第四章 电动汽车驱动系统设计

第四章电动汽车动力驱动系统设计EVConfiguration电动车动力系统构成电动汽车动力系统构成(1)VCUorHCU-Providespropercontrolsignals.VCU或HCU-提供合适的控制信号。(2)PowerConverter-Transformselectricenergy，suchasDC-DCconverter.功率转换器-电能转换，如DC-DC转换器。(3)ElectricMotor一Convertselectricenergytomechanical.电机一把电能转换成机械能。(4)Transmission-Transformsmechanicalenergy.变速器一机械能转换。(5)EnergyStorage-Storeselectricenergy，suchasbattery.能量储存一储存电能，如电池。(6)EnergyManagementUnit-Managespowerflow.能量管理单元一管理能量流。第一节电动汽车动力系统设计基础据估算：汽车行驶所需功率为30kW左右，是人类正常行走所需功率的500倍，疾速奔跑的100倍，马儿疾速奔跑的50倍。由于人类或马儿赛跑时都能有一种拼刺的激发力，但发动机没有，而电机同样具有相当的短时过载(通常数分钟内可达额定值的3倍以上)能力。电动汽车电机功率不能照搬相应汽车发动机功率，须充分发挥电机驱动应有的多种技术优势。电机功率增大即会经常行驶于低效率的负荷区，同时增加车载质量而影响动力性和成本，现代轿车发动机功率：几十~上百kW，不少轿车发动机功率大于100kW。现已研发的电动轿车电机功率有选用数kW至几十kW，甚至也有上百kW的，相差悬殊。应合理选择电机功率以提高电动汽车性价比来促其产业化！(1)根据最高车速指标确定电机额定功率及恒功率调速区的最高转速通常，电机自额定转速(基速)以上均为恒功率调速。根据uamax、车轮半径r、传动比igi0，按式ua=0.377rn/(igi0)即可求得电机在恒功率调速区的最高转速nmax。其中传动比可先由估算值代入，如设igi0=10，然后按后述(3)内容确定后再重新校核计算。我国高速公路允许最高车速为120km/h，考虑电动汽车能量特点，uamax不宜定得太高，如轿车设uamax=125km/h。电机额定功率：，设爬坡度i=0，加速度du/dt=0，即忽略式中后两项，设所要求的最高车速uamax为式中ua，将传动系效率ηT、车载总重量G、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、滚动阻力系数f(货车按f=0.0076+0.000056ua、轿车按计算可得电动汽车以最高车速uamax行驶所需功率，再略留余量作为汽车在高速公路长期稳定运行中电机所需额定功率Pe。tumuGiuAuCGfuPdd360036007614036001aa3aDaTe4a4a10100100ufufff一、电机及传动系统参数确定(2)按电机调速范围及其最高转速确定电机的额定转速ne通常，电机的调速范围用最高转速nmax与基速ne(即额定转速)之比，即转速因子x=nmax/ne表示。根据所选电机的转速因子x和前已确定的最高转速nmax，即可求得电机的额定转速ne转矩计算式T=9550P/n，根据所确定的额定功率Pe和额定转速ne可求得额定转速ne以下按恒转矩调速的额定转矩Te。一、电机及传动系参数确定(3)根据汽车主要运行区车速和电机额定转速确定传动系传动比现有电机的调速范围均能满足汽车行驶工况对车速要求，可设档位数为1，即ig=1使igi0=i0。根据汽车主要运行区车速ua(如按城区运行工况设ua=45km/h)、已确定的电机额定转速ne，按照车速尽可能运行于电机额定转速附近以提高电机效率的原则，利用公式i0=0.377rne／ua确定传动比，其中ua为行驶车速、n为动力输出转速、r为车轮半径。只有当最大爬坡度指标难以满足、或电机调速范围很窄、汽车运行于较低车速使电机效率很低时才需增加变速档。即通过较大减速比以增大转矩，以满足爬坡度要求；或通过多档切换来扩大变速范围。注意：换档操作即需增添离合器，且经齿轮减速虽可增加转矩，但功率则因增加损耗而下降。而省去换档操作过程还有利于车控平顺性和舒适性。若需增加档位数可按等比级数分配法确定。如设各档传动比为igi，则级数比，其中最高档ig1=1，即igi0=i0，为直接档，以满足汽车最高转速nmax要求来设定；最低档通常以满足汽车的最大爬坡度αmax及最低稳定车速uamin(如设uamin=15km/h)要求来设定。132g2g1gigiggiiiiiiq一、电机及传动系参数确定(4)根据最大爬坡度指标校核电机的峰值功率和过载能力注意：车速ua设为电机额定转速ne时对应的车速，即ua=0.377rne/i0；将传动系效率ηT、车载总重量G、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、滚动阻力系数f、总传动比igi0=i0、最大爬坡角度αmax=arctanimax相关参数均代入上式，可求得汽车在最大爬坡度imax的坡道上以相应车速行驶所需电机转矩Td。将该值Td与电机所测得低速时可输出的最大过载转矩相比较，即可校核电机能否满足最大爬坡度imax指标。由式，根据所设计汽车的最大爬坡度imax指标，设加速度du/dt=0，即忽略式中最后一项。dtdumaGuACGfriiTaDgsin15.21cos2T0d一、电机及传动系参数确定(5)根据加速性能指标校核电机的峰值功率和过载能力根据所设计汽车加速性能指标，按低速恒转矩调速区加速时间tT和高速恒功率调速区加速时间tP确定：21aa01aaT2/)(15.2115.21)(21.156.3uuArCrGfiTuurmteDTdGee)()(2/)(15.2115.21)(21.156.3211aaa2a22aa0a2aPuuuutuuArCrGfiTuurmteeTeDTdGe确定起始车速ua1、终止车速ua2；电机额定转速ne对应车速uae=0.377rne/i0；对应ua2的电机转速na2；按照关系式TL=9550PL/n和电机的过载倍数，可分别求得对应ne、na2的过载转矩TdGe、TdG2，及其平均过载转矩TdG=(TdGe+TdG2)/2。再将汽车的旋转质量换算系数δ、车载总重量G、质量m=G/g、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、滚动阻力系数f、传动系效率ηT、传动比i0、车轮半径r各相关参数代入上述两式，即可求得汽车从初速度ua1加速到末速度ua2所需时间t=tT+tP。与设计所要求的加速时间比较，来校核电机的过载能力是否满足汽车所要求的加速性能指标。一、电机及传动系参数确定按照所需额定转速时最大过载转矩，利用关系式TL=9550PL/n计算所要求电机相应峰值功率PeG=TdGne／9550(kW)。然后除以电机及其驱动控制器效率ηmc，再加上汽车所需的空调、照明等辅助装置用电功率，并略留余量确定汽车电源系统所要求的功率。得到电机额定功率和转速后，应根据国家标准推荐的电机功率等级5.5kW、7.5kW、11kW、15kW、18.5kW、22kW、3OkW、37kW、45kW、55kW、75kW、90kW、110kW、132kW、150kW、160kW、185kW、200kW及以上，和有关GB/T4772—1999旋转电机尺寸与输出功率等级的要求，按略留余量来选定电机额定功率。最后，还需要确定动力储能装置的电压等级、能量利用率、续驶里程所需蓄电池能量、车载储能装置寿命等。一、电机及传动系参数确定二、动力储能装置参数的确定为提高汽车的动力性，要求蓄电池具有较大的功率密度，能瞬时提供大电流、大功率给驱动电机；同时为满足续驶里程要求，希望蓄电池有较高能量密度。根据电动汽车的不同类型，车载能源可采用各类蓄电池、超级电容、高速飞轮及燃料电池等。以蓄电池为例。(l)动力系统电压等级的确定电压的确定还应参照国标对电动汽车电机推荐的电源电压等级：120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V等来选取。标准要求电机及控制器必须在所选电源的120％额定电压值下能安全承受最大电流；并在电源电压降为额定值的75%时，电机仍能在最大电流下运行(不要求连续运行)。因此，比较稳妥的是保证电源电压不低于电机额定电压的80％。动力系统的电压等级通常为电机的额定电压，即由所选电机的结构参数决定，随电机输出功率加大而增高。电压的升高有利于提高运行效率。应尽可能采用合理的高电压设计，减小电机逆变器的成本和体积。但电压过高易引起对功率开关器件的较大冲击，即也受到IGBT最高允许电压的限制。以磷酸铁锂电池为例：单体电压为3.2V，乘以系数即电压应用范围为2.6～3.8V；而单体电池容量有多种规格，常见的为20Ah，蓄电池的串并联方式，从可靠性考虑应采用先并后串，厂家通常将单体电池按需并联成电池组经封装后提供，如4个单体电池并联的电池组容量为80Ah。若选该电池组120个串联，可使电源系统的标称电压为384(=3.2×120)V；容量仍为80Ah；即使总电能为30.7kWh；按标准要求电机即能在312～456V的电压应用范围内运行。依据续驶里程指标确定车载蓄电池能量后，要求电压越高所需串联的电池组数越多，但并联的单体电池相应减少。对于电源系统的标称电压及电压应用范围，需按所选电池类型确定标称电压；根据蓄电池允许放电终止电压和电池耐过充能力下的充电最高电压，乘以约0.8～1.2的系数来确定电压应用范围。(l)动力系统电压等级的确定(2)概略确定动力系统在几种特定车速工况下的能量利用率Н在良好水平路面上按照所需确定的特定车速uai匀速行驶，实测行驶中所耗功率，或行驶1小时所需消耗电能，将所测值除以行驶车速uai即得该特定车速uai行驶时能量利用率Н(kW·h/km)。注意行驶中升降速及电能回馈引起的测量误差。1）按参数计算法，设爬坡度i=0，加速度du/dt=0，即忽略式中后两项。并指定几种需确定的特定车速uai，如uai分别为20、60、120km/h，将传动系效率ηT、车载总重量G、滚动阻力系数f、空气阻力系数CD、车身迎风面积A及其uai相关参数代入计算，所得值即为电动汽车以特定车速uai行驶所需消耗功率，再除以电机及其驱动控制器效率ηmc，并加上汽车辅助装置用电功率，所得值除以相应的行驶车速uai即为在该几种特定车速uai行驶时的能量利用率Н(kW·h/km)。tumuGiuAuCGfuPdd360036007614036001aa3aDaTe2）行驶测试法(3)按续驶里程指标确定车载蓄电池能量1）按能量利用率Н计算法。考虑到蓄电池荷电状态SOC的应用范围一般为10％～90％，需按蓄电池可放出总能量的80%计算。利用前述所得相应车速行驶时的能量利用率Н(kW·h/km)，乘以所要求的续驶里程数后，再除以0.8即为所要确定的车载蓄电池能量(kW·h)。2）实际行驶估算法。即携带预估所需能量的蓄电池，充满电后按所设定的车速工况行驶，将达到的最大里程数与所定续驶里程数之比进行折算。考虑到蓄电池增减使车载质量变化而影响续驶里程，应乘适当修正系数。续驶里程有两种指标：分别是以特定车速（如60km/h）匀速行驶、综合工况行驶所能达到的里程数。显然综合工况下的续驶里程较低，通常约为60km/h等速行驶所能达到续驶里程的60%～80%。考虑到新旧蓄电池等因素，需进行适当的冗余设计，通常将所得值再增加10％～30％的冗余量。确定满足设定续驶里程指标所需车载蓄电池能量可采用如下两种方法：(4)按驱动时最大放电电流和发电回馈时瞬间充电电流校核车载储能装置的充放电能力必要时需在该特殊工况下测试充放电电流与蓄电