基于ADVISOR設(shè)計(jì)的雙電源系統(tǒng)

武玉慧 馬國(guó)清 于汶陽(yáng) 田元青 張軍

摘 要：文章在現(xiàn)有動(dòng)力電池的性能基礎(chǔ)上，提出雙電源系統(tǒng)優(yōu)化電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能。雙電源系統(tǒng)主要包括主電源模塊和副電源模塊，主電源模塊給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供能，副電源模塊主要給汽車電器系統(tǒng)供能。以北汽的EU260純電動(dòng)汽車參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了雙電源系統(tǒng)，并且利用ADVISOR軟件驗(yàn)證其動(dòng)力性能，結(jié)果表明該方案可有效地提升純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能。

關(guān)鍵詞：雙電源系統(tǒng)；純電動(dòng)汽車；動(dòng)力性；ADVISOR

中圖分類號(hào)：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-09-03

Abstract： Based on the performance of existing batteries， this paper proposes a dual power system to optimize the dynamic performance of electric vehicles. The dual power system mainly includes a main power module and a sub power module. The main power module mainly supplies power to the drive motor， and the auxiliary power module mainly supplies power to the automobile electrical system. Based on the parameters of BAIC motors EU260 pure electric vehicle， a dual power system was designed and its dynamic performance was verified by ADVISOR software. The results show that the scheme can effectively improve the dynamic performance of pure electric vehicles.

Keywords： dual power supply system； pure electric vehicle； ADVISOR

CLC NO.： U469.7 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-09-03

前言

2016年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，標(biāo)志著我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速的發(fā)展時(shí)期。到2018年國(guó)家“雙積分”政策的實(shí)施，純電動(dòng)汽車作為未來(lái)純凈能源汽車的代表，其發(fā)展前景備受關(guān)注。但是就目前而言，純電動(dòng)汽車的性能依然受制于動(dòng)力電池。在上述技術(shù)線路圖的“1+7”總體框架中，將純電動(dòng)汽車列為重點(diǎn)的發(fā)展對(duì)象。

對(duì)于現(xiàn)在純電動(dòng)汽車而言，動(dòng)力電池是其整車的能量來(lái)源。動(dòng)力電池性能的好壞將直接影響整車的性能，電路布局也會(huì)對(duì)汽車性能產(chǎn)生影響。雖然近幾年中動(dòng)力電池的發(fā)展比較迅猛，最明顯的是三元鋰電池的普及應(yīng)用，可現(xiàn)在純電動(dòng)汽車的續(xù)航性能依然無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)燃油車的程度。本文將通過(guò)優(yōu)化電池能量供給方案，合理利用汽車電池組的有限能量，提升汽車的動(dòng)力性能。

雙電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想來(lái)源于夏天駕駛汽車的感受，當(dāng)車內(nèi)空調(diào)開啟時(shí)，傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力性能明顯降低。對(duì)于純電動(dòng)汽車影響更為嚴(yán)重，為此很多司機(jī)在開車時(shí)，不敢開啟空調(diào)，背離駕駛的樂(lè)趣。因此，設(shè)計(jì)雙電源系統(tǒng)改善駕駛體驗(yàn)，提高動(dòng)力性能。

1 雙電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量來(lái)自于主電源模塊，而副電源模塊的功能是為汽車電器提供能量。當(dāng)主電池組的電能充足時(shí)，副組件不會(huì)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量。但是當(dāng)主電池模塊電能不足時(shí)，其副電池組就會(huì)相應(yīng)的參與驅(qū)動(dòng)電機(jī)能量供給，這時(shí)主、副電池模塊將同時(shí)提供能量供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)使用主、副電池模塊方案，在行車使用汽車電器時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量并不受干擾。這樣可以提高汽車行駛的平順性，避免使用汽車電器影響汽車的驅(qū)動(dòng)性能。在充電方式上，主電池模塊供電來(lái)自于外部充電補(bǔ)給，而汽車制動(dòng)時(shí)的回收能量將會(huì)補(bǔ)充給副電池模塊，若未充滿時(shí)將由外部充電裝置補(bǔ)給。結(jié)構(gòu)如下圖1所示?，F(xiàn)在三元鋰離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)充電壽命在1500次左右。在駛過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)地將制動(dòng)反饋的能量?jī)?chǔ)存于副電源模塊中，既可以避免主電源模塊放電的同時(shí)又要被充電，也有利于動(dòng)力電池放電過(guò)程中，動(dòng)力電池的能量均衡便于控制，其壽命會(huì)得到保護(hù)。

主電池模塊的能量供給于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，則主電池組的所需的放置空間需求也比較大。為提高汽車的操縱性能，降低其車輛的質(zhì)心高度，將主電池組放置于汽車底盤上。而副電池組的體積比較小，由于使用條件決定，要便于更換，則將其放置于其車前艙。其布置圖如下如2所示。

2 電池模塊方案設(shè)計(jì)

2.1 主電池模塊方案設(shè)計(jì)

為了便于比較其性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中將采用下表1、2為北京汽車的EU260的整車參數(shù)和驅(qū)動(dòng)力參數(shù)。

根據(jù)這兩個(gè)表的數(shù)據(jù)要求，設(shè)計(jì)汽車所需的電源模塊的參數(shù)，其設(shè)計(jì)性能必須滿足于其經(jīng)濟(jì)性能。

表1 EU260整車參數(shù)

表2 EU260驅(qū)動(dòng)力參數(shù)

由于主電源的能量用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的日常行駛，因此根據(jù)60km/h等速工況法可計(jì)算出主電池的容量。第一步先推算出等速60km/h時(shí)所需的功率，根據(jù)公式如下：

式中：Pb為等速功率，單位kW；ub取為60km/h；ηT為傳動(dòng)系機(jī)械效率，本文中取為0.9；m為汽車滿載質(zhì)量，單位kg；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，單位m?。

根據(jù)上文的數(shù)據(jù)計(jì)算的，Pb=8.19kW。

第二步計(jì)算主電源的需求能量，計(jì)算公式如下：

式中：s為汽車等速行駛里程，單位km；W為主電源能量容積，單位kW·h。

根據(jù)上述參數(shù)，計(jì)算的W=31.9kW·h。根據(jù)上文中計(jì)算所得出數(shù)據(jù)，選擇233V的平臺(tái)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的額定電壓，最終電池容量為160Ah。本文中采用的18650鋰電池，單節(jié)電芯容量為2.0Ah，3.7V為額定電壓，所以主部件的形式為63并80串，采用5040顆電芯。最終W取其能量為37.2 kW·h。

2.2 副電池模塊設(shè)計(jì)

副電源模塊主要供電于車載輔助電器，車載空調(diào)可以說(shuō)是車載附件中電量消耗最大的部件。在設(shè)計(jì)副電源部件時(shí)，最低的要求是滿足車載空調(diào)的使用，對(duì)于傳統(tǒng)汽車，其車載空調(diào)無(wú)需制熱，純電動(dòng)汽車中并不具備這樣的條件也就相應(yīng)的增加了副電源組容量。不管制冷或制熱都通過(guò)空調(diào)進(jìn)行，則車載空調(diào)的使用需求量就會(huì)加大，在設(shè)計(jì)副電源組時(shí)，應(yīng)著重注意這一方面。

北京汽車公司的純電動(dòng)汽車的車載附件將只會(huì)設(shè)計(jì)車載空調(diào)和車燈等基本部件。其不同車所載的輔助電器部件不同，但是其計(jì)算方法與如下相似。車載空調(diào)的功率一般在2kW左右，設(shè)定44.4V為副電池組的額定電壓，則副電池組的容量應(yīng)大于47.6Ah。為滿足于車載設(shè)備的需要，設(shè)定副電池組的容量為50Ah。綜上，副電池組的形式為12并25串，一共采用360顆電芯。計(jì)算的副電池模塊的W=2.22kW·h。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

上述通過(guò)計(jì)算得出主電源的容量37.2kW·h，副電源的容量W=2.22kW·h，其一共所需39.42 kW·h。然而其北汽的純電動(dòng)汽車的電池容量為41.4 kW·h。在電池方面，新的結(jié)構(gòu)方案在滿足其性能的前提下具有更大的經(jīng)濟(jì)性能。

本文中采用ADVISOR軟件進(jìn)行驗(yàn)，ADVISOR軟件中并不具備其相應(yīng)的模型。根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)重新編寫M文件。在添加負(fù)載的情況下，根據(jù)ECE-EUDC循環(huán)工況測(cè)定，其相應(yīng)參數(shù)的結(jié)果如下圖3。

通過(guò)循環(huán)工況運(yùn)行圖可以看出，該車可以跑完25個(gè)ECE-EUDC循環(huán)工況，可以證明該車的續(xù)航里程超過(guò)北汽的純電動(dòng)汽車。通過(guò)仿真結(jié)果圖3，整理數(shù)據(jù)如下表3。

通過(guò)表3可以清晰的看出，雙電源系統(tǒng)方案的性能優(yōu)勢(shì)比較明顯。續(xù)航里程、最高時(shí)速和加速時(shí)間方面均有明顯的提升。尤其在0～100km/h加速時(shí)間提高比較明顯，這樣可以提升駕駛體驗(yàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)采用主、副電源模塊供給能量，在其負(fù)載開啟時(shí)，其加速性能并不受影響而且其加速性能得到提升，這說(shuō)明雙電源系統(tǒng)方案可以提升駕駛性能。

通過(guò)雙電源系統(tǒng)方案，其主電源模塊的電池并不會(huì)受能量回收的影響，充放電過(guò)程得到較好的保護(hù)，并且在保持原電池能量大小的前提下，其驅(qū)動(dòng)能力的得到提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃志堅(jiān)，電動(dòng)汽車.結(jié)構(gòu)·原理·應(yīng)用.[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 2014.

[2] 胡驊，宋慧.電動(dòng)汽車.[M]北京：人民交通出版社，2012.

[3] 曾小華，宮維鈞.ADVISOR 2002電動(dòng)汽車仿真與再開發(fā)應(yīng)用[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版，2014.

[4] 潘磊.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及仿真優(yōu)化研究.[D]長(zhǎng)安大學(xué).碩士論文.2015.

[5] 吳秋德.電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)及性能仿真研究.[D]吉林大學(xué).碩士論文.2011.

[6] 伍岳，仇磊.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制策略研究綜述.[J]汽車實(shí)用技術(shù). 2014.No.3：1-7.

[7] 白枚.智能控制理論綜述.[J]華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào).2001.