純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車(chē)控制策略研究分析

杜嗣琢　朱有地　楊福生　陳永哲

摘 要：由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)越來(lái)越重視綠色環(huán)保。因此，各種交通運(yùn)輸也出現(xiàn)了環(huán)保的理念，純電動(dòng)汽車(chē)逐漸發(fā)展起來(lái)。純電動(dòng)汽車(chē)是一種新能源汽車(chē)。綠色和可充電電池提供動(dòng)力源汽車(chē)的發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。根據(jù)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力參數(shù)匹配，探討純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力參數(shù)匹配目標(biāo)和匹配任務(wù)、純電動(dòng)汽車(chē)基本參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)、純電動(dòng)汽車(chē)性能仿真參數(shù)優(yōu)化;同時(shí)，根據(jù)整車(chē)控制策略的研究，對(duì)整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制、能源系統(tǒng)控制、輔助系統(tǒng)控制進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);動(dòng)力系統(tǒng);參數(shù)匹配;整車(chē)控制;策略

1 引言

純電動(dòng)汽車(chē)秉承綠色環(huán)保理念。一般純電動(dòng)汽車(chē)的組成包括：電力驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)裝置以及執(zhí)行既定任務(wù)的工作裝置等。通常，純電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)可充電電池以提供電能，然后將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。對(duì)于純電汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)，一般是采用直流電機(jī)，十分符合綠色環(huán)保理念，汽車(chē)使用效率極高、可靠性良好。本文的綜述希望為純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展提供參考。

2 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力參數(shù)匹配

2.1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力參數(shù)匹配目標(biāo)和匹配任務(wù)

目前，純電動(dòng)汽車(chē)在城市中得到廣泛應(yīng)用，例如：新能源公交車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等?；谛履茉措妱?dòng)汽車(chē)的性能指標(biāo)，本文對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行匹配，以提高純電動(dòng)汽車(chē)的性能，同時(shí)，探索動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，以提升該車(chē)型的動(dòng)力性能，見(jiàn)表1。

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力參數(shù)匹配任務(wù)主要用于動(dòng)力系統(tǒng)某些部件的參數(shù)計(jì)算。本文采用的該車(chē)能外接充電，有純電動(dòng)模式;該車(chē)可選裝空調(diào)，空調(diào)車(chē)車(chē)高為3180mm;該電動(dòng)汽車(chē)的電池類(lèi)型和生產(chǎn)企業(yè)分別為：磷酸鐵鋰蓄電池和寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司;電機(jī)額定功率為80kw，峰值功率為135kw;該車(chē)的ABS型號(hào)及生產(chǎn)企業(yè)分別為：4460064300和威伯科汽車(chē)控制系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司。

2.2 純電動(dòng)汽車(chē)基本參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

純電動(dòng)汽車(chē)的整體性能參數(shù)主要包括汽車(chē)動(dòng)力性能指標(biāo)和車(chē)輛行駛距離。純電動(dòng)汽車(chē)的基本系統(tǒng)參數(shù)是汽車(chē)主要的性能之一，影響汽車(chē)的安全性和汽車(chē)行駛的距離。純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能指標(biāo)主要有：汽車(chē)行駛的最大速度和最大加速度。純電動(dòng)汽車(chē)的基本參數(shù)包括汽車(chē)的基本系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源是可充電電池，本文純電動(dòng)汽車(chē)的電池是鋰離子電池。衡量純電動(dòng)汽車(chē)電池的主要性能指標(biāo)是：比能量、比功率、能量密度、循環(huán)壽命和成本等。作為一種新型高電壓、高能量密度的可充電電池，鋰離子二次電池突出的特點(diǎn)是：重量輕、儲(chǔ)能大、無(wú)污染、無(wú)記憶效應(yīng)、使用壽命長(zhǎng)。在相同的體積重量情況下，鋰離子電池的蓄電能力是鎳氫電池的1.6倍，是鎳鎘電池的4倍。人類(lèi)只開(kāi)發(fā)和利用了其理論電量的20%～30%，發(fā)展前景非常光明。同時(shí)，它是一種真正的綠色電池，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是純電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵零件，，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具備：調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、質(zhì)量小、體積小、效率高且動(dòng)態(tài)制動(dòng)性強(qiáng)等特性，才能使其具有較優(yōu)異的使用性能。

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)和電池匹配參數(shù)。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配主要包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率和額定功率，最大功率和額定功率可以決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能，并且它將對(duì)汽車(chē)本身的整車(chē)性能產(chǎn)生更大的影響。對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，汽車(chē)的最高速度由額定功率控制，因此，目前純電動(dòng)汽車(chē)一般更適合城市。因?yàn)樵诔鞘兄校梢宰畲笙薅鹊叵拗破?chē)的速度，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保的理念。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的行駛速度達(dá)到最大值時(shí)，汽車(chē)的功率將會(huì)達(dá)到最大值，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將達(dá)到最大值。并且，由于城市中對(duì)汽車(chē)的速度有限制，因而普通電動(dòng)汽車(chē)的功率將低于額定功率，并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將低于額定轉(zhuǎn)速。電池參數(shù)匹配主要包含排列的電池?cái)?shù)量和電池的電壓值。一旦確定了電池組的數(shù)量，電池的最大輸出功率必須滿足純電動(dòng)汽車(chē)的最大功率，確保電池能夠保持汽車(chē)的最大功率輸出。

2.3 純電動(dòng)汽車(chē)性能仿真

基于整車(chē)的布局和設(shè)計(jì)，我們使用ADVISOR 軟件，該軟件廣泛用于模擬純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能，以執(zhí)行模擬計(jì)算。然后建立整車(chē)的仿真模型以及電動(dòng)機(jī)、電池和減速器等部件的仿真模型。建立仿真模型的基本步驟主要包括：選擇車(chē)輛、選擇部件模型，以及各部件間的機(jī)械、電器、信號(hào)等的連接，然后輸入各模塊的主要參數(shù)。

同時(shí)，我們必須考慮電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的不同工作特性。但是，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載時(shí)間不易太長(zhǎng)，如果過(guò)載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)和電池過(guò)熱，產(chǎn)生更多能量損失，對(duì)電動(dòng)機(jī)和電池使用壽命有影響。因此，應(yīng)盡量避免電動(dòng)機(jī)的過(guò)載工作。

當(dāng)模擬純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能時(shí)，電動(dòng)機(jī)的額定功率被用作電機(jī)輸出功率以估算整車(chē)的最大車(chē)速。電機(jī)的峰值功率用于估計(jì)整車(chē)的加速時(shí)間以及最大爬坡度。若要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)所需求的最高車(chē)速，則電機(jī)將長(zhǎng)期處于過(guò)載狀態(tài)，從上文可知長(zhǎng)期過(guò)載會(huì)影響電動(dòng)機(jī)和電池的使用壽命使整車(chē)經(jīng)濟(jì)性變差。

3 整車(chē)控制策略研究

3.1 整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制

純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成，并通過(guò)高、低壓線束和冷卻管連接到整車(chē)的其他系統(tǒng)。

3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

純電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括：直流電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。主要介紹直流電動(dòng)機(jī)，它具有效率高、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是動(dòng)力系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的載體。它依靠?jī)?nèi)置的旋轉(zhuǎn)變壓器和溫度傳感器來(lái)提供電機(jī)的工作信息，并將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給電機(jī)控制系統(tǒng)。

3.1.2 電機(jī)控制系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)矩控制模式和轉(zhuǎn)速控制模式。車(chē)輛控制器通過(guò)發(fā)送的控制模式選擇確定電機(jī)控制器的控制模式。在轉(zhuǎn)矩控制模式下，整車(chē)控制器向電機(jī)控制器發(fā)送消息：電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值、電機(jī)運(yùn)行方向及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式。在轉(zhuǎn)速控制模式下，由整車(chē)控制器發(fā)送到電動(dòng)機(jī)控制器的信息變?yōu)殡姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)速值、電機(jī)運(yùn)行方向和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式等。電機(jī)控制器提供的狀態(tài)信息有：電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩極限值、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式、電機(jī)運(yùn)行電流和電壓值、電機(jī)溫度信息、風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)及水泵運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)控制器還可以提供相應(yīng)的故障信息包括：直流側(cè)電壓故障、散熱器過(guò)熱、過(guò)流、超載及超速等。

3.2 能源系統(tǒng)控制

純電動(dòng)汽車(chē)能源管理系統(tǒng)主要是用于協(xié)調(diào)、分配和控制動(dòng)力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換裝置的工作量的軟硬件系統(tǒng)。不同類(lèi)型的純電動(dòng)汽車(chē)具有不同的能源管理系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換裝置由電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)、電池、功率轉(zhuǎn)換模塊和動(dòng)力傳遞裝置組成，能源傳輸路線主要包括：由電池到車(chē)輪、從車(chē)輪到電池兩條，其能源管理系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的。其主要任務(wù)是在滿足汽車(chē)動(dòng)力需求的前提下，最有效的利用電池的儲(chǔ)能，使汽車(chē)的減速并最大限度的回收制動(dòng)得到的能量，使汽車(chē)的能量效率最大。純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車(chē)與之相似?；旌蟿?dòng)力燃料電池汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，其能量轉(zhuǎn)換裝置通常有電力轉(zhuǎn)換裝置、功率變換模塊、能量?jī)?chǔ)存裝置、充電和放電裝置、電力傳遞裝置和動(dòng)力傳輸裝置等。其能量傳遞路線包括：（1）由蓄電池到車(chē)輪;（2）由發(fā)電裝置到車(chē)輪的動(dòng)力傳遞路線;（3）由車(chē)輪到能量?jī)?chǔ)存裝置的能量流動(dòng)路線（能量回收）;（4）由發(fā)電裝置到能量?jī)?chǔ)存裝置。

3.3 輔助系統(tǒng)控制

對(duì)于普通車(chē)輛，由于檔位、加速器踏板等的故障，可能發(fā)生車(chē)輛的不期望的加速、減速或者倒車(chē)。在主電機(jī)和控制器發(fā)生故障的情況下，除了控制器自身的保護(hù)關(guān)閉停機(jī)外，車(chē)輛控制器還會(huì)將其控制器的啟用信號(hào)和油門(mén)減少到0，行使其保護(hù)功能。當(dāng)電氣連接斷開(kāi)時(shí)，信號(hào)處于開(kāi)路模式，信號(hào)為0，不會(huì)對(duì)車(chē)輛造成危險(xiǎn);在通信方面，采用通信超時(shí)技術(shù)來(lái)確保通信線斷開(kāi)引起的通信故障，不會(huì)對(duì)車(chē)輛造成危險(xiǎn)。在車(chē)輛高壓電的總回路中串接有手動(dòng)空氣斷路器保證在系統(tǒng)過(guò)流等故障時(shí)能斷開(kāi)高壓電。但是，對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，現(xiàn)有的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部件不能滿足電動(dòng)汽車(chē)的輔助控制需求。它經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛轉(zhuǎn)向不足或制動(dòng)不足，影響車(chē)輛的行駛安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配和整車(chē)控制策略。以威伯科新能源客車(chē)為例，列出了純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。同時(shí)還描述了純電動(dòng)汽車(chē)基本參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，并根據(jù)其汽車(chē)性能進(jìn)行了仿真。在整車(chē)控制策略時(shí)主要描述了：整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制、能源控制和輔助控制。希望本文的內(nèi)容可以應(yīng)用到實(shí)際工作中去。

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