现代汽车系统控制技术第十一章

1第11章电动汽车211.1概述11.1.1电动汽车结构与原理1．电动汽车的分类按使用的电池类型不同，电动汽车可以分为(1)燃料电池电动汽车；(2)镍氢电池电动汽车；(3)锂离子电池电动汽车；(4)铅酸蓄电池电动汽车。2．电动汽车结构与原理电动汽车由车载电源(电池和充电器等)、驱动电动机及控制器、车体(底盘和车身等)三部分组成。33．发展电动汽车的优点开发和使用电动汽车，具有以下优点：(1)纯电动汽车的最大优点是无排放污染(零排放汽车ZEV)。它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其他污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，排放集中，且已有相关技术来清除各种有害排放物。(2)由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，可解除人们对石油资源日渐枯竭的担心。(3)电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。411.1.2电动汽车传动系统布置方式电动汽车的动力传动系统是电动汽车的核心部分，其性能决定着电动汽车运行性能的好坏。目前，电动汽车的动力传动系统具有以下四种布置方式：(1)第一种与传统汽车传动系统的布置方式一致，带有变速器。这种布置可以提高电动汽车的起动扭矩，增加低速时电动汽车的后备功率。(2)第二种取消了离合器和变速器。这种方式对电动机的要求较高，不仅要求电动机具有较高的起动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证电动汽车的起动、爬坡、加速超车等动力性。5(3)第三种布置方式将电动机装到驱动轴上，直接由电动机实现变速和差速转换。这种传动方式同样对电动机有较高的要求，大的起动转矩和后备功率，同时不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全、平稳。(4)第四种布置同第三种布置方式比较接近，将电动机直接装到驱动轮上，由电动机直接驱动车轮行驶。611.2电动汽车动力电池11.2.1动力电池概述1．动力电池发展概况从目前国内外电动汽车的发展水平看，除了储能动力源外，其他技术都已突破，唯一不理想的就是动力电池，特别是对电动汽车蓄电池荷电状态的准确检测阻碍了电动汽车市场化的发展，电动汽车的性能在很大程度上取决于其所使用的动力电池。研究和开发高性能的蓄电池在电动汽车的发展上是一个非常关键的技术。蓄电池的性能参数包括能量密度、功率密度、能量效率、充电率以及循环使用寿命等。72．动力电池的性能指标蓄电池作为电动汽车的储能动力源，在电动汽车上发挥着非常重要的作用，要评定蓄电池的实际效应，主要是看蓄电池的性能指标。蓄电池的性能指标主要有以下几种：1)荷电状态2)能量3)能量密度4)功率5)成本811.2.2铅酸电池的基本工作原理铅酸电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。在使用后，借助于直流电在电池内进行化学反应，把电能转变为化学能而储蓄起来，这种蓄电过程叫做充电。铅酸电池是酸性蓄电池，其化学反应式为2442PbOHSOPbSOHO911.2.3铅酸电池的基本电特性蓄电池的性能指标影响了电动汽车的启动、加速、制动以及续驶里程等各项电动汽车性能，也是蓄电池作为电动汽车储能动力源的主要决定因素。铅酸蓄电池广泛应用于电动汽车，与其性能指标和基本电特性是分不开的。1011.2.4铅酸蓄电池数学模型在相同的充、放电模式下，单体电池间一致性的评价包括对电池的工作电压变化的一致性、电压内阻变化的一致性、电池容量变化一致性等三方面的内容。电池的端电压是一个与电池所处的环境温度和电荷荷电状态相关的函数，确定它们之间的关系，是确定电池电动势方程的关键。1111.3电动汽车驱动系统电动汽车与传统汽车主要的区别在于动力和驱动系统。电动汽车使用电动机驱动，行驶时，由蓄电池输出电能，通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经由传动系统带动车辆行驶。高性能的电动汽车都普遍采用异步电动机。对于交流异步感应电动机，定子绕组输入电压相位和幅值的变化，都能引起电动机的瞬态响应。同样，负载转矩的突变也会引起瞬态响应的发生，导致电动机转矩的不平衡，电动机产生加速或减速，最终达到一个新的速度值。1211.3.1电动汽车驱动系统类型1．直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统采用有刷直流电动机，电动机控制器一般采用斩波控制器。2．交流感应电动机驱动系统美国生产的电动汽车多数采用交流感应电动机驱动系统。目前对于交流感应电动机的控制方法有很多，常用的控制方法有：变频变压控制、磁场定向矢量控制和直接转矩控制。133．开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机驱动系统的核心是开关磁阻电动机，随着新技术的不断更新和进步，开关磁阻电动机的潜力已经得到了越来越多的人的认同。4．无刷直流电动机驱动系统无刷直流电动机驱动系统的核心是无刷直流电动机，它是目前应用最广泛的电动机，许多世界知名公司的电动汽车都采用了无刷直流电动机驱动系统。1411.3.2交流异步电动机直流电动机的磁通由励磁绕组产生，可以不参与系统的动态过程(弱磁调速时除外)，因此它的动态模型只是一个独立的输入变量——电枢电压，一个输出变量——转速。交流电动机的数学模型和直流电动机模型存在着很大的区别。1511.4电动汽车动力驱动系统建模与仿真ADVISOR软件设计了车辆(Vehicle)、发动机(FuelConverter)、能源储存系统(EnergyStorageSystem简称ESS)和电动机(Motor)等多个部件的仿真模型，每个仿真模型包括版本、类型和部件的参数值。ADVISOR提供了驱动循环(DriveCycle)、多重循环(MultipleCycles)和测试过程(TestProcedure)三种仿真工况来仿真车辆的性能。1611.4.1电动汽车牵引电动机建模1．牵引电动机转矩限制模块牵引电动机所输出的转矩是有一定的范围的，输出转矩不能大于牵引电动机的最大转矩值，也不能小于怠速转矩值。2．牵引电动机速度限制模块牵引电动机的转速也是在一定范围的，转速不能太高，以保证电动汽车能够平稳行进，也不能太低，以使电动汽车能够快速起动。因此应该建立电动汽车牵引电动机转速限制的模块，用该模块进行牵引电动机的转速限制，控制牵引电动机转速以用来快速起动电动汽车，使电动汽车平稳行驶。173．牵引电动机转矩计算模块在ADVISOR的牵引电动机模块中，建立了牵引电动机转矩计算的模块。通过该模块，可以计算牵引电动机的转矩大小。4．牵引电动机温度控制模块电动汽车牵引电动机在进行工作的时候，应该考虑其温度的影响。牵引电动机的温度太高，会使牵引电动机的电阻变大，影响牵引电动机的性能。185．牵引电动机总成建模综上建立的牵引电动机的转矩限制的模块、转速限制的模块、转矩计算的模块以及牵引电动机温度控制模块。电动机及其控制模块能够把需求的转速和转矩转化成电能需求并把电能转化成扭矩和转速输出。对于混合动力系统交流电动机建模来说，可以只考虑电动机及控制器的功率损失、转子惯量损失和电动机的转矩——转速图。1911.4.2电动汽车铅酸蓄电池模块的建立1．蓄电池开路电压和内阻计算模块这个模块主要是用来计算蓄电池的开路电压和内阻，根据SOC值和蓄电池的温度，采用插值法，分别求出开路电压和充电及放电时的内阻。得到的单个电池的电压与电池块数的乘积为总的开路电压输出值，单个电池的充电或放电内阻乘以电池块数并经过转换控制器得到合适的内阻。2．蓄电池功率限制模块这个模块可以防止用来计算电池负载电流的功率超出SOC、等效电路的参数值和电动机控制器最小允许电压等的限制。203．蓄电池负载电流计算模块蓄电池负载电流计算模块将根据功率的定义和基尔霍夫电压定律求解关于负载电流的二次方程，即4．SOC计算模块通过计算，可以得出荷电状态SOC的近似值，从而可以确定电池的剩余电量。5．蓄电池散热模型该散热模型可以预报车辆在行驶过程中和蓄电池充电期间蓄电池的平均温度和表面温度。2int()0ocbusRIVIP216．铅酸蓄电池总成模型根据上述建模方法，电池模型根据动力总线的功率需求计算蓄电池荷电状态SOC，并输出可用功率。功率损失按内阻损失加上“库仑效率”定律确定的功率损失。2211.4.3电动汽车整车建模1．滚动阻力计算模块汽车的滚动阻力与汽车的滚动阻力系数有很大的关系，滚动阻力计算公式为2．空气阻力计算模块汽车的空气阻力是汽车直线行使时受到的空气作用力在行驶方向上的分力，在无风条件下汽车运动，汽车空气阻力计算公式为fFffcosFmgfwF2wDa0.047FCAu233．坡度阻力计算模块式中，当汽车在上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力就是汽车的坡度阻力，即4．加速阻力计算模块电动汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力。汽车的加速阻力与汽车旋转质量换算系数有关，在ADVISOR模块中，。因此加速阻力计算公式为isinFG1jdduFmt245．电动汽车车速计算模块电动汽车的速度是评判电动汽车的一项很重要的性能，在ADVISOR的模型中也建立了电动汽车车速计算的模块，通过计算汽车的各项阻力，求得电动汽车的驱动力。然后由牵引电动机的外特性曲线，可以求出电动汽车的最终速度。256．电动汽车车身建模分别建立了电动汽车的各个阻力模块以及电动汽车的速度计算模块后，可以建立最终的电动汽车车身模块如下图所示。电动汽车车身模块2611.4.4纯电动汽车仿真纯电动汽车仿真结果