纯电动汽车的系统结构和关键技术

摘要汽车自十九世纪八十年代发明以来，现如今已成为人们生活不可或缺的交通工具。随着世界各国汽车保有量的不断增加，传统的燃油汽车所带来的环境污染和石油资源匮乏的问题，使得人们开始转向对电动汽车的设计研究。纯电动汽车是以电机驱动，以可充电电池作为动力源，具有无污染、噪音小、能量转换效率高的优点，是人类最佳的绿色出行方式[1]。纯电动汽车符合当今世界可持续发展的理念，因此近年来受到世界各国的重视，具有广阔的发展前景。现在对纯电动汽车的研发主要集中在对电池和电机的开发研究，但在如今蓄电池还没有突破性进展的阶段下，对电动汽车的动力系统的匹配优化仍是提高汽车性能的重要途径[2]。本论文先介绍了纯电动汽车在国内外发展状况、研究纯电动汽车的背景及意义、以及纯电动汽车的常见的空间结构布置。以市场现有某款电动汽车为设计原型，根据纯电动汽车的国标性能要求，对该车的动力系统进行了设计研究，完成了汽车动力系统参数匹配的问题。电动汽车的动力性和经济性指标衡量汽车性能的基本指标，而汽车的动力系统决定了汽车的动力性和经济性，是汽车设计的核心环节。通过汽车动力学分析，计算得出电动汽车的动力系统各部件所需参数，完成动力传动系统各元件的选型。建立各部件基于ADVISOR软件的Simulink的仿真模块，根据纯电动汽车各部件之间的关系，完成整车动力传动系统模型的建立，选择国际标准的行驶工况，对汽车进行整车性能模拟仿真。通过仿真得出纯电动汽车的动力性和续航里程，发现汽车的动力性和经济性均能达到预期的设计指标。关键词：纯电动汽车，动力系统，参数匹配，ADVISOR，建模仿真AbstractSincetheinventionin1880,carshavebecomethemeansoftransportationnecessaryforpeople'slives.Byincreasingthenumberofvehiclesaroundtheworld,peoplearestartingtolookforthedesignofelectricvehiclesduetopollutionandlackofoilresourcesintraditionalfuelvehicles.Pureelectriccarthatusesrechargeablebatteriesasapowersource,nopollution,lownoiseandhighenergyconversionefficiency,andisthebestgreentravelmodeforhumans.Becausepureelectricvehiclesareinlinewiththeconceptofsustainabledevelopmentintheworldtoday,theyhavereceivedattentionfromvariouscountriesaroundtheworldlastyearandhaveextensivedevelopmentopportunities.Today,thedevelopmentofpureelectriccarsfocusesprimarilyonbatterydevelopmentandautomotiveresearch.However,inthelowbatteryphase,improvingtheefficiencyoftheelectricvehiclepowersystemhelpstoimprovetheefficiencyofthecar.Thisarticlepresentsthedevelopmentstatusofpureelectriccarbothathomeandabroadandstudiesthehistoryandimportanceofpureelectricvehiclesandthesharedspacestructureofpureelectriccars.Accordingtotherequirementsofthenationalpureelectricmotorstandards,accordingtothedesignofelectriccarsonlyinthemarket,thestudyofelectricvehiclesystemdesignandtheproblemofmatchingtheparametersofthemotorsystemiscomplete.Energymeasurementandeconomicindicatorsofelectricvehicles,measurementofbasicperformanceofvehiclesandenergysystemsofvehicles,determinationofenergy,vehiclesandeconomy,whichisthecoreofautomotivedesign.Byanalyzingvehiclechanges,theparametersneededforeachcomponentoftheelectricvehicletransmissionsystemarecalculatedtoselectthepowertransmissionsystemcomponents.SIMULINKsimulationmodulesarebuiltbyADVISORsoftwareaccordingtointernationalstandards.Vehiclesarebuiltaccordingtotherelationshipbetweenpureelectriccarpartsandoperatingconditions.Simulationresultsshowthattheenergyandrangeofpureelectriccarsaswellastheenergyandeconomyofthevehiclecanreachtheexpecteddesignindicators.Keywords：pureelectriccar，powersystem，ADVISOR，parametermatching，modelingandsimulation绪论课题的研究背景及意义随着人类社会科技、经济水平的不断发展进步，汽车的保有量不断增加，已经成为当今世界不可或缺的的交通工具。图1.12000-2017年世界汽车保有量趋势图全球汽车拥有量急剧增加，使人们面临石油短缺和环境破坏的挑战。根据美国石油业协会估算，在地球上只有不到两十亿万桶的原油未开发储量，可供人类开采的时间不足95年。据大、中型城市统计，空气污染中80％以上的二氧化碳、超过40％的氮氧化物和超过20％的微尘来自汽车尾气[4]。此外，地球如今面临着全球变暖危机，而全球超过16％的二氧化碳排放来自汽车尾气。为了保护我们的地球家园的美好环境和不可再生资源。代替传统燃油汽车新能源汽车的发展已经成为汽车行业的必然趋势。新能源汽车的发展能有效的解决当今世界面临的环境危机和石油资源危机。其中，纯电动汽车作为最清洁、最节能的交通工具，近些年已经成为了汽车行业进行研发的热门课题，具有广阔的发展前景。纯电动汽车具有以下几个优点：（1）无污染、噪音小。纯电动汽车电无内燃机汽车工作时产生的废气，不会产生排气污染。众所周知，内燃机汽车所排放废气中的CO、HC及氮氧化物、微粒、臭气等污染物会形成酸雨、酸雾及光化学烟雾。纯电动汽车无内燃机汽车产生的噪音，电机工作的噪声较内燃机小很多。噪声过大对人的听觉、神经、心血管系统是有危害的。（2）能量转换效率高。电动汽车的研究表明，其能源效率已超过传统燃油机汽车。特别是在城市运行中，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电能，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，以实现制动减速期间的能量再利用[3]。（3）动力系统布置灵活。纯电动汽车的动力部件主要包括电池、电动机及机械传动装置，电池与电动机之间没有机械连接，各部件的布置具有很大的灵活性，可形成多种动力系统的布置形式。（4）舒适性好。车内的振动很大一部分源自于动力装置，与燃油汽车的内燃机相比，纯电动汽车的电动机振动造成激振的幅度要小很多，因此纯电动汽车的驾乘舒适度要优于燃油汽车。（5）结构简单，易维修保养。电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，发生故障时维修工作量小[5]。电动汽车采用电动机及电池驱动，无需传统发动机那些繁琐的养护项目，比如：更换机油、滤芯、皮带等。电动汽车只需定期检查电机电池等组件即可。1.2国内外电动汽车的研究状况1.2.1国外的发展状况在国外，尤其是欧州、美国、口本等一些发达国家，已经很早开始了对纯电动汽车的研发、制造等各方面的研究。同时各国政府为了促进新能源汽车行业的快速发展，制定了一系列的相关政策。其中包括：政府对电动汽车的购买者给予一定补贴，对传统的燃油汽车的使用和尾气排放进行严格的限制以及加大对纯电动汽车和其他新能源汽车的研发资金的投入等。资金的大量涌入和政府政策支持，使得新能源汽车行业蓬勃发展。纯电动汽车作为新能源汽车重要的组成部分之一，近些年，国外多家汽车公司进行了大量的研发。纯电动汽车的技术不断突破，在工业生产中也趋于成熟，已经成为了逐渐成为人们代替传统燃油汽车的主要交通工具。美国是最早开始研制和推广新能源汽车的国家。美国国会于1976年7月通过了《电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令》，通过立法的形式来保障电动汽车的发展[6]。美国三大汽车公司在1991时达成一致协议，通过合作交流的形式共同致力于对纯电动汽车的研发。克林顿政府时期，国家制定了集中研究纯电动汽车的“PNGV”计划。二十世纪初，为了响应国际环保组织和能源部门的号召，美国政府又连续制定了多个发展电动汽车的战略政策。在此期间，由于得到了国家政策的引导和支持，美国的电动汽车技术研究硕果累累。据统计，截止到2012年，在电动汽车的研究的核心技术领域，美国的专利数占全球专利数的30％。美国通用汽车公司的新能源战略很早就已经开启了，也是全球最先开始批量生产制造纯电动汽车的汽车公司。从1996到1999三年间，通用公司首款纯电动汽车EV1的生产量达到了1177辆[7]。2016年生产的VoltEV可以看成是当年EV1的延伸，该车的续航里程可达383km，在当时美国市场的每月销售量超过1000辆。福特汽车公司于1998推出了一款专用于邮政运输的电动汽车Ranger。这款车的续航里程可达95km，最高行驶车速可达120km/h，电池采用当时先进的镍氢蓄电池。由于该车性能优良、质量过硬，于是美国邮政局与福特公司签订了500辆的订单，这也是当时美国最大一项电动汽车订单。毫无疑问，当今世界最受关注电动汽车公司是美国特斯拉汽车公司。该公司于2008年推出第一款纯电动汽车，续航里程高达320km以上，这也创造了锂电池电动汽车的续航记录。酷炫的跑车外形以及强大的性能，吸引了全世界的目光。特斯拉公司随后又推出了TeslaModleS、TeslaModelX两种车型的纯电动汽车。2017年特斯拉公司开始进驻中国。图1.2特斯拉电动汽车ModelS日本作为一个资源匮乏的国家，早已经把发展新能源汽车作为国家性发展战略。日本政府制定并推进实施了一系列相关政策，大力支持新能源汽车行业的发展。丰田汽车公司在1991年推出了一款采用镍镉电池的电动汽车IZA，该车动力系统由四个功率为25KW的电机进行驱动，最高车速可达170km/h。同一年，丰田公司与庆应大学联合研发出一款使用锂电池，装配有八台转子交流电机的电动汽车KAZ。此车具有非常强大的动力性，百公里加速时间仅需八秒，最高行驶速度达到了300km/h。本田汽车公司研发的电动汽车LEAF于2010年开始批量生产。这款车以日产车骇达为模型，以锂离子电池为动力源，具有良好的动力性和续航里程。LEAF在当时赢得了消费者的认可，取得了不错的销售量。德国作为汽车工业强国，十分重视新能源汽车行业的发展。从2009年起连续三年共计投入五亿欧元推进电动汽车的研发工作。随后德国又制定了电动汽车强国的战略，确定了未来十年要将一百万辆电动汽车投入使用。德国宝马汽车公司积极投入对电动汽车的研发中，成功研制出一款以锂电池为动力源、电动轮独立驱动的电动汽车。该车百公里加速时间仅仅需要4.6秒，超越了绝大多数燃油汽车。法国为了加快电动汽车行业发展的进程，推出了电动汽车购买的优惠政策，并在主要城市都建立了纯电动汽车的充电站。法国BatScap汽车公司于2001年推出一款以高性能聚合铿蓄电池为动力源的电动轿车，这款车续航里程可至200km以上，最高行驶车速可达125km/h。得益于国家政策的支持，法国电动汽车技术发展成果显著，拥有多个电动汽车核心技术领域的发明专利。其中一体化的电动轮由法国Tm4公司所研制，这种设计减轻了汽车的质量，提高了车轮的使用性能，已经在多款电动汽车上得到了利用。1.2.2国内的发展状况我国新能源汽车行业与国外发达国家相比开始的时间较晚。随着环境保护和石油资源危机的到来，发展新能源汽车已经成为了大势所趋，我们国家也积极响应了这一号召，开始走上了新能源汽车发展的道路。我国在2001年开启了“863”电动汽车重大科技专项，从此电动汽车形成了“三横三竖”的研发布局[8]。在这一形势下，我国的电动汽车技术得到了突飞猛进的发展，成果颇多。国家财政部、科技部在2009年联合颁布了对购置新能源汽车进行补助的相关政策，对于购买纯电动乘用车和公交车分别给予6万元和50万元的补贴。2010年7月，由国家设立的电动汽车示范推广试点城市已达25个。2012年，国务院制定了2012-2020年的新能源汽车产业的发展规划。规划中指出，到2015年，电动汽车的产销量要达到50万辆；到2020年，电动汽车的产销量要达到500万辆。为积极响应国家发展政策，我国各大车企与院校、研究所联手合作，共同致力于电动汽车的研发。在此期间，国内车企电动汽车的研发工作取得了令人骄傲的成绩。北汽新能源、一汽、上汽、长安等一些国内知名车企，已经研发并批量生产了多款电动汽车。截止到2017年，我国新能源汽车年产销量分别达到了79.4万辆和77.7万辆。我国自主汽车品牌比亚迪在2011年推出了电动汽车e6，如今已经广泛应用于出租车市场中，得到了不错的反响。这款车外型上兼具轿车和SUV设计理念，采用自注研发的ET-power铁电池为动力源。驱动电机的最大功率为75kw，最大转矩可达500Nm。该车具有不错的动力性和经济性，百公里加速时间仅需15s，最高行驶车速可达150km/h，一次充电续航里程可达到300km以上。图1.3比亚迪e6纯电动汽车2016年7月，武汉市公交公司投用了投用10辆东风扬子江纯电动公交车。扬子江新一代纯电动公交车充电一次，在使用空调状态下最高车速可达90公里/小时，可连续行驶380公里(武汉市线路较长的公交车辆一天的行驶里程在300公里左右)，最大爬坡度大于20度，电池可循环充电2000次，使用寿命里程大于50万公里。该车装配有新型纯电动公交车装备的电池，快速充电仅需3个小时就能充满。电池可以回收，经技术加工可重复利用。武汉市公交公司在2018年内又相继投入使用600多辆纯电动公交车。到2018年年底，电动公交车数量占武汉公交车总数比达到66%。近年来，武汉公交集团大力推进车辆“绿色化”升级，全面淘汰能耗高、污染大的“老旧车”，预计到2022年，全部柴油公交将被淘汰[9]。图1.4武汉市737路纯电动公交车近些年，由于国家政策的支持力度不断增大，新能源汽车产业迸发出无尽的活力。我国未来仍会坚定不移的发展新能源汽车，这是我国成为制造强国的正确道路，也是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路[10]。1.3本论文的主要研究内容本论文以纯电动汽车为研究对象，通过汽车动力学分析计算完成纯电动汽车动力系统参数匹配。建立汽车整车模型，由电动汽车汽车仿真软件ADVISOR对纯电动汽车进行仿真，并对结果进行分析。本文的主要研究内容如下：全文共分为六章:第一章针对目前存在的环境污染、石油资源匮乏的问题，阐述了电动汽车的研究背景及意义，论述了一些汽车强国和我国的电动汽车的发展状况。第二章介绍了纯电动汽车的基本结构以及四种不同空间布置形式。分析了纯电动汽车的关键性技术。第三章对汽车进行汽车动力学分析，参照国际标准设计指标，计算得出纯电动汽车动力系统各动力元件所需参数，进而对其进行选型，完成汽车动力系统的匹配。第四章简单介绍了电动汽车仿真软件ADVISOR仿真原理和操作步骤。建立纯电动汽车各元件基于ADVISOR的simulink仿真模型，并对各模块的相关参数进行修改。根据各元件之间的相互关系，得到整车仿真模型。第五章选择UDDS行驶工况，对汽车的动力性及经济性进行模拟仿真。将得到的结果与国际标准设计指标对照，判断动力系统匹配的可行性。最后，将纯电动汽车的性能仿真结果与改装原型（丰田雷凌1.6CVT）的性能进行对比分析。第六章为总结与展望。第二章纯电动汽车的系统结构和关键技术2.1纯电动汽车的动力系统组成车身、底盘、动力系统以及电气设备是纯电动汽车的四大组成部分。与传统的燃油汽车相比，纯电动汽车与其的差别主要存在于动力系统、传动装置以及整车控制和传输方面。本论文的研究对象是纯电动汽车的动力系统，该系统由电源系统、电力驱动系统、辅助系统三个子系统组成[11]。图2.1纯电动汽车动力系统结构及工作原理系统中车轮与差速器之间、驱动机与变速器之间用螺栓连成一体，属于机械连接，在图中用双线相连；系统中电气连接用粗线表示，这些部件多是纯电动汽车中使用电流较大，要求其内阻小能在短时间内通过足够大的电流；控制信号连接用细线表示，代表这些相连的电子元件之间仅需一个微弱的电压或者电流信号就可以满足其工作条件；多数元件之间用箭头表示，代表信号或者电能的传递方向[12]。信号传递的方向是双向的，各元件之间既可以接收信号，也可以进行反馈。由图可知：电力驱动子系统由驱动电机、电子控制器、功率转换器及其相关传动装置的组成；电源子系统由电池管理系统、功率转换器、蓄电池充电器三部分组成；辅助子系统包括辅助动力源、辅助转向、温控三个单元。2.2纯电动汽车动力系统的空间布置形式在空间结构上，纯电动汽车与传统燃油汽车相比，由于没有发动机，所以纯电动汽车的车舱空间更大，因此结构上相对简单、灵活。目前纯电动汽车设计主要使用的空间结构布置形式有以下四种。如图所示:图2.2纯电动汽车四种常见的空间布置结构采用简化的方法，将纯电动汽车的动力系统各部件用字母代替。各字母代表含义是：M表示驱动电动机，是纯电动汽车核心动力装置；FG表示固定速比减速器，在动力系统中起降低转速、增大转矩的作用；离合器用字母C来表示，是汽车动力中断和连接的关键部件；变速器用字母GB表示，该部件通过改变传动比进而改变车辆行驶速度；差速器用字母D表示，是实现内外车轮速度不相同的执行元件。图2.2（a）所示结构属于传统的机械传动类型，只是将电机驱动替换发动机，是从传统的燃料车辆发展而来的。这种形式允许汽车在低速时实现高扭矩，从而提高汽车的爬坡性能和加速性能，并且差速器安装确保了汽车的转向稳定性。图2.2（b）所示结构是机电集成驱动类型。该配置没有离合器和变速器。它仅使用固定比的主减速器。因此，这种结构重量轻，尺寸小，使纯电动汽车的传动系变得紧凑、方便布置。图2.2（c）所示结构是机电一体化驱动类型。此类型电动汽车无需安装机械差速器，因为该结构可以准确控制每个电机的转速，从而使内外侧车辆不同的转速，实现汽车的操纵稳定性。由于汽车的行驶工况多种多样，所以这种结构对电机转速的控制具有很高的精度要求。图2.2（d）所示的结构是轮毅电动机驱动类型，该结构是将电动机安装到车轮中。这种布置占据空间较小并且可以大大的缩短动力传递的路径，从而降低了能量损失，提高能量传输的效率。但这种布置方式维修驱动电机相对困难。本文是基于图2.2中(b)代表的机电集成驱动布置形式对纯电动汽车动力系统进行设计，在此基础上对结构进行了简化，去掉了离合器。该结构相对简单，重量轻且相对可靠。2.3纯电动汽车动力系统的关键技术2.3.1蓄电池技术由于电动汽车由电力驱动，与内燃机车辆相比，具有无尾气排放，能量转化效率高，噪音小，结构简单，运行成本低的优点。然而，电动汽车也有其自身的不足，例如初始购买价格高，行驶里程短，动力性差，这些问题都是由于电池的关键技术无法解决而引发的[13]。因此，电池技术已成为影响纯电动汽车发展的主要问题。为满足纯电动汽车的需求，动力电池应具备以下特点：（1）具有高能量密度，以满足纯电动汽车对高续航路程的需求。其中，质量能量密度是评估动力电池续航能力的重要指标，它指的是电池单位质量输出的电能。这一指标影响着电动汽车的续航里程和整车质量。（2）需要更高的输出功率密度以满足驾驶员对车辆性能的要求。（3）需要较大工作温度范围以满足汽车能在不同温度环境下的操作（4）需要较长的循环寿命。电池的循环寿命是指在使用期间电池的充电和放电循环次数。随着充电和放电次数的增加，电池的化学性能将降低，导致电池性能下降和充、放电效率降低。此外，电池应具有优良性能还包括：成本低、安全性好，可靠性高和可回收性等。目前世界上纯电动汽车主要使用的动力蓄电池有三种，包括：锂离子电池、铅酸蓄电池和镍氢电池。作为最新的电动汽车蓄电池，锂离子电池发展的时间并不长，但由于其优异的充放电性能，市场对锂离子电池的需求正在迅速增加。锂离子蓄电池具有以下优良特性：第一，尺寸较小，有利于空间结构的布置；第二，电压高于镍氢电池和铅酸电池；三，寿命长，可达3到5年，比铅酸电池长1到2倍，可循环使用1000次之多，完成充放电循环至600余次[14]；第四，电池的自放电率低，月平均值小于5％，在高温下性能好，工作温度范围广；第五，电池安全性好，有害物质少，原料多。镍氢电池目前也被认为是纯电动汽车的能源，但目前它主要用于混合动力汽车。这种电池的优点是绿色环保，其比能量较高，可以实现更高的续驶里程。然而这类电池自放电率会随电池容量的增大而增大，最高可达30%。除此之外，镍氢电池的性能受温度影响很大，温度过高，将会使其性能急剧下降，充、放电的效率也明显下降。铅酸蓄电池的发展相对较早，作为第一代动力电池，由于它相对成熟的生产技术和相对较低的生产成本，已成为最常见的电动汽车蓄电池之一。此外，其充放电次数可达数百次，工作性能相对稳定。但是它具有一定的污染，并且在使用过程中电池的寿命和容量会因电池使用过度而下降。可以预测到，随着新型环保电池的开发和应用，铅酸蓄电池将渐渐被取代[15]。表2.1三种常见纯电动汽车蓄电池的性能参数性能参数铅酸电池锂电池镍氢电池能量密度（Wh/L）120-160260180比能量（Wh/kg）40-50105-14065比功率（W/kg）200-400250-400160-230功率密度（W/L）120—480循环寿命（次）500-700800-1200600-1200通过对比分析上述三种电池的性能，我们可以得出锂离子电池比其他电池具有更大的优势。从现阶段来看，加大锂电池的研发力度将是我国电动汽车行业发展的一个重要方向。2.3.2驱动电机技术作为纯电动汽车的动力驱动装置和关键部件，驱动电机可以有效地提高汽车的动力性能，对经济性能也有很大影响。当前，纯电动汽车有两种类型的驱动电机：直流电动机和交流电动机。交流电动机中包括永磁电动机，感应电动机和开关磁阻电动机[16]。与直流电动机相比，交流电动机的结构简单，效率高且免维护。因此，交流电动机被人们广泛使用。以下有几种常见电机的性能参数：表2.2几种常见电机的性能参数对比电机类型感应电机直流电机永磁同步电机开关磁阻电机电机功率密度中低高较高最大转速4000～150004000～60004000～10000＞15000转矩转速特性好一般好好易操作性好最好好好可靠性好差一般好效率一般差高一般成本高高低较高电机质量一般重轻轻电机尺寸一般大小小控制性好好好一般驱动电机是纯电动汽车动力系统的核心部件，所以对其的性能要求较高，它需要具有效率高、调速范围广、体积小、质量轻等特性。随着人们对纯电动汽车驱动电机的进一步研发，驱动电机如今正朝着低速高转矩及高速恒功率的方向发展。2.3.3动力电池管理系统技术该系统用于提高资源利用率，避免电池过度放电和过充电，检测各种性能参数并分配可利用电力能量。在充电和放电期间，避免电池电量过度放电、充电时间过长及热失控等不良状况的发生，以免损坏动力电池。电池管理系统通常包括功率分配系统，功率限制系统和充电控制系统。工作原理可简述为：电子控制单元根据收集的电池状态信息和其他相关信息进行数据分析和处理[17]。电池管理系统不仅确保电池达到其良好的性能，而且还有效地保护电池，所以电池管理系统的性能直接影响电池寿命。2.3.4纯电动汽车的充换电技术在电动汽车的日常使用中，电能的供应主要采用车辆充电和蓄电池更换两种方式向蓄电池提供电能。车辆充电是指电动汽车的车辆动力电池通过车内充电装置、交流电桩和外部充电装置直接充电。蓄电池更换是指用充满电的动力蓄电池组更换车辆上的动力蓄电池组，以实现电动汽车能量的快速供应。大多数私家车使用电动汽车充电装置给电动汽车充电。为了防止操作错误导致的电池损坏，充电是完全自动的。充电时，由电池管理系统控制，及时检测电池状态，防止过充电。电池更换技术可以在短时间内完成电动汽车的能源供应，但需要专门的电池操作人员对电池进行更换和维护。通常，完成电池更换只需要大约10分钟。另外，电池更换技术对电池的维护具有重要意义。在更换过程中，能及时发现电池问题，有利于对电池保养维护，进而提高了电池的使用寿命[18]。无线快充技术在未来将会给电动汽车充电带来巨大的变革。通过这一技术，车主可以利用各种清洁能源对电动汽车进行充电，例如太阳能、风能等新能源。这种充电系统配备有太阳能发电设备或风能发电设备，能将太阳能或者风能转化为电能储存在蓄电池中。当蓄电池中的电能用完后，电动汽车可以通过电网的电能进行充电[19]。2.4本章小结本章首先介绍了纯电动汽车的系统组成。论述了纯电动汽车常见四种不同的动力系统的空间布置形式及其特点。对纯电动汽车动力系统的四大核心技术（蓄电池、驱动电机、电池控制系统、电池充放电的相关技术）进行了分析。为下文进行动力系统设计进行知识储备。第三章纯电动汽车的动力系统设计及其参数匹配对纯电动汽车的整车性能评估主要是从动力性和行驶经济性两个方面。动力性包括纯电动汽车最大行驶车速、最大爬坡度以及百公里加速时间。经济性对于纯电动汽车而言是指其续航路程。汽车能在不同工况下的正常行驶，与各个动力元件的“参与”密不可分。汽车的各动力元件的完美“配合”是汽车具有优良性能的重要条件，所以合理的汽车动力系统各元件选型和参数匹配，对于保证汽车优越的性能和输出动力稳定性具有很大的现实研究意义。3.1纯电动汽车动力系统参数匹配的方法纯电动汽车的动力系统参数匹配一般步骤为：初步设计、动力源匹配和性能验证。1.初步设计。根据车辆的参数和性能指标的大小，进行相应的理论推导和计算，最终确定驱动电机的类型，然后根据电机的性能参数确定传动比，从而推导出汽车的档位和传动比。最后得到驱动电机和变速器的参数值。2.动力源匹配。根据初步设计得到的数据，选择合适的电机和电池型号，使得汽车动力系统能完美的配合，提高汽车的运行效率，保障车辆的性能达标。3.性能验证。指对前期设计的参数进行仿真验核。验证不合格，则需重新对动力系统各元件的参数匹配。图3.1纯电动汽车动力系统参数匹配流程图3.2纯电动汽车整车性能参数及设计性能指标本论文以丰田雷凌1.6CVT为改装原型，原车型的整车参数和设计性能指标如下：表3.1整车参数总长×总宽×总高（mm）4630*1775*1480整车质量（kg）1270轴距（mm）2700轮距（前/后）（mm）1535/1535迎风面积（m²）2.4空气阻力系数0.29滚动阻力系数0.019车轮滚动半径（m）0.317主减速比4.66轮胎规格195/65R15，195/65R15机械传动效率0.91旋转质量换算系数1.04图3.2丰田雷凌1.6CVT外观通过查找资料，得到国标GB28382-2012中对纯电动汽车的动力性能、经济性能的设计指标如下表所示。表3.2纯电动汽车的设计性能指标性能指标参数值最高车速＞120km/h加速时间0～100km/h加速时间＜15s最大爬坡度25％（车速为25km/h）续航里程175km3.3纯电动汽车的汽车动力学分析汽车的动力学分析是汽车设计的基础，在行驶过程中所受到的力分为驱动力和行驶阻力两大类。对于电动汽车汽车而言，驱动力是指由电机驱动作用在车轮的驱动力，行驶阻力包括滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和加速阻力[20]。汽车行驶过程中受力如图所示：图3.3纯电动汽车行驶中的力学分析滚动阻力 图3.3车轮在硬路面滚动时的受力状况当车辆行驶时，施加到轮胎的载荷导致轮胎变形。由于用于轮胎制造的橡胶具有粘弹特性，当轮胎变形时，这种类型的材料会损失一些能量，并且这种损失的能量以热能形式转化。轮胎的反复变形继续导致能量损失，这是轮胎滚动阻力产生的主要原因。计算公式为：F（3.1）其中，f为滚动阻力系数。2.坡度阻力当汽车上坡行驶时,其重力沿坡道斜面的分力表现为对汽车行驶的一种阻力,称坡度阻力。计算公式为:F（3.2）3.空气阻力空气阻力指汽车行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力。空气阻力是一个变量，它的大小其与车速成正比，车速越快空气阻力越大。计算公式为：F（3.3）其中，CD:空气阻力系数；A:汽车迎风面积；ua4.加速阻力汽车加速行驶时，克服其质量加速运动时的惯性力，就是汽车的加速阻力。加速阻力包括平移质量的惯性力和旋转质量的惯性力偶矩，为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力。计算公式为：F（3.4）其中，δ：旋转质量换算系数；dudt通过整车受力分析，可以得出纯电动汽车行驶的动力平衡方程式为:F（3.5）FtF（3.6）其中，Ttq：驱动电机转矩；ig：变速器传动比；i0：减速器传动比；即：T（3.7）当坡度角较小，此时cosα=1T（3.8）将等式两边同乘行驶车速ua，P（3.9）3.4纯电动汽车的汽车性能分析3.3.1纯电动汽车的动力性分析在汽车理论中，汽车的动力性主要从汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度三个方面进行分析。最高车速u最高车速是指汽车在水平、良好的路面上行驶所能达到的最高车速。当汽车达到最高车速时，汽车所受行驶阻力只有滚动阻力和空气阻力。此时汽车的行驶平衡方程式为：F（3.10）即：T（3.11）汽车的行驶速度与驱动电机转速之间的关系式为:u（3.12）由汽车最高车速行驶平衡方程式可以求出汽车的umax2.最大爬坡度i汽车的最大爬坡度指：除去后备功率中滚动阻力和空气阻力所消耗的功率，剩余的率全部用来爬坡所能达到的最大坡度。此时的汽车行驶平衡方程式为:F（3.13）整理后得：T（3.14）由上式可以解出汽车的最大爬坡度：i（3.15）加速时间t汽车加速时间是指汽车全力加速（包括选择恰当的换挡时机）至某一预定车速所需时间。此时汽车的行驶平衡方程式为：F（3.16）整理后得：T（3.17）通过求积分可得汽车的加速时间：t=（3.18）3.3.2纯电动汽车经济性分析纯电动汽车经济性主要取决于其续航里程，本文用等速行驶续航里程来评估纯电动汽车的经济性。当汽车以速度uaP（3.19）当电量一定时，纯电动汽车等速行驶的续航里可以表示为：L=（3.20）其中，W：蓄电池总能量；η：传动效率以上两式（3.19）和（3.20）联立可得等速续航里程的计算表达式：L=（3.21）3.4动力系统选型及其参数匹配3.4.1驱动电机的选型及参数匹配由第二章表2.2可知，永磁同步电机由于具有效率高，转矩稳定性好，重量轻，振动和噪声小的优点，因此在电动汽车产业中得到了广泛的应用。除此外，永磁同步电动机具有较强的过载能力，低速时输出转矩大，特别适用于电动汽车的平稳启动和加速。综合考虑到各种电动机的优缺点，本文采用永磁同步电动机作为纯电动汽车的驱动电动机[21]。接下来我们对驱动电机的参数进行匹配：电机功率的匹配电机的参数与纯电动汽车的性能直接相关。如果所选速度太小，则汽车难以达到目标速度。如果转速过大，会造成电机严重的发热，浪费效率。因此，根合理的选择电机参数数是非常重要的。电机额定功率Pe和峰值功率Pmax是两个需要解决参数。额定功率是电机处在最佳工作状态（最高车速行驶）时的功率。根据动力性要求，峰值（1）最高车速行驶时所需功率当纯电动汽车在水平良好路面以最高车速umax行驶，此时汽车只受滚动阻力和空气阻力的作用，这种情况下汽车的P（3.22）根据本文的设计要求，uamax（2）最大爬坡时所需功率当纯电动汽车以一速度ua爬上最大爬坡度的坡面时，此时汽车受滚动阻力、P（3.23）（3）规定加速时间下所需功率纯电动汽车的加速性能由汽车从起步到某一预定车速所需时间的大小来衡量，此过程汽车所需的功率为：P（3.24）这一过程并不是匀加速的，过程中的速度经验表达式：u=（3.25）其中，um：加速过程的末速度；tm：加速时间；x将以上两式（3.24）和（3.25）联立可得：P（3.26）其中，δ：旋转质量换算系数，取1.04。本文加速时间设定指标为0～100km/h加速时间小于15s。所以，电机的额定功率和峰值功率应满足所需条件的表达式为：Pe≥（3.27）额定功率与峰值功率的关系是：P（3.28）其中，λ为电机过载系数，取为3。最终，可得电机额定功率Pe=26kw，峰值功率Pmax电机转速的匹配所以速度不应该太高。电机根据转速范围的不同被分为高速电机、中速电机和低速电机，具体分类请款如下表所示：表3.3电机转速分类电机种类最高转速（r/min）低速电机3000～6000中速电机6000～10000高速电机10000～15000电机的最大转速与汽车最高行驶车速的关系是n（3.29）电机转速越高，则加工越复杂，生产成本也越高，所以电机的最大转速不宜过高。参照市场现有的同类型纯电动汽车的减速器传动比，通过计算综合分析后后取电机的最大转速nmax=8000电机额定转速与最大转速的关系式为：n（3.30）其中，β：电机扩大恒功率区系数，通常取2～3。计算后取ne=3000r/min电机转矩的匹配电机的最大转矩必须同时满足启动转矩以及纯电动汽车达到最大爬坡度使得的转矩。电机峰值转矩的计算公式为:T（3.31）由经验公式可知电机的峰值转矩与额定转矩的关系是：T（3.32）其中λ=2～4，本文取3。通过计算综合分析后可得电机的峰值转矩和额定转矩的取值分别为:Te=82Nm，T3.4.2传动系的参数匹配汽车的传动系包括减速器和变速器，合理的选择传动系参数不仅可以使汽车达到性能要求，也可以增加电机在高效率区工作的机会，减少了电机的损失。由第二章可知本文所选择的动力系统的布置形式机电集成驱动，故传动系的参数只需考虑减速器传动比。1.传动系最小传动比当汽车达到最大行驶车速时，传动系的传动比最小，表达式如下：i（3.33）计算后可得：i2.传动系最大传动比（1）最大爬坡的的限制本文最大爬坡度设计的指标为25%，当汽车以一速度爬上此坡度的路面上时，汽车的最大驱动力表达式如下：F（3.34）即：T（3.35）整理后可得：i（3.36）（2）附着率的限制汽车在路面上驱动行驶的必要条件是驱动力小于路面附着力，如果条件不满足，则会出现我们平时看到的汽车车轮原地打滑的现象。汽车的附着率是指车轮不出现打滑的最大路面附着系数。通过查找资料可知一般路面的附着系数0.5～0.6，本文取0.55。汽车正常驱动行驶时：F（3.37）其中，FXmax：地面切向最大反作用力；FF（3.38）由上两式（3.37）和（3.38）联立后可得最大传动比需满足：i（3.39）经过计算可得：imax≥6.3，最终传动系的传动比取3.4.3动力电池的选型及参数匹配电池是纯电动汽车的关键部件之一，它的容量和比能量会影响电动汽车的动力性和续航里程。同时，电池的使用寿命、后期维护以及性价比等也会成为电池选型的依据。本小节根据市场上纯电动汽车常用电池的性能比较来选择合适电池的类型并确定电池组单体电池的数目。1.电池的选型根据第二章对目前市场上纯电动汽车常用的三种电池的对比分析，本文选择使用磷酸铁锂电池。其单体电压为3.2V，容量为50Ah，质量为1.55kg。2.电池的数目确定纯电动汽车以速度uaP（3.40）本文续航里程设计指标为在速度为50km/h下行驶175km，因此ua=W（3.41）电池组是由单体电池并联或者串联而成的，一定数量的电池所构成电池组的能量计算式为：W=N（3.42）其中，N：电池组单体电池个数；E0：单体电压（v）；C：单体电容（Ah）；ηDOC为达到汽车行驶所需功率的要求，则需满足:W>（3.43）根据以上计算式联立可得电池的数目N=90。3.5本章小结本章首先介绍了汽车动力系统参数匹配的方法，列出了改装车的整车性能和设计指标。通过汽车动力学对纯电动汽车的动力性和经济性进行了分析，完成了纯电动汽车电机、电池的选型以及动力系统各元件的参数匹配，为下文建立纯电动汽车仿真模型提供变量参数。最终得到的动力系统参数匹配结果如下表所示：表3.4动力系统参数匹配结果动力系统参数参数值永磁同步电机额定功率/峰值功率（kw）26/78额定转速/峰值转速（r/min）3000/6000额定转矩/峰值转矩（Nm）82/246磷酸铁锂电池单体电压/容量（v/Ah）3.6/5个数90（串联）传动系主减速器比8.1第四章纯电动汽车仿真模型的建立在纯电动汽车的动力系统设计过程中，完成了动力系统参数匹配后，下一步需要对参数匹配的合理性做出验证。汽车的仿真技术可以缩短新车型的研发周期，降低了研发成本，因此在行业中得到了广泛应用。本章基于上一章纯电动汽车的动力系统匹配结果，建立纯电动汽车的仿真模型。4.1电动汽车仿真软件ADVISOR的概述4.1.1仿真软件ADVISOR的简介ADVISOR（AdvancedVehicleSimulator），即高级车辆仿真器。它是美国NREL(可再生能源实验室)开发而来，能对传统汽车和电动汽车进行仿真分析。目前该软件有ADVISOR2002（免费版）以及ADVISOR2003（商业版）两个版本，本文选用ADVISOR2002对纯电动汽车进行模拟仿真[22]。图4.1ADVISOR2002开始界面国内外如今已经研发出多款汽车动力系统的仿真软件，这其中有：ADVISOR,AVLCruise、SINIPLEV等。ADVISOR因具有模块化、仿真速度快、精度高等优点，在车企、院校研究所得到了广泛的应用。该软件仿真系统由控制脚本、输入脚本、仿真模型和输出脚本四部分构成，用流程图可表示为:图4.2ADVISOR仿真系统结构流程图4.1.2仿真软件ADVISOR的特点1.MATLAB/SIMULINK的运行环境ADVISOR是在MATLAB/SIMULINK的环境下开发得到的仿真软件。该软件可利用MATLAB的强大数学计算能力和SMULINK所提供丰富模块库来搭建汽车的仿真模型并模拟分析。2.模块化的仿真模型通过采用模块化的建模方式，对汽车发动机/电机、车轮、车轴以及变速器和减速器等部件进行建模，这种方式提高了建模效率。3.混合仿真形式ADVISOR仿真采用以后向仿真为主，前向仿真为辅的形式。通过前后双向仿真可使仿真结果更为准确。兼容性和适用性好ADVISOR可与多种其他仿真软件进行联合仿真，软件具有良好兼容性和适用性。4.2基于ADVISOR的纯电动汽车模型建立4.2.1整车模型的建立纯电动汽车的各元件功率流的逐级传递关系为:蓄电池→电机→传动系→车轮→车身。根据此关系利用ADVISOR建立纯电动汽车的整车模型。如图所示：图4.3纯电动汽车整车模型整车模型建立完毕后，接下来我们要依次建立各部件模块的模型。4.2.2车身模型的建立车身模型是根据第三章汽车行驶的受力分析而建立起来的。该模型由前向仿真和后向仿真两部分组成。前向仿真是对汽车实际车速和驱动力的计算。后向仿真根据汽车行驶所受阻力建立了滚动阻力、坡度阻力、空气阻力已经加速阻力四个子模块，然后计算对车轮模块请求的驱动力和速度。1.后向仿真在后向仿真中，纯电动汽车驱动力计算根据汽车行驶的平衡方程式计算：F（4.1）即：F（4.2）式中各变量含义见第三章2.前向仿真后向仿真中输出的速度并不是汽车的实际车速，而是该仿真步长的平均速度，汽车的实际速度计算步骤如下：由力的平衡可得:F（4.3）同时有：a（4.4）F（4.5）F（4.6）其中，f1：前轮滚动阻力系数；f2将公式（4.4），公式（4.5），和公式（4.6）带入公式（4.3）可得：0.5（4.7）求解这个一元二次方程组即可得到汽车在该仿真步长内的平均速度vaver，v（4.8）该模型还有车轮驱动力限制模块，约束条件为：F（4.9）综上分析得纯电动汽车车身的仿真模型为:图4.4ADVISOR中车身模块图4.5ADVISOR中车速控制模块模块建立完成后，下一步仿真分析需要在软件界面对该部件的参数进行输入并保存。需要设置的参数有：表4.1车身参数的设置参数名称英文名数值整车质量（kg）Veh_mass1270货物质量（kg）Veh_cargo_mass510风阻系数Veh_CD0.29迎风面积（m²）Veh_FA2.4滚动阻力系数Veh_F0.019旋转质量换算系数Veh_rm1.044.2.3车轮模型的建立车轮模块接收来自车身模块的传递的驱动力和速度，并将其转换成转速和转矩传递到主减速器模块。同时，车轮模块又将来自主减速器模块的转速和转矩转化成汽车所需的驱动力和车速。在车轮模块“请求”和“实际”两个数据流的传递路线上都会受到了轴承损失和车轮转动惯性损失。1.后向仿真车轮的后向仿真过程在车轮模型的上半部分。后向仿真包括驱动力控制以及车轮滑移子模块。在车轮模块接收车身模块驱动力和车速请求时受到两个约束条件的限制，其中一个是驱动力受附着条件的限制，表达式为：F（4.10）其中，Fφ另一个约束条件是车轮的滑移率，它限制车轮的转速，表达式为：ω（4.11）其中，s：车轮的滑移率，其正负性为当汽车驱动时为正，制动时相反。车轮模块传递到主减速器转矩请求的表达式为：T（4.12）其中，Td：传动系驱动转矩；Ti：车轮惯性转矩；TTdT（4.13）其中，FbTiT（4.14）其中，J：驱动轮的转动惯量。Tj计算得到转速ωq和转矩T2.前向仿真模型下半部分为前向仿真过程，此过程为车轮模块接收到主减速器传递的转矩和转速，经计算得到驱动力和车速。汽车行驶车速计算式为：u（4.15）驱动轮驱动力计算式为:F（4.16）汽车所受实际的驱动力表达式：F（4.17）其中，Fb1：前制动器提供的制动力；F综上分析得车轮模块仿真模型为：图4.6ADVISOR中车轮模块该模块中需要设置的参数有：表4.2车轮参数的设置参数名称英文名数值车轮半径（m）Wheel_r0.317轴距（mm）Axle_leng27004.2.4主减速器模型的建立主减速器接收车轮模块传递的输出端的请求转速和转矩，并通过计算的出输入端的转速和转矩。主减速器模块包含转矩损失和转动惯量两个子模块。输入端主减速器的转速计算式为：ω（4.18）其中，ωfr：输入端请求转速；ωf0输入端主减速器的转矩计算式为：T（4.19）其中，Tf：输入端请求转矩；Tf0：输出端请求转矩；Tfl：损失转矩；T（4.20）其中，If综上分析得主减速器模块仿真模型：图4.7ADVISOR中主减速器模块仿真模型该模块中需要设置的参数有：表4.3主减速器参数的设置参数名称英文名数值主减速器速比fb_ratio8.1主减速器质量fb_mass504.2.5电机模型的建立电机模块的作用是将变速器传递来的请求转速和转矩通过查询电机功率MAP表转化为需求功率传到电池模块，并且将电池模块的实际功率转化为电机的实际提供的转速和转矩。1.后向仿真 电机模型的上半部分为后向仿真过程，该过程要考虑电机峰值转矩和最高车速的限制，以及电机的效率影响，同时也加入了电机控制模型。改仿真过程主要包括四个子模块，分别是：电机转速估算子模块、转子惯性转矩子模块、电机转矩限制子模块和电机控制器接口子模块。根据输入的请求转速和转矩。通过计算和查MAP表得到电池的输入功率。电机转矩限制的条件为：req_T=min（4.21）电机转速限制的条件为：req_（4.22）式中，Tmax：电机峰值转矩；nmax：2.前向仿真电机模型的下半部分为前向仿真过程，该过程将电池模块的实际功率通过计算得到电机实际提供的转速和转矩。综上分析得电机模块仿真模型为：图4.8ADVISOR中电机模块仿真模型该模块该模块中需要设置的参数有：表4.4电机参数的设置变量参数英文名数值电机最大电流（A）mc_max_crrnt480电机最大电压（V）mc_min_volts120电机转速范围（r/min）mc_map_spd050010001500200025003000350040004500500055006000电机转矩范围（Nm）mc_map_trq-245-230-215-200-180-160-140-120-100-80-60-40-20020406080100120140160180200215230245电机质量（kg）mc_mass654.2.6电池模型的建立电池模块的作用是通过接受电机的请求功率，根据当前电池的电流、电压和SOC值来确定要输出的功率。这一计算过程中主要运用了该模块中的五个子模块：内阻和开路电压计算子模块、功率限制子模块、电流计算子模块、温度估算子模块以及SOC计算子模块[23]。这五个子模块的建立的原理如下：1.内阻和开路电压计算子模块根据开路电压和充（放）电电阻与SOC和工作温度的函数关系，可通过查表插值得出参数值。然后将单个模块的值乘上电池组电池的数量即可得到电池组的开路电压和内阻。该子模块的仿真模型：图4.9电池模块中内阻和开路电压计算仿真模型2.电流计算子模块根据功率的定义式和基尔霍夫电压定律可得：V=（4.23）式中，Voc：开路电压；R：将上式两边同乘以电流I，整理可得一个一元二次方程组：I（4.24）求解后可得电流：I=（4.25）同时，根据基尔霍夫定律可得线电压为：V=（4.26） 根据上述分析可得电流计算子模块模型为:图4.10电池模块中电流计算仿真模型3.功率限制子模块该模块的功能是防止电池功率超出限制范围，分为三个方面进行功能实现：（1）当电池电量耗尽（SOC接近于0），如果电池继续放电，则功率限制为0。当电池已经充满（