循环工况分析该任务的主要作用是计算循环工况（如，NEDC、FTP72 等）中油耗和排放的情况。常用的行驶循环在软件中已经预先定义。如需定义其他的行驶循环，可以通过图形编辑器方便地定义。行驶循环可以是时间相关的，也可以是路程相关的。b. 爬坡性能分析该任务用于计算车辆的最大爬坡度。不同挡位下的最大爬坡度也可以得到。此外，可以定义不同的测量点，用

10、于输出在该车速下的计算结果。c. 稳态行驶工况分析该任务用于计算稳定行驶时车辆的燃油消耗和排放性能。该任务计算每一档位下，整个发动机转速范围内车辆的性能。另一个功能是计算理论和实际最高车速，这是通过改变主传动比实现的，在结果中也输出了获得理论最高车速的传动比变动系数。d. 满负荷加速性能计算该任务包括三项子任务：最大加速度计算: 计算每一个档位下，发动机整个转速范围内的最大加速度。原地起步加速性能：计算连续换挡条件下，车辆原地起步的加速性能。通过定义测量点，结果可以输出，如原地起步从0 加速到100km/h 时的加速时间或从0 加速到一定里程的加速时间。测量点可以是速度相关、距离相关或时间相关

11、的。对于每一各测量点，输出结果都包括：加速时间、实际挡位及发动机的实际转速等。超车加速性能：从一定的起始车速，在一定的挡位加速到给定的目标车速时的加速性能。如果把目标车速定义为测量点，则可以同时计算目标车速的超车加速性能（起始车速相同）。e. 最大牵引力计算该任务可用来绘制驱动力行驶阻力平衡图、功率平衡图等。该计算任务与爬坡性能计算类似。计算任务在每一个档位下，发动机整个转速范围内计算。f. 巡航行驶工况巡航行驶工况与循环工况计算非常相似。主要差别在于：巡航行驶工况的行驶规范中定义的是与距离相关的速度限制，且不允许超速。循环运行的行驶规范中定义的速度是行驶的目标速度。另一个不同点是巡航行驶工况

12、计算中车辆的加速度不能超出定义的最大加速度和最大减速度。巡航行驶工况计算可设定两城市间的行程（有路段限速、高度变化等）进行计算，并可计算总体燃油消耗。g. 制动/滑行/倒拖该任务用于计算车辆制动性能。计算中需要定义是否换挡和实际制动力。通过改变某些参数也可进行车辆滑行分析，以检验汽车模块中行驶阻力的设定是否正确。2) CRUISE-车辆传动系统的匹配及参数优化平台借助于CRUISE 内置的Matrix Calculation 和Components Variation 功能，可方便的根据预先设定的动力性、经济性或排放性指标，可以对模型中的参数进行快速优化组合，并可以对动力传动系统进行匹配优化（

13、DOE 参数化研究和多动力总成匹配研究）；典型应用a. 动力总成匹配基于CRUISE 的Components Variation 功能，可以对多发动机，变速箱，主减速器，轮胎等总成元件进行匹配，根据预先设定的动力，经济和排放性指标在匹配结果上进行合理选型。b. 参数优化匹配基于CRUISE 的Components Variation 功能，可以对多发动机，变速箱，主减速器，轮胎等总成元件进行匹配，根据预先设定的动力，经济和排放性指标在匹配结果上进行合理选型。3) CRUISE-概念新车的分析评价平台内置混合动力模块，在基于传统车辆模型的基础上可以快速搭建纯电动汽车（EV）或混合动力车辆（HEV

14、）模型，并可通过与Matlab（API，DLL，Interface）或C（BlackBox）语言的接口实现整车控制策略的设计开发；内置能量分配管理监测功能EFG，可方便的实现基于控制策略的能量分配和管理特性的研究；内置Function 函数，兼容C 语言的程序格式，使用户在不需要第三方程序的前提下便捷的进行相关控制策略的设计和开发；4) CRUISE-先进动力传动系统的分析评价平台针对乘坐舒适性的提高及新能源汽车的逐步推广，新型动力传动系统的应用及其控制策略的研究也日益广泛，目前国内的汽车厂家大多是对AT 和AMT 进行研究，而DCT 的研究也在慢慢展开，而摩托车行业中CVT 的应用也较为广泛

15、；CRUISE 软件独有的GSP（Gear ShiftingProgram）模块是内置于AVL CRUISE 软件中的用于自动变速箱换挡规律生成以及优化功能的高级模块，CRUISE GSP 功能可以帮助整车及零部件厂家实现自动变速箱车辆前期预开发阶段对动力总成的合理选型，以及在开发后期的传动系统控制单元（TCU）的标定区域的划分。CRUISE GSP包含以下两部分内容：GSP Generation：自动变速箱换挡规律的生成功能，该功能基于CRUISE 环境中已有的车辆模型，可以对车辆所有可能运行的工作区域进行分析，考虑档位、油门开度、路面坡度、液力变矩器的状态等一系列参数；同时考虑经济性驾驶需

16、求、经济性和动力性驾驶需求、动力性驾驶需求、强动力性驾驶需求。GSP Optimization：自动变速箱换挡规律的优化功能，该功能基于CRUISE 环境中已有的车辆模型，可以对车辆所有可能运行的工作区域进行分析，考虑档位、油门开度、路面坡度、液力变矩器的状态等一系列参数；同时考虑经济性和排放性的指标要求，可根据不同的工况特性进行变速箱换挡特性的优化，其自动生成的K 因子可以让用户方便的实现经济性和排放性的平衡需求。5) CRUISE-复杂条件下车辆性能的分析评价平台（从SIL 到HIL）可以与硬件系统（如：AVL In-Motion，dSPACE，ETAS 等）进行联合仿真，满足用户对于车辆

17、系统动态实时（Real Time）仿真分析的需求；可对动力总成及其相关联的ECU 控制策略进行分析和调试，实现车辆动力学的快速原型开发（RCP）和硬件在环仿真功能（HIL），极大的提高了开发效率并缩短了开发流程；a. 动力总成的分层建模提出了动力总成分层建模的方法，可以将动力总成的不同元件搭建在用户自己设定的不同层中，使得建模过程更加直观和便捷，可独立对动力总成中某一部件进行仿真分析（无须搭建整个车辆模型），极大的降低了对于车辆建模所需参数的要求；可根据用户自定义的目标参数，对驾驶员模型进行系统优化分析；b. 混合动力系统总成测试􀂗制动系统性能评价(如：能量回收制动)

18、48727;制动稳定性测试(对开路面,弯道测试)􀂗操纵稳定性测试(ABS & ESP)􀂗驱动防滑控制(ASC,扭矩动态分配)􀂗用户自定义测试(按照相关测试规范进行)c. 动力总成延伸性分析􀂗复杂路况下的燃油经济性分析􀂗换档品质评价􀂗行驶平顺性分析6) 软件的后处理及接口特性6.1) 软件的后处理AVL CRUISE 软件有完善的后处理系统，针对不同的计算任务提供了与之相对应的计算结果，计算结果可以采用ASCII，GIDAS，MAT 或EFG 格式保存，方便用户对计算结果进行二次后处理。CRUISE 的计算结果有文本和图形两种表示方式：文本计算结果：图形计算结果（Cycle Run 为例）􀂗富裕度示意图（Abundance）：发动机工作点示意图􀂗聚合度示意图（Condensation）：发动机14 工况测试图􀂗工作点万有特性分布图（Driving Time Distribution）：工作点分布比例