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电池供电电动汽车动力系统匹配方法

目录

摘要 2

1介绍 3

2基于车辆纵向动力学的动力总成性能匹配 5

2．1电池供电电动汽车的纵向动力学原理 5

2.2电力驱动系统匹配方法 6

2.3驱动电机和电力电子的特点 6

3基于整车布局的电池容量匹配 8

4动力总成性能与燃油经济性要求的优化 11

4.1驾驶模式中电池的能量消耗 11

4.2在制动回收模式中电池包的能量消耗 12

4.3动力总成的综合优化匹配方法 12

5结论 15

摘要

目前动力总成匹配方法一直是使用的纵向动力学方法,这种方法不能达到车载储能单元最大存储能力，也不能达到最低燃油消耗量。其他匹配方法考虑到利用汽车的合理布局提高可用空间，以达到扩大车载储能单元储能能力的目的。这样能保持纵向动力学性能几乎不变，但是却不能达到最低燃油消耗量。考虑到驱动电机的特点，对驱动系统利用传统纵向动力学进行动力系统匹配的方法和储能系统的试验型方法是被提议为从传统车辆到新能源乘用车的方法。通过综合利用有利于布置车载能量单元的空间、汽车纵向性能要求、汽车等效燃油消耗水平、被动安全要求和最大行驶距离要求等一起。一种对电池供电的电动汽车动力系统综合优化匹配方法是被提出来了。在仿真匹配中，汽车模型和匹配方法是用Matlab/similink建立的，以美国环保署城市道路驾驶制度作为测试条件，仿真结果表明相比传统方法，新方法提升了2.62%的再生能源率和2%的储能效率。研究结果为现代纯电动汽车尤其是由传统汽车演变过来的汽车动力系统匹配提供了理论和实践的解决方案，进一步增强了电动汽车的动力性。

关键字：电池供电纯电动汽车、电动动力总成、储能系统、优化设计

1介绍

环境和能源安全问题驱使着交通部门投入发展代用燃料和传动系统。动力总成电气化受到全世界各国政府和行业重视，随着磷酸锂-铁电池技术的发展和电动动力总成可靠性能提升，在未来的中国以简单，可靠而著名的电池供电电动汽车和纯电动汽车将成为最先进的技术。但是由于低的能量密度，高昂的价格以及短的续驶里程等缺点，电动汽车的商业化进程受到阻碍。

传统的电动动力总成如图1.1所示，整个系统有电动驱动系统（包括驱动电机，电力电子设备），储能系统（包括电池，高压安全单元，电池管理系统），辅助系统（包括电动液压转向，刹车时的电动真空泵，电动空调，转换系统定义的高压到低压12伏电压的低DC-DC转换器，CAN信号转换器（入口，以防有一个传统的车载系统CAN和另一个电动动力总成的CAN），车辆热管理系统，外部充电端口。），CAN和整车控制器。

图1.1 电动动力总成

研究表明，对于传统汽车而言，由制动系统导致的能量消耗占内燃机通过传动系统传递的总驱动能的30%，由于动力总成的电气化和它的快速响应，再生制动功能可以实现对电池供电电动汽车的控制。所以，电池充电电动汽车的行驶距离取决于储能系统的储能能力。真实驾驶循环中，电动动力总成的效率和整车特性（包括迎风面积、质量等）还受到制动时能量回收量影响。

回收能量的能力取决于驱动电机性能，如最大转矩或功率，额定转速范围和电机效率图，考虑车辆安全要求的整车控制算法，驾驶者驾驶习惯等等。通常，我们在系统匹配时设立的驱动电机峰值功率越高，驱动电机的回收能力越强：驱动电机的效率越高，驱动电机的回收能力越强。

很多研究都集中在匹配方法上，ZENG等利用基于整车性能要求的车载控制器匹配的动力总成参数，HUBBRAD建立了描述动力总成每个关键部件的稳态和瞬态详细模型。

对于纯电动汽车而言，最受欢迎的电动动力总成匹配方法是涉及传统纵向动力学理论的匹配方法和车载储能系统的试验法，整个过程的简图如图1.2所示。

图1.2

关键步骤主要实现如下：（1）根据行驶性能确定驱动电机的功率和转矩，（2）根据工程师经验设置系统额定电压，电压工作范围，储能系统容量，（3）计算和检验整个储能系统的可行性，（4）根据选择的驾驶循环仿真和获取理想的续驶里程，（5）如果续驶里程不能达到目标或者无法在车上组装整个关键部分，例如电动驱动系统或储能系统，就回到第一步，重新建立驱动性能目标，然后计算和检验。根据这种方法是很难找到一个完美的解决方案的，并且就大多数情况而言，是在驾驶性能和续驶里程中间找到折中点。

至于试验法，也有一些缺点：一是如果仅仅考虑被动制动回收能量是不够的，这意味着被动计算有多少能量可以在基于整车控制算法上的制动过程中被回收。对于液压制动系统来说，当忽视在制动回收中所设计的电机峰值功率影响，由于电机峰值功率是根据驾驶性能指标确定的，并没有考虑到制动过程。另一个缺点是动力总成系统的整个空间不能被充分利用，进一步提高车辆续驶里程。一种最新提出的名为最大额定容量的方法是为了实现储能系统的最大储能。此外为了达到多目标优化，所有提出的关于纯电动汽车的匹配方法都是考虑到驱动性能要求、整车设计和布局特点、续驶里程、制动能量回收等方面。

2基于车辆纵向动力学的动力总成性能匹配

2.1电池供电电动汽车的纵向动力学原理

与传统内燃机汽车原理相似，电池供电电动汽车的纵向动力学公式（1），包括传动齿轮传动比和效率，电力驱动系统能力，滚动阻力，风阻，加速力，坡度阻力等，

(2.1)

其中delta;------回转质量等效系数

m------车重

u--------车速

F_t----------电力驱动系统提供的驱动力

F_f----------滚动阻力

F_w---------风阻

F_I-----------坡度阻力

它们各自的表达式如下

(2.2)

(2.3)

（2.4）

(2.5)

其中 T_m -------电动机输出转矩

i g —变速器传动比

eta;_g —变速器传动效率

i ₀—主减速器传动比

eta;₀—主减速器传动效率(包括主减速器、差速器等),

eta;_d—传动系统效率(仅包括传动轴，半轴和它们的连接件),

r —轮胎半径, m,

f —滚动阻力系数,

alpha; —倾斜角, rad,

C _D—风阻系数

A—车辆迎风面积 m² ,

A=0.78times; w_的times; h   

W_d—车宽, m,

h—车高, m,

rho;—空气密度 此时取rho; =1.225 8 kg/m³ ,

g—重力加速度, g=9.805 5 m/s

2.2电力驱动系统匹配方法

在电动动力总成的原理图确定之后，电力驱动系统匹配的主要步骤是决定额定速度和最大速度，额定功率和峰值功率。

根据整车指标，如最高速度u_max可以确定动力总成的初始传动比，初始传动比包括传动系统传动比或者主减速器传动比ig和变速器传动比i₀和预计传动系统效率eta;_d。最大速度按以下公式计算：

(2.6)

根据最高速度u_max选择电机额定功率P_n，建立以下公式：

(2.7)

根据坡度u_max计算电动机最大转矩T_p

(2.8)

根据正常行使工况可以确定电机额定转速n_n，然后电机额定转矩t_n可以根据所得的额定功率和额定车速关系确定

电机的最大功率可以通过电机峰值转矩和额定转速确定：

(2.9)

(2.10)

验证电机的最大转矩以保证加速时间，例如从0-100km/h的加速时间 按公式（6）计算，如果计算结果大部到目标，要调整电机额定转速：

(2.11)

(2,12)

2.3驱动电机和电力电子的特点

（1）电机有良好的四相性能，在驱动，回收阶段有相同的功率和转矩。

（2）转速低于额定转速时，电机输出稳定的转矩。

（3）转速位于最大转速和额定转速之间时，电机输出额定转矩。

（4）电机有长时间和短时间各自的输出性能。

（5）当转矩或转速不同时，电机效率不同。可以通过公式计算

(2.13)

（6）驱动系统质量（包括电机和对应的电子设备）与最大功率成比例，也就是说

(2.14)

d_m是电机功率密度，对于永磁同步电机，dm应在700-1500W/kg.

为满足整车性能，电力驱动系统必须有以下功能：

1. 每一个驱动循环要满足纵向驱动性能要求。
2. 在电机动力总成匹配过程中，由于电机功率越高会导致更多的能量再生，因此要考虑到电力驱动系统和储能系统增加的质量，这样会导致更多的燃料消耗，恶化汽车的燃油经济性。
3. 考虑到制动循环所产生的更多的能量再生，这将会减少汽车的功率消耗，提高燃油经济性。
4. 考虑到液压系统建立的整车控制程序包括电子制动系统，机械制动系统，比较两种系统的行动优先级，电子制动系统是优于机械制动系统的，只有当电子制动系统不能提供足够的制动力时机械制动系统才开始发挥作用。
5. 满足整车布局要求，因为整个电动动力总成的空间是受到确定的电子驱动电机功率影响的。
6. 电池的最大充电/放电电流的限制也应当考虑到，因为电池的最大放电/充电电流必须大于电机本身的最大充电/放电电流，这样忽略了其他附件和车载电子设备对电池充电/放电电流的影响

在电机性能确定之后，满足电池峰值输出功率和电子驱动系统输入要求之间的平衡。同时，考虑续驶里程，在这里使用试验性方法以确定动力总成系统电压，然后计算储能系统的容量以及对于动力总成匹配的装配可行性计算。

试验法没有考虑到制动能量回收对于提高燃油经济性的影响，并且它不能充分利用可用空间，不能达到储能系统的最大额定储能，这样导致汽车的续驶里程短，而且不能达到良好的燃油经济性。

3基于整车布局的电池容量匹配

储能系统的容量E_b直接地影响

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