纯电动汽车的设计和开发

...wd......wd......wd...·设计·计算·研究·纯电动汽车的设计和开发王钲强宋书全〔天津一汽丰田汽车〕【摘要】基于某平台的纯电动汽车试制样车开发，选择满足汽车最高车速、最大爬坡度和加速时间要求的电机；综合考虑动力电池的选择原那么和方法，选择美国A123公司的26650圆柱形磷酸铁锂电池作为动力电池输出；合理匹配动力总成；对车身和其他系统进展了小规模改造；对续驶里程、放电电流等整车性能进展了验算。主题词：纯电动汽车样车试制电机电池动力总成中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1000－3703〔2013〕02－0026－03DesignandDevelopmentofPureElectricVehicleWangZhengqiang,SongShuquan〔TianjinFAWTOYOTAMotorCo.,Ltd〕【Abstract】Thisarticledealswiththeselectionofelectricmotorwhichsatisfiestherequirementofmaximumvehiclespeed,maximumgradeabilityandleastaccelerationtimebasedonthedevelopmentofanpureelectricvehicleprototype;Inconsiderationofselectionprincipleandmethodofpowerbattery,26650cylindricallithiumironphosphatebatteryfromA123Inc.oftheUSisselectedaspowerbatteryoutput;appropriateadaptionofpowertrain;smalltransformationismadetobodyandothersystem;vehicleperformance,likedrivingrange,dischargecurrent,etc.,arechecked.Keywords：PureElectricvehicles,Prototyping,Motor,Battery,Powertrain工程简介根据国际和国内各个汽车厂家的新能源汽车发展状况，进展了基于某平台的纯电动汽车试制样车开发，就纯电动汽车主要特征系统进展了介绍。工程开发设想根据汽车平台的特征，选择适合的电机和动力电池匹配动力总成，对车身和其他系统进展小规模改造，试制纯电动汽车样车。具体实施内容具体实施内容包括设定技术目标、制定技术方案、设计试制、整车检验等。总布置整车定义主要目标参数整车质量：原车质量和主要变更系统质量之和。最高车速：参考同级别车型进展设定，对电机功

率和动力系统强度进展预判断。续驶里程：根据电池电量和整车质量估算得出。主要变更系统电机取代发动机，取消进、排气系统。改造动力总成、空调系统、制动系统和仪表等。增加了整车、电机、电池的操控系统等。电池箱型式整体式电池箱为一组，多布置在地板底部，用螺栓和地板连接。优点：各组电池的环境条件相对稳定，能使电池保持更好的一致性，便于实现电池快速更换、加热和冷却等统一管理，有利于提高电池性能。质量分配趋于合理，不会造成质量过度集中而对其他部件造成局部破坏。线路更简单，装配时方便使用机械装备。提高了车身刚度，保持了行李箱的原有空间。动机，2010，8〔4〕:23~27.〔1〕:6~10.6熊庆辉，张幽彤，苏海峰，等.基于MOSA算法的压电堆执〔责任编辑晨曦〕行器多目标优化仿真研究.小型内燃机与摩托车，2011，2修改稿收到日期为2012年10月20日。—26—汽车技术·设计·计算·研究·电池箱与乘员室别离，提高了乘员安全性。能适用，否那么要进展局部构造修正。缺点：2.4.5控制系统a.对电池箱的整体强度要求更高。整车ECU、车身控制系统和电池管理系统之间对电池箱和车身的安装尺寸要求更严格，需要建设通讯协议，并与原车系统兼容。车身改动较大，降低了离地间隙。c.更换损坏的电池单体时需要将整个电池箱拆下。分体式电池箱为多组，多布置在座椅底部、行李箱和前机舱，用螺栓和车身连接。优点：充分利用了车辆的剩余空间。调节轴荷分配。相对整体式而言具有一定的灵活性。缺点：各个电池箱的工作环境有区别，不利于保持电池的一致性和电池的统一管理，由于电池箱质心偏高，会对固定点产生一定的惯性扭矩。对于电池的加热和冷却，需要针对每个电池箱进展维护。线路相对复杂，并占去了行李箱的空间。装配时，人工搬运环节增多。难以实现快速更换。动力总成2.3.1连接方式电机和输入轴之间可以根据改动量的大小选择齿轮副、轴套或联轴器进展连接。变速器可以通过对原有的变速器进展改造实现，或保存其中一对适宜的齿轮，但要进展验证。2.3.2强度校核强度校核方式与汽油机一样。各系统的定义冷却系统确定原散热器是否留用，假设留用，会对空间和冷却能力造成浪费。重新设计小型散热器时需考虑成本和必要性。2.4.2制动系统采用电动真空系统为制动系统提供负压，以代替原发动机的该项作用。空调系统电动空调代替原车的机械空调，增加电子加热器进展制热。润滑系统由于变速器的更改，应检查原润滑系统是否仍2013年第2期

2.4.6充、放电系统要求同时实现快速和慢速充电，对电池放电进行平衡控制，对电池状态进展监测。显示系统能够反映电机和电池的工作状态，以及车辆除了发动机以外的其他原有状态。安全警报系统增加电池工作温度、电压和电量的安全预警监测系统，整车强电和弱电以及通讯系统的安全信息反响。车身构建方式—电机、电池的搭载确定电机的安装方向，固定方式可以沿用原车发动机的固定点。检验方式检验方式包括动力总成的台架试验、整车静态检测、整车空载运转、实车实地试验和电池的充放电实际检测。总成方案电机选择方法3.1.1电机功率确实定纯电动汽车的功率全部由电机提供，所以电机功率的选择需满足汽车最高车速、最大爬坡度和加速时间〔起步加速时间和超车加速时间〕的要求。a.满足最高车速时电机需提供的功率当汽车以最高车速Vmax匀速行驶时，电机所提供功率至少为：2m·g·f+〔Cd·A·V〕/21.15·V式中，η为整车动力传动系统效率〔包括主减速器、驱动电机和其他轴承连接部件工作效率〕，取0.88；为汽车总质量〔改装后预计总质量+乘员质量〕；g重力加速度，取9.8m/s2；f为滚动阻力系数，取0.015；Cd为空气阻力系数，取0.27；A为电动汽车的迎风面积；Vmax为最高车速。满足爬坡性能时电机需提供的功率根据整车定义要求的性能指标计算车辆在爬坡状态下电机所需提供的功率。车辆通过4%坡度的最高车速不低于70km/h；车辆通过12%坡度的最高车速不低于40km/h。—27—·设计·计算·研究·车辆以车速Vslope、爬坡度α行驶时电机所提供的功率至少为：2m·g·sinα+m·g·f·cosα+〔Cd·A·V〕/21.15P2=·V电机扭矩确实定扭矩的选择主要影响最大爬坡度和0~80km/h加速时间，满足最大爬坡度〔爬坡速度Vslope″为0.6km/h下通过23%的坡道〕时电机所需提供的扭矩为：Cd·Vslope″2·A"式中，G为汽车重力；i为坡度；r为车轮半径；i0为主减速器传动比。性能验证a.电机扭矩的验证在选择变速器挡位后，车辆最大爬坡度变化为：DImax-f·姨1-DImax2+f21+f式中，D为动力因数，D=Ttq·i·gi0·η；ig为变速器传r·G动比。加速时间0~50km/h起步加速时间T1为：50

关；作为整车控制器与电机变频器的信号桥梁直接控制变频器，通过接收HCU的工况信号，依据事先设定好的动力输出策略，令变频器改变电机的输出功率；通过接收整车控制器信号，控制变速器自动换挡电机进展换挡动作。电池选择原那么和方法目前国际、国内使用的动力电池多为镍氢、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料电池等。其中，日本主要使用镍氢和锰酸锂电池，中国及美国多使用磷酸铁锂和三元材料电池。需综合比照纯电动汽车体积、载质量的限制，在动力电池选择上需要考虑比能量、成组一致性、形状、单体电压、10C以上的大电流放电性能、性价比等因素。在一样条件下，使用能量型电池可以提高车辆的续驶里程，使用功率型电池那么可以满足电机更大的输出功率需要。动力电池数量计算以及串并联形式设计1δ·mT1=乙Ft-Fw-Ff式中，Ft为驱动力；Fw为空气阻力；Ff为滚动阻力。0~80km/h加速时间T2为：501δ·mT2=2Cd·Ua·A21.15式中，δ为旋转质量换算系数，取δ=1.08。50~80km/h超车加速时间同T2。c.机械极限校核主减速器最大扭矩极限。安装配合时，通常在原悬置和电机之间增设过渡支架，将电机和减速机安装成总成后，再安装在整车上。电机变频控制器电机变频控制器功能是通过逆变器将动力电池的直流电转换成电机驱动所需的交流电，并能够通过矢量控制法准确控制电机的输出扭矩。在制动能量回收阶段，将电机产生的交流电通过正变器转换成直流电，直接为动力电池进展充电。数字信息控制处理器数字信息控制处理器功能：作为CAN通信网—28—

需求参数：电机变频控制器额定电压650V；电机变频控制器允许使用电压范围300~750V；电池最优SOC放电区间为10%~95%，SOC充放电区间为85%；因为电机变频控制的额定电压为650V，根据所选择的电池额定电压和布置形式，将动力电池串联至640V。a、当车辆以60km/h匀速行驶时，所需电机提供的功率为：21Cd·A·Vb.根据设计要求，车辆以60km/h匀速状态下行驶80km时所需电池电量为：S/η1/0.85Q60=P60·V式中，Q60为需求电池应有电量；S为性能定义续驶里程，取80km；V60为续驶里程试验要求车速，取60km/h；P60为车辆以60km/h车速匀速行驶时所需电机提供的功率；η1为变频器电压转换效率+电机效，取0.85。c.电池组需求总容量为：〔下转第55页〕汽车技术·试验·测试·参考文献2001-03.1甘海云，POSTJW，等.斯太尔重型CNG发动机电控单5罗峰，孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用.北元的开发.汽车工程，2007，29〔12〕：1029~1031.京：电子工业出版社，2010.1.190~191.2SAEJ1939Standard.SAEJ1939/21DataLinkLayer-6MC9S12XDP512DataSheet.FreescaleSemiconductor.July2001-04.2007.3SAEJ1939Standard.SAEJ1939/71ApplicationLayer-〔责任编辑文楫〕2001-06.修改稿收到日期为2012年8月27日。J1939Standard.SAEJ1939/73ApplicationLayer-Diagnos-〔上接第28页〕Q60·1000C60=U式中，C60为需求电池组总容量；U为电池组总电压。电池组参数要求如下。总容量C：C>C60；总电压U：大于电机变频控制器额定电压。串并联形式。根据总容量要求确定电池成组串并联形式。电池组总放电电流。应考虑电池组总放电电流能力对电机功率发挥的影响。上所述，选择美国A123公司的26650圆柱磷酸铁锂电池作为动力电池输出，具体参数如表1所列。1A123公司动力电池参数电池类型磷酸铁锂电池电池型号26650圆柱形电池单体电池尺寸〔直径×长度〕/mm×mm26×65电池单体电压/V3.3单位容量/A·h2.3串并联形式9并20串电池组电压/V660电池组总容量/A·h20.7电池组总电量/kW·h13.7电池组冷却形式风冷最大输出电流414A性能验算续驶里程验算S=Q60×0.85×V60×η1/P60=85.89km>80km可知，性能目标设定满足要求。式中，Q60取13.66kW·h。放电电流最大放电电流I=C·n=414A>300A，满足放电2013年第2期

电流需要。式中，I为电池组最大放电电流；C为电池组总容量，取C=20.7A·h；n为电池组最大放电倍数，根据电池