某純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真分析

黃鼎友，曾文杰，曾發(fā)林

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013 )

0 引言

純電動(dòng)汽車在保護(hù)環(huán)境、改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、減輕城市噪聲污染等方面都有非常大優(yōu)勢(shì)，所以積極發(fā)展純電動(dòng)汽車具有非常重要的意義[1]。但在我國(guó)，甚至在世界上純電動(dòng)汽車的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順，在電動(dòng)汽車方面的諸多難題沒有得到有效解決。比如在電池技術(shù)方面，電池質(zhì)量大、成本高、充電速度慢、比能量低、SOC估算不準(zhǔn)等難題一直困擾著汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)實(shí)驗(yàn)室成功研制出了石墨烯，但想要在汽車上普及石墨烯電池還有很長(zhǎng)的路要走。由于短期內(nèi)在電池技術(shù)方面很難取得重大進(jìn)展，所以對(duì)汽車從業(yè)人員來說運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)提高電動(dòng)汽車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性變得很重要。整車廠的核心技術(shù)也體現(xiàn)在動(dòng)力系統(tǒng)匹配的能力上，將傳統(tǒng)汽車的匹配思路嫁接到新能源汽車方面是改善汽車動(dòng)力性(最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度)和經(jīng)濟(jì)性(續(xù)駛里程)的重要突破口[2]。

縱觀前人的研究，大部分的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)采用高電壓電池以滿足汽車的動(dòng)力性能要求，但高電壓對(duì)汽車電路元器件的要求更高，且對(duì)人們的用電安全有影響。本文設(shè)計(jì)采用輔能源單變換器并聯(lián)的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的低電壓電池作為電動(dòng)車的動(dòng)力源，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算。通過在ADVISOR軟件環(huán)境下建模仿真，驗(yàn)證該匹配方案符合設(shè)計(jì)要求。

1 汽車主要參數(shù)及性能指標(biāo)選取

根據(jù)某電動(dòng)汽車的市場(chǎng)定位，在參考了市場(chǎng)上同類型車的設(shè)計(jì)后，確定了以電動(dòng)機(jī)作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，整車參數(shù)和動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性參數(shù)見表1、表2。

表1 純電動(dòng)汽車整車參數(shù)

續(xù)表1

表2 純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求

2 整車參數(shù)匹配計(jì)算

2.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算

a) 電動(dòng)機(jī)峰值功率與額定功率的確定

汽車不同行駛工況下，汽車行駛功率平衡方程為：

(1)

(2)

(3)

式中：Pe為根據(jù)最高車速確定的電動(dòng)機(jī)功率；M為汽車滿載質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；umax為最高車速；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；Pimax為根據(jù)最大爬坡度確動(dòng)定的電機(jī)功率；ua汽車低速爬坡車速，這里取20km/h；imax為最大爬坡度；Ptmax為根據(jù)加速時(shí)間確定的電機(jī)功率；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，計(jì)算時(shí)取值1.04。

電動(dòng)機(jī)功率必須滿足汽車動(dòng)力性要求，即上面3個(gè)公式要同時(shí)滿足。由最大車速算得額定功率為14.4kW，實(shí)際選取的電動(dòng)機(jī)功率為16.5kW。計(jì)算得到Pimax為11.75kW，由加速性能要求求得Ptmax為42kW。汽車以最高車速行駛時(shí)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)[5]。取加速時(shí)間和最大爬坡度結(jié)果的最大值作為電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的最大功率。

b) 電動(dòng)機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的確定

電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩表示為:

(4)

Tmax=λ·Te

(5)

式中：Te表示驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的的額定轉(zhuǎn)矩(N·m)；ne表示電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min)；Tmax表示電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩(N·m)，過載系數(shù)λ，一般取2～3。

c) 電動(dòng)機(jī)額定電壓的確定

電動(dòng)機(jī)額定電壓越高百公里耗電量越低，但需要串聯(lián)更多電池，電池的增加會(huì)增加汽車質(zhì)量，降低汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。高電壓會(huì)對(duì)導(dǎo)線、元器件的性能提出更高的要求。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和某公司實(shí)際情況，選擇額定電壓為108V。

d) 參數(shù)計(jì)算

在ADVISOR內(nèi)存在不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的電動(dòng)機(jī)功率，轉(zhuǎn)矩和功率存在下列關(guān)系：

(6)

以轉(zhuǎn)矩T0=5N·m為初始值；步長(zhǎng)θ1=10N·m；終止值T15=145N·m；轉(zhuǎn)速n0=500r/min,步長(zhǎng)θ2=500r/min,終止值n11=6 000r/min。根據(jù)公式求得不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速下的功率，再根據(jù)等值線圖結(jié)合讀圖軟件Gatedata尋找該功率、轉(zhuǎn)速下的電動(dòng)機(jī)效率。

由計(jì)算結(jié)果，所選電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表3所示。

表3 電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

2.2 電池參數(shù)計(jì)算

a) 蓄電池節(jié)數(shù)的確定

電機(jī)已經(jīng)選定，蓄電池的電壓必需達(dá)到電機(jī)電壓的需求。串聯(lián)單體電池的個(gè)數(shù)影響著蓄電池標(biāo)稱電壓。確定的電機(jī)電壓為108V，所以確定單體電池節(jié)數(shù)N1可按以下公式：

N1V1=108

(7)

式中,N1表示蓄電池節(jié)數(shù)；V1表示蓄電池電壓(V)。

b) 蓄電池容量的確定

根據(jù)蓄電池容量要滿足汽車?yán)m(xù)駛里程的要求這一原則，采用等速(60km/h)原理可求得蓄電池消耗的總能量[6]。為了防止過放電對(duì)蓄電池的傷害，規(guī)定電池的放電深度為DOD=80%[7]。由以下公式確定電池容量：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Pm表示汽車等速(60km/h)行駛時(shí)的功率；S為汽車?yán)m(xù)駛里程要求(km)；W為電池可用能量(kW·h)；ur為電動(dòng)汽車行駛速度(km/h)；Pm為汽車等速行駛時(shí)所需功率(kW)；t為機(jī)械效率，本文取0.9；M為汽車質(zhì)量(kg)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；W為單個(gè)串聯(lián)電池組可用電量；Q為電池總?cè)萘?Ah)；Ubat為蓄電池單體電壓(V)；N1求得為30。

根據(jù)本文設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合工況下的續(xù)駛里程為100km,根據(jù)分析可得蓄電池容量應(yīng)>100Ah。

動(dòng)力電池技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 動(dòng)力電池技術(shù)參數(shù)

2.3 超級(jí)電容參數(shù)設(shè)計(jì)和選型分析

由雙向DC/DC變換器的效率分析可知DC/DC變換器兩側(cè)的蓄電池和超級(jí)電容的壓差越小，DC/DC變換器的效率越高。為了有效利用變換器的效率，所以在進(jìn)行復(fù)合電源參數(shù)匹配分析時(shí)，應(yīng)該讓超級(jí)電容組的電壓和蓄電池組的電壓接近。按照分析，超級(jí)電容容量應(yīng)該滿足的約束條件為:

N2V2?108

(12)

(13)

V2×C2≥Pmax

(14)

式中：V2為超級(jí)電容單體的電壓；N2為超級(jí)電容單體的個(gè)數(shù)；t為峰值助力時(shí)間，取值為10s；N2ser為超級(jí)電容串聯(lián)的個(gè)數(shù)；N2par為超級(jí)電容并聯(lián)的個(gè)數(shù)；Vmax為超級(jí)電容單體的最高電壓，取值為3V；Vmin超級(jí)電容單體的最低電壓，取值為1.5V；DOD電容放電深度；Pmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率，取值為42kW；C2表示超級(jí)電容容量；Pave為驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電源的平均功率需求，取值為5.4kW。

因此通過公式(14)可得超級(jí)電容的容量C2為3 000F。表5是超級(jí)電容的主要參數(shù)表。

表5 超級(jí)電容參數(shù)

2.4 傳動(dòng)比計(jì)算

輸出特性一定時(shí)，傳動(dòng)系的參數(shù)選擇應(yīng)該能夠滿足汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)要求[8]?？倐鲃?dòng)比i應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(15)

i=igi0

(16)

(17)

(18)

式中，i0為主減速的傳動(dòng)比；ig為變速器的傳動(dòng)比；nmax為電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速；umax為最高車速；r為車輪有效半徑；FuMax為最高車速時(shí)行駛阻力；Tnmax為電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速工作的輸出的轉(zhuǎn)矩；t為系統(tǒng)的傳動(dòng)效率；Fimax為最大爬坡度對(duì)應(yīng)的行駛阻力；Tmax為電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩。經(jīng)計(jì)算傳動(dòng)比范圍為5.35≤i≤6.17，于是采用單機(jī)減速器的i計(jì)算取值5.9。

3 仿真模型及結(jié)果分析

基于ADVISOR復(fù)合電源純電動(dòng)汽車頂層模型如圖1所示，仿真工況為歐洲CYC_NEDC、美國(guó)的CYC_UDDS以及中國(guó)典型城市循環(huán)工況，仿真結(jié)果以UDDS工況為例進(jìn)行分析。

圖1 基于ADVISOR復(fù)合電源純電動(dòng)汽車頂層模型

3.1 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果分析

圖2為UDDS工況下ADVISOR仿真導(dǎo)出結(jié)果，可得：0～50km/h加速時(shí)間為4.9s；最高車速102.4km/h，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求100km/h；車速20km/h的爬坡度25%，實(shí)際車速基本都能跟隨工況車速。表6為4種工況下的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能結(jié)果對(duì)比。3種工況下的動(dòng)力性一致，說明動(dòng)力性和設(shè)定的仿真工況無(wú)關(guān)。等速60km/h工況下續(xù)駛里程為139.3km,達(dá)到要求。

圖2 UDDS工況下ADVISOR仿真結(jié)果

3.2 電池和電動(dòng)機(jī)性能結(jié)果分析

圖3和圖4分別為電池的放電和充電效率圖，由圖可知蓄電池具有良好的充放電特性。圖5為電動(dòng)機(jī)工作效率圖，可以看出電動(dòng)機(jī)主要工作在高功率范圍內(nèi)。

圖3 電池的放電效率

圖4 電池的充電效率

圖5 電動(dòng)機(jī)工作效率

循環(huán)工況0～50 km/h加速時(shí)間/s0～100 km/h加速時(shí)間/s最大加速度/(m/s2)最高車速/(km/h)20 km/h爬坡度/(%)續(xù)駛里程/km百公里消耗電能/(kW·h)UDDS工況4.912.02.9102.325110.014.7CHINA工況4.912.02.9102.325116.813.8NEDC工況4.912.02.9102.325102.415.8恒速60 km/h139.311.6

4 結(jié)語(yǔ)

以某純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，以傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)思路為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)確定了動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。介紹了動(dòng)力性系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)計(jì)算要求，確定了各個(gè)部件參數(shù)。在設(shè)計(jì)邏輯門限控制策略以及雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，搭建了純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)各組成部分的數(shù)學(xué)模型。在ADVISOR環(huán)境下對(duì)某純電動(dòng)的車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的各項(xiàng)指標(biāo)的合理性。結(jié)果也表明電機(jī)在較高工作效率區(qū)間工作且電池具有良好的充放電特性。為純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能設(shè)計(jì)提供了一種高效可行的方法。

本文對(duì)某采用復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)汽車進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)與仿真，其中傳動(dòng)比采用固定傳動(dòng)比。后期工作可利用多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行多檔位電動(dòng)汽車傳動(dòng)比仿真優(yōu)化，采用合理的優(yōu)化算法進(jìn)行計(jì)算。