纯电动汽车动力匹配计算与仿真

� 第 49卷 � 第 5期 2010年 � 9月 中山大学学报 (自然科学版 ) ACTA� SCIENTIARUM � NATURALIUM � UNIVERSITAT IS� SUNYATSENI Vo l� 49� No� 5 Sep�� 2010 � 纯电动汽车动力匹配计算与仿真* 查鸿山, 宗志坚, 刘忠途, 伍庆龙 (中山大学工学院, 广东 广州 510006) 摘 � 要: 针对电动汽车 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 动力性能指标, 从车辆动力学出发建立了驱动电机功率计算模型, 给出了系统传动 比、最高车速、加速时间等电动汽车动力性能采参数计算一般 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 。结合开发实例进行电动汽车动力电池匹配 优化, 并在 M atlab /Sim ulink下进行系统续驶里程仿真计算, 仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 系统动力特性满足整车的动力性能 设计要求。 关键词: 纯电动汽车; 最高车速 ; 加速时间; 续驶里程; 仿真 中图分类号: U462�3� � 文献标志码: A� � 文章编号: 0529- 6579 ( 2010) 05- 0047- 05 Matching Design and Simulation of Power Train Param eters for ElectricalVehicle ZHA H ongshan, ZONG Zhijian, LIU Zhongtu, WU Q inglong ( Eng ineering schoo l of Sun Yat�sen Un iversity, Guangzhou 510006, Ch ina) Abstract: Based on the requ irm ent of dynam ic performance, as comb ined w ith the design o fECUV de� ve loped by Sun Yat�sen U niversity, them ethod and princ iple of parameters design for tractmoto r, reduc� t ion rat io and battereies� capac ity o f e lectric veh iclesw ere explored and d iscussed. A perform ance simu� lation is carried out by app ly ingM at lab /S imulink, and the simulation resu lts show design requ irement is fu lfilled. Key words: battery car; max imum speed; accelerat ion t ime; driving range; simu lation � � 出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来 世界汽车市场的考虑, 电动汽车的发展越来越受到 人们的重视 [ 1 ]。实现电动汽车动力性能优化的关 键在于适当设计其动力驱动系统, 即实现动力电池 组、电机和电机控制器的优化匹配 [ 1- 3 ]。本文以中 山大学 ECUV纯电动汽车为开发为例, 在动力参数 匹配中首先确定驱动电机资源, 然后合理匹配传动 系统参数和选择动力电池容量以实现整车综合性能 优化设计的目标。 1� 电动汽车动力性能指标及其分析 1�1� 性能指标 评价电动汽车动力性能的主要指标有: 1) 最高车速 vmax ( km /h) ; 2) 加速时间 tf ( s) ; 3) 最大爬坡度 imax; 4) 续驶里程 S ( km )。 1�2� 行驶阻力 和一般车辆行驶过程中受力一样, 电动汽车在 行驶过程行驶阻力有滚动阻力 F f、空气阻力 Fw、 加速阻力 F j 和坡度阻力 F [ 4- 5 ]i , 在行驶过程中, 驱动力总是等于上述阻力之和。和普通汽车不一样 的是, 电动汽车的驱动力来自驱动电机而非发动 机, 电动汽车的驱动力 F t由驱动电机产生的转矩 Tm 经传动系统传递到驱动轮上。 * 收稿日期: 2010- 02- 26 基金项目: 粤港关键领域重点突破资助项目 ( 2006B80406001, 2007A010301010 ); 广东省工业公关资助项目 ( 2007A010300012); 广东省国际合作项目 ( 2008A050200008); 广东省高新技术产业化项目 ( 2009A010200007) 作者简介: 查鸿山 ( 1974年生 ), 男, 讲师, 博士生; E�m a i:l zhahsh@ ma il2� sysu� edu� cn 中山大学学报 (自然科学版 ) 第 49卷 � F t = F ( 1) 电动汽车行驶动力方程式为 F t = F f + Fw + F i + F j ( 2) 或 Tm ig i0�t r = mgf cos�+ CDA 21�15v 2 a + G sin �+ m dv dt (3) 式中, 变速器传动比 ig, 主减速器传动比 i0, 传动 系统效率 �t , 汽车质量 m , 车轮滚动阻力系数 f, 空气阻力系数 CD , 迎风面积 A, 道路坡度 �, 汽 车旋转质量转换系数 , 车速 v, 汽车与空气相对 速度 va (风速为零时 va = v )。 1�3� 电机功率 在电动汽车行驶过程中, 不仅驱动力和行驶阻 力互相平衡, 电机功率和行驶阻力功率也总是平衡 的。电动汽车所受运动阻力所消耗的功率有滚动阻 力功率 P f、空气阻力功率 Pw、坡度阻力功率 P i及 加速阻力功率 P j。假定风速为零, 将 ( 3) 式两边 乘以行驶速度, 经单位换算整理可得电动汽车功率 平衡方程式 (式中功率单位为 kW ) 如下 Pm = 1 �t mgfv3 600 + G iv3 600 + CDAv 3 76 140 + mv 3 600 dv dt ( 4) 设计中通常从保证预期的最高车速来初步选择 驱动功率。电动汽车在水平上匀速行驶时, 驱动力 用于克服滚动阻力和空气阻力 [ 6 ] , 驱动电机功率 应大体等于但不小于以设计最高车速行驶时行驶阻 力功率之和, 即 Pm = 1 �t mgf3 600vmax + CDA 76 140 v 3 m ax ( 5) 电机的瞬时功率 Pm 应满足车辆爬坡性能要求, 为 Pm = 1 �t mgfv3 600 + G iv 3 600 + CD Av 3 76 140 ( 6) 1�4� 最高车速 最高车速是指在无风条件下, 在水平、良好的 沥青或水泥路面上, 汽车所能达到的最大行驶速 度。最高车速越高, 要求的驱动电机功率也越大, 电动汽车的后备功率也就越大, 所以电动汽车的最 高车速实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能 力。在设计过程中, 电动汽车的最高车速计算公式 为 [ 7] vmax = 0�377r! nmax / itm in nm ∀ nmax F t ( nm ) # F ( v ) ( 7) 其中: 系统最小传动比 itm in, 驱动电动机的工作转 速 nm ( r /m in) , 驱动电动机以最大限流工作时车 辆获得的驱动力 F t (N ), 主驱动电动机的最高工 作转速 nmax ( r /m in)。满足上式的车速最大值即为 车辆最高车速 vmax。 1�5� 加速时间 电动汽车汽车加速时间包括汽车的原地起步加 速时间和超车加速时间。加速时间越短, 汽车的加 速性就越好, 整车的动力性也就提高。 1) 原地起步加速时间: 指汽车从静止状态 下, 由第一档起步, 并以最大的加速强度 (包括 节气门全开和选择最恰当的换挡时机 ) 逐步换至 高挡后, 达到某一预定的车速或距离所需要的时 间。目前, 常用 0~ 100 km所需的时间来评价。 2) 超车加速时间, 对提高汽车的平均行驶中 由某一车速开始, 用最高挡或次高挡全力加速至某 一高速所需要的时间, 用来表示汽车超车时的加速 能力。目前常用 48~ 112 km /h所需的时间来评价。 电动汽车加速时间计算式为 tf = 1 3�6∃v2v1 mF t - mgf�CDAv2 /21�15dv = 1 3�6∃vnv0 mF t - mgf�CDAv2 /21�15dv + 1 3�6∃v2vn mF t - mgf�CDAv2 /21�15dv vn = 0�377nn r / i0 F t = T am �t i0 /r v ∀ vn Tv�t i0 /r vn ∀ v ∀ v2 n = vi0 / (0�377r) ( 8) 式中: 加速行驶起始车速 v1, 电机额定转速对应车 速 vn, 加速行驶终止车速 v2, 单位均为 km /h。 1�6� 最大爬坡度 电动汽车的最大爬坡度, 是指满载时在良好路 面上用第一档克服的最大坡度。爬坡度用坡度的角 度值正切值的百分数来表示。电动汽车最大爬坡度 是指在满载, 在干燥硬实路面的条件下, 以最低档 所能通过的最大坡度。车辆爬坡度计算 [ 8- 9] : imax = tan �m ax = tan a rcsin F t - CDA v 2 a mg 1 + f 2 - arcsin f ( 9) 1�7� 传动比 传动比对电动汽车的动力性能和耗电经济性有 较大的影响。一般来说, 传动比越大, 加速性能和 爬坡能力较强, 而耗电经济性变差。但如果过大, 则不能发挥驱动电机的全部功率而达到应有的车 速。传动比越小, 最高车速较高, 耗电经济性较 48 � 第 5期 查鸿山等: 纯电动汽车动力匹配计算与仿真 好, 但加速性和爬坡能力较差。 车辆传动比 it为 it = ig i0 (10) i0, ig分别为主减速器速比和变速器速比。电动汽 车以最高车速行驶时, 以最小传动比的档位行驶, 在最大爬坡度时以最大传动比的档位行驶。电动汽 车最小传动比可由最高车速求取 [ 10- 12] , 为 itm in = 0�377 nmax r vm ax (11) 式中, nmax为电机最高转速。 确定最大传动比时, 要考虑三方面的问题: 最 大爬坡度、附着率和车辆最低稳定车速。当主减速 器 i0已知时, 确定最大传动比也就是确定变速器 1 档传动比 ig1。 ig 1 #mg (f cos �max + sin �max ) r T tqmax i0�T (12) 一般电动汽车应具有爬上 30%坡道的能力, 即 �# 16�7%。 2� 电动汽车设计实例 电动汽车在结构和动力系统放方面和传动汽车 有很大的不同, 为进一步降低电动汽车能耗, 在确 定方案时便明确了采用轻量化设计的铝合金底盘。 以中山大学工学院 ECUV纯电动汽车的研制为例, 整车的动力性能指标设计要求: &最高车速 vamax# 120 km /h; ∋ 最大爬坡度 i# 30%; ( 续驶里程 S # 150 km; )100 km 加速时间 tf ∀ 15 s。下表是 ECUV电动汽车整车参数: 表 1� ECUV整车参数 Table 1� Pa ram e ters of ECUV 满载质量 m 1 150 kg 迎风面积 A 1�6 m2 车轮半径 r 0�305 m 车轮滚动阻力系数 f 0�015 风阻系数 CD 0�3 质量转换系数 1�04 传动效率 � t 0�92 2�1� 电机选型 当最高车速为 120 km /h时, 根据式 ( 5) , 可 得 Pm = 17�2 kW。根据式 ( 6) , 坡度较大时, 驱 动电机输出主要用于克服爬坡阻力做功 P i。电机 的瞬时功率应满足爬坡性能的要求, 根据式 ( 6) 可得在不同车速和爬坡度是电动汽车牵引电机需求 功率, 如图 ( 1) 所示, 车速为 40 km /h, 爬坡度 为 30%时所需功率根据式 ( 6) 确定, Pm = 43�04 kW。选择专为电动汽车设计的 22 kW永磁同步电 机, 其主要参数: 额定电压 288 V, 额定功率 22 kW, 瞬时最大功率 49 kW, 额定转速 3 000 r/m in, 最高转速 5 000 r /m in, 额定扭矩 70�8Nm, 最大扭 矩 237 Nm。电机的额定功率满足最高车速要求, 电机的瞬时最大功率, 满足最大爬坡性能要求。 图 1� 坡度为 30%时驱动电机功率 F ig�1� T raction pow er dem anded at g radab ility 30% under va ry ing veh icle speed 本款电动汽车的设计针对于城市交通, 对于经 常在城市和良好公路上行驶的汽车, 最大爬坡度在 10%左右即可, 亦即 18%的爬坡度。图 2为坡度为 18%时驱动电机驱动功率, 车速为 60 km /h, Pm = 33�01 kW。该驱动电机功率完全可以满足城市交 通车速和爬坡度性能要求。 图 2� 坡度为 18%时对应不同车速的驱动电机功率 F ig�2� T raction pow er dem anded at g radab ility 18% 2�2� 传动比 最小传动比由公式 ( 11) 求得 itm in = 4�6; 由 公式 ( 12) 求得变速器 1档传动比 ig1 = 1�8。一般 驱动电机最高转速比都大于等于 2, 出于结构简化 考虑及电机可控性, 采用速比为 4�1的主减速器, 49 中山大学学报 (自然科学版 ) 第 49卷 � 无需单独配置变速器。 2�3� 加速时间 由式 ( 8) 计算 100 km 加速时间 tf = 6�75 + 7�13= 13�88 s, 其中 6�75 s和 7�13 s分别是恒转 矩区和恒功率区的加速时间。 3� 动力电池匹配与续驶里程仿真计算 电池组容量的选择一方面影响车辆行驶的续驶 里程, 另一方面也影响到车辆的整车质量和行驶动 力性。在初步设计中, 采用匀速法进行续驶里程初 步计算, 在后续设计中应用国标中规定的工况来仿 真校核续驶里程 [ 13 ]。 图 3� 车辆匀速行驶在水平路面的电机驱动功率 F ig�3� T raction pow er dem anded on smoo th ro ad under vary ing veh ic le speed 3�1� 匀速工况下续驶里程仿真计算 车辆在水平路面以 va匀速行驶功率需求为 P e = 2�08 kW, 考虑电机效率和传动效率, 驱动电机 输出功率应为 Pm = F t v / ( 3�6�m ) (13) 式中, 电机控制器输入功率 Pm, 车轮驱动力 F t, 电机与电机控制器总成效率 �m。测试平台上测得 对应该转速及负载的 �m = 0�80。动力电池数 ncell依 下式求得 ncell = 1 000Pm Cb atUcell�d is! S v (14) 式中: 动力电池数 ncell, 续驶里程 S ( km ), 电池 额定容量 C bat (AH ) , 单体动力电池平台工作电压 U cell, 动力电池允许放电深度 �d is。 动力电池采用 80 AH 的磷酸铁锂电池, 平台 工作电压为 3�2 V, 允许放电深度为 0�9。图 4为 M atlab /Simu link环境下, 与不同车速和续驶里程相 匹配的动力电池数仿真结果。 由图可知, 车速为 60 km /h, 续驶里程为 250 km时所需动力电池数为 78。综合考虑电池的老化 图 4� 不同续驶里程所需动力电池数目 F ig�4� B attery num ber va ries w ith the dr iv ing range 及其不均衡性, 以及电池包结构设计和电机额定电 压的匹配, 确定电池包单体动力电池总数为 88块。 3�2� NEDC工况下的续驶里程仿真计算 国标采用 NEDC (欧洲循环工况 ) 来进行续驶 里程的测试 [ 11]。在 Matlab /S imu link下建立仿真模 型, 应用 NEDC循环工况进行仿真计算, 在暂不考 虑能量回馈时的仿真结果如图 5, 图中给出了瞬时 车速、扭矩、功率、行驶里程与行驶时间的关系, 该工况循环下的续驶里程为 170 km。 图 5� NEDC工况仿真 F ig� 5� S imu lation results on NEDC cycle 4� 结 � 论 结合中山大学工学院 ECUV电动汽车的研制, 根据整车动力性能要求, 通过理论仿真计算, 对机 电传动系统进行匹配计算, 使电机输出、动力电池 容量与整车动力特性合理匹配。计算结果表明, 以 锂离子电池为能源的电动汽车的加速性爬坡能力、 最大车速、续驶里程等动力性指标满足设计要求, 验证了仿真模型的正确性和有效性, 为电动汽车的 设计、动力性能预测和分析提供了一种有效方法和 手段。 50 � 第 5期 查鸿山等: 纯电动汽车动力匹配计算与仿真 参考文献: [ 1] � 陈清泉, 路甬祥, 詹宜巨. 21世纪的绿色交通工具 [ M ]. 广州:暨南大学出版社. 2000. [ 2] � CHAN C C. 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