第六讲--纯电动汽车动力系统匹配设计---副本

纯电动汽车设计周维车辆工程系课时要点EV原理与结构概述电驱动系统匹配设计动力电池匹配设计整车建模与仿真介绍高低压电气系统原理与设计整车控制策略设计EV的基本构成（区别于传统汽车）车辆控制器电力电子变换器电机机械传动装置能量管理单元能源辅助电源功率控制单元能量的燃料供给单元温度控制单元车轮制动踏板加速踏板方向盘车轮电动机驱动子系统能源子系统辅助子系统能源MGBDCMFBDMFGDMFGFGMFGFGMMMMC:离合器；D:差速器；FG:固定速比变速箱；GB:变速箱；M:电机可能的EV结构形式电机-AMT驱动系统电机整车控制器电机控制器AMT控制器CANBus250K驾驶员加速信号制动信号车轮AMT……电机-AMT驱动系统控制策略（离合器？）换挡过程电机工作模式控制策略换挡前转矩模式根据踏板信号输出目标力矩摘空挡自由模式目标力矩为0，电机自由旋转等待同步调速模式给定目标转速换挡操作自由模式目标力矩为0，电机自由旋转换挡完成转矩模式根据踏板信号输出目标力矩轮毂电机驱动制动鼓轴承行星齿轮车轮轮胎轮胎轮辐编码器轴承电机绕组电机绕组PMPM轮辐制动鼓车轮高速内转子电机：必须装固定速比的减速器来降低车速。轮毂电机驱动低速外转子电机：去掉变速装置，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电机转速和车轮转速相等。电机体积和重量大、成本高轮胎轮辐PM电机绕组编码器制动鼓轴承轮胎轮辐PM电机绕组制动鼓轴承车轮车轮动力系统匹配设计的基本方法工程上通常采用理论计算和仿真校验的方法对动力驱动系统的主要参数进行匹配设计。即根据设计指标，基于汽车理论和各部件特性的相关知识进行理论计算，初步得到各部件的主要参数，然后在专业软件或自行搭建的性能仿真模型中对匹配得到的参数进行校验，进一步核实所匹配参数的准确性。性能指标理论计算仿真校验T_driveF_brakedistanceVelocityVehicleT_motorGearCmdT_driveTransmissionT*Tb*VdcT_motorPdc_dmdTractionMotorTerminator2Terminator1TerminatorScopeVdAccBraDriverV_cycleDringCycleControllerPeriodSoCPdcAccBraVelocityPapuGearCmdTdTbFbControlStrategyPb_cmdSOCIbVbBarreryPackPapu_cmdVdcIgPapuAPU循环工况模型驾驶员模型电池二阶等效电路模型整车控制策略模型d/q轴解耦APU动态模型驱动电机经验模型二档变速动力学箱模型整车动力学模型电机系统基本匹配参数永磁同步电机典型外特性曲线（峰值：5min短时工作；额定：长时工作）额定转速最高转速峰值转矩特性额定转矩特性转速转矩/功率峰值功率特性额定功率特性额定转速，额定转矩，额定功率最高转速，峰值转矩，峰值功率整车动力性能指标动力性能指标电压等级确定两座微型电动车：100V~250V乘用车：250V~350V客车：350V~650V额定参数确定额定转速（由最低爬坡车速确定）𝑛𝑛𝑜𝑚≥𝑣𝑐𝑖0𝑖𝑔0.377𝑟𝑤额定功率（由30min最高车速确定）𝑃𝑟𝑎𝑡𝑒=13600𝜂𝑡𝑚𝑔𝑓𝑣𝑚𝑎𝑥+𝐶𝑑𝐴𝑣𝑚𝑎𝑥321.15峰值参数确定峰值功率计算（由爬坡度、加速时间和1km最高车速确定）爬坡度𝑃𝑚𝑎𝑥1=𝑚𝑔𝑓𝑐𝑜𝑠𝑖𝑚𝑎𝑥𝑣𝑐+𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎𝑥𝑣𝑐+𝐶𝑑𝐴𝑣𝑐321.15加速时间𝑡𝑎=𝛿𝑚𝑇𝑚𝑎𝑥𝑖𝑔𝑖𝑓−𝑓𝑚𝑔−𝐶𝑑𝐴𝑣𝑐221.15𝑑𝑣𝑣𝑏0+𝛿𝑚𝑇𝑚𝑖𝑔𝑖𝑓−𝑓𝑚𝑔−𝐶𝑑𝐴𝑣𝑐221.15𝑑𝑣𝑣𝑎𝑣𝑏𝑇𝑚𝑎𝑥=9549𝑃𝑚𝑎𝑥2𝑛𝑛𝑜𝑚𝑇𝑚=9549𝑃𝑚𝑎𝑥2𝑛𝑚𝑃𝑚𝑎𝑥=max{𝑃𝑚𝑎𝑥1，𝑃𝑚𝑎𝑥2，𝑃max𝟑}1km最高车速𝑃max𝟑=13600𝜂𝑡𝑚𝑔𝑓𝑣𝑚𝑎𝑥+𝐶𝑑𝐴𝑣𝑚𝑎𝑥321.15如果根据计算得到的扩速比太大，可以：1、增大电机功率（电池容量随之增大）2、匹配变速箱变速箱的考虑变速箱的考虑变速箱的考虑原方案：180kW电机+2档变速箱+60kWh电池现方案：240kW电机+单级减速器+80kWh电池TeslaRoadster动力电池组参数匹配1.电压平台电压平台是指动力电池组的总电压，其确定需要综合考虑电机控制器、电动化辅助系统控制器等因素，常见的电压平台有336V，388V。高电压平台有利于降低各电气部件工作电流，提高系统效率，但对电机控制器和高压DC/DC的设计提出了很高的要求。𝑛𝑝=𝑈𝐷𝐶𝑈𝑐𝑒𝑙𝑙1.电池组容量匹配能量要求（根据纯电动续驶里程）：𝐶𝐸𝑈𝑑𝑐1000𝐷𝑂𝐷𝜂𝑑𝑖𝑠𝜂𝑚𝜂𝑡=𝑑3600𝑣𝑏𝑚0+𝑚𝑏𝑔𝑓𝑣𝑏+𝐶𝑑𝐴𝑣𝑏321.15+3600𝑃𝐴𝐶𝐸=1000𝑑3600𝑣𝑏𝑚𝑔𝑓𝑣𝑏+𝐶𝑑𝐴𝑣𝑏321.15+3600𝑃𝐴𝐷𝑂𝐷𝜂𝑑𝑖𝑠𝜂𝑚𝜂𝑡𝑈𝑛𝑜𝑚𝐶𝐸:从能量要求出发的电池组容量；𝜂𝑑𝑖𝑠：电池放电效率；𝜂𝑚：驱动电机效率；𝜂𝑡：传动系统效率；𝑣𝑏：设计指标中规定的等速车速；𝑑：续驶里程；𝐷𝑂𝐷：放电深度；𝑃𝐴：电辅助系统功率；𝑚0：除电池外的整车重量；𝑚𝑏：电池组重量𝑛𝑠=𝐶𝑒𝐶𝑐𝑒𝑙𝑙动力电池组参数匹配功率要求：车辆在峰值工况和制动能量回收时，电池组的放电和充电功率不能超过其所允许的最大输出能力驱动时，最大放电功率需满足：𝑃𝑏_𝑑𝑖𝑠_𝑚𝑎𝑥≥𝑃𝑚𝑎𝑥𝜂𝑚+𝑃𝐴𝑃𝑏_𝑑𝑖𝑠_𝑚𝑎𝑥=𝑘𝑑𝑖𝑠𝐶𝑝𝑈𝑛𝑜𝑚1000制动能量回收时，最大充电功率需满足：𝑃𝑏_𝑐ℎ_𝑚𝑎𝑥≥𝑃𝑚𝑎𝑥𝜂𝑚−𝑃𝐴𝑃𝑏_𝑐ℎ_𝑚𝑎𝑥=𝑘𝑐ℎ𝐶𝑝𝑈𝑛𝑜𝑚1000𝑘𝑑𝑖𝑠≥1000𝐶𝑝𝑈𝑛𝑜𝑚𝑃𝑚𝑎𝑥𝜂𝑚+𝑃𝐴𝑘𝑐ℎ≥1000𝐶𝑝𝑈𝑛𝑜𝑚𝑃𝑚𝑎𝑥𝜂𝑚−𝑃𝐴校核当𝐶𝑝=𝐶𝐸时，𝑘𝑑𝑖𝑠和𝑘𝑐ℎ是否超过厂家规定的最大值动力电池组参数匹配总结电动汽车动力驱动系统参数匹配设计一般采用理论计算和仿真验证相结合的方法进行确定电机的额定功率由最高车速确定，峰值功率由加速功率和爬坡功率中的较大者决定；最高转速由最高车速确定，额定转速由抵挡爬坡车速确定动力电池容量由纯电动续驶里程确定，需兼顾其峰值功率输出能力是否匹配变速箱需要综合考虑MBD--ModelBasedDesign：将产品开发过程中的四个重要环节融入一个体系中电动汽车仿真技术的应用控制系统“V”模式开发流程快速控制原型目标代码生成硬件在回路仿真标定功能设计模型在环（MIL）、软件在环（SIL）、处理器在环（PIL）电动汽车仿真技术的应用踏板整车控制器24V电源dSPACEAutoboxPC机ControlDesk软件界面CAN总线网线电动汽车仿真技术的应用Hardware-in-the-LoopHardware:Controller,Battery,Engine…后向仿真车辆动力学模型车轮模型传动系统模型驱动电机模型整车综合控制策略模型动力电池模型APU模型期望车速实际车速假设车速轨迹预知，根据车速计算出车轮处的转速和转矩，并以此为基础沿功率流相反的方向（从后往前）计算每个部件的相关物理量优点：仿真速度快（无迭代计算，可设置较长的仿真步长）；缺点不易集成复杂的动态模型；无法模拟部件某些重要的瞬态特性；无法模拟车辆的极限性能适合于部件参数的优化设计、基于最优控制算法的系统控制效果评估前向仿真驾驶员模型车轮模型传动系统模型驱动电机模型APU模型期望车速整车综合控制策略模型动力电池模型车辆动力学模型实际车速有驾驶员模型，可以模拟驾驶员通过感觉车速来进行加速和制动操作的行为，进而在驱动系中产生扭矩，并沿着驱动系向前传递给车轮优点：与真实车辆的运行逻辑一致；方便集成较复杂的动态模型；可预测车辆的极限性能缺点计算时间长（存在迭代-修正的过程）适合于整车控制策略开发验证和整车动力性、经济性仿真评价T_driveF_brakedistanceVelocityVehicleT_motorGearCmdT_driveTransmissionT*Tb*VdcT_motorPdc_dmdTractionMotorTerminator2Terminator1TerminatorScopeVdAccBraDriverV_cycleDringCycleControllerPeriodSoCPdcAccBraVelocityPapuGearCmdTdTbFbControlStrategyPb_cmdSOCIbVbBarreryPackPapu_cmdVdcIgPapuAPU循环工况模型驾驶员模型电池二阶等效电路模型整车控制策略模型d/q轴解耦APU动态模型驱动电机经验模型二档变速动力学箱模型整车动力学模型0244060801001201401601802002202400102030405060708090100106110120时间/s车速/km/hAB0204060801000510152025时间/s车速/km/hAllmodelsarewrong,butsomeofthemareuseful！模型复杂度、精度和计算时间模型复杂度、精度和计算时间FirstPrincipleModel—机理模型222022222220,()10[exp()exp()]()()(0,)()ssseffLieeeeeffLiseffeffLieedLiacsseseseCDcrtrrrcctDjtxFjxcKKjxxFFjaiRTRTUcRcVttItA模型复杂度、精度和计算时间AveragePerformanceModel—平均性能模型+-+-+-oRpaCLI(,)ocUSoCTLU+-paIpaRpaUpcUpcCpcIpcR=--paLpapapapapcLpcpcpcpcLocpapcLoUIURCCUIURCCUUUUIR模型复杂度、精度和计算时间EmpiricalModel—经验模型5001000150020002500300035004000450001002003004005006007008009001000转速/rpm转矩/Nm100%转矩指令80%转矩指令70%转矩指令50%转矩指令40%转矩指令60%转矩指令90%转矩指令30%转矩指令20%转矩指令10%转矩指令驱动电机系统模型母线电压转矩指令转速输出转矩母线功率0.60.650.650.70.70.730.730.750.750.770.770.770.770.80.80.80.80.80.830.830.830.830.830.850.850.850.850.850.870.870.870.870.870.870.870.880.880.880.880.880.880.90.90.90.90.920.60.650.650.70.70.730.730.750.750.770.770.770.770.80.80.80.80.80.830.830.830.830.830.850.850.850.850