基于電池循環壽命的純電動汽車變速器傳動比的優化研究

郭海龍，張永棟，張勝賓，王巍

(1.廣東交通職業技術學院 汽車與工程機械學院，廣州 510650；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641； 3.東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

基于電池循環壽命的純電動汽車變速器傳動比的優化研究

郭海龍1，2，張永棟1，2，張勝賓1，王巍3

(1.廣東交通職業技術學院 汽車與工程機械學院，廣州 510650；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641； 3.東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

針對目前純電動汽車電池壽命衰減快導致其使用成本高的問題，分析目前常規純電動汽車動力系統參數匹配的方法和不足，以及電池循環壽命的影響因素，在此基礎上，提出基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法，該方法在保證純電動汽車動力性和經濟性的基礎上，以動力電池容量衰減率最低為目標對純電動汽車動力參數進行匹配。以某款純電動汽車為研究對象，運用ADVISOR仿真軟件，結合電池壽命理論模型，建立純電動汽車整車仿真模型，運用所提出的方法確定該車的動力系統參數。研究結果表明，運用基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法所設計的純電動汽車動力系統，在一個NEDC循環工況下動力電池容量衰減率降低了2.41%，從而降低了電動汽車使用成本。

純電動汽車；動力電池；循環壽命；車輛動力系統；參數匹配

0 引言

動力電池作為純電動汽車的唯一動力來源，其循環壽命極大地制約了電動汽車的普及。相關研究表明，純電動汽車動力參數匹配技術(電池組、驅動電機、控制器、變速器等)以及控制策略和各部件的特性等方面的優化，不但可以提高電池循環壽命、降低行駛成本，而且可以提高純電動汽車的動力性和經濟性[1-2]。

目前純電動汽車動力系統參數匹配方法和傳統汽車類似，并沒有考慮能量源的差異。傳統汽車以燃油為能量源，某一時刻輸出的燃油量對下一時刻燃油能量密度沒有影響，而純電動汽車動力電池輸出電能以電化學反應為媒介，若動力系統參數匹配不當，會使電池組某一時刻輸出電流過大，進而引起電池組可放出的總能量減少，導致電池循環壽命降低、整車續駛里程減少和行駛成本增加的惡果。

為此，論文以某款純電動汽車為研究對象，提出基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法，通過動力系統參數優化匹配，來提高電池的循環壽命，增加續駛里程并降低整車能量消耗率。

1 常規純電動汽車動力系統參數匹配方法

純電動汽車的動力性匹配要綜合考慮動力源、驅動電機、控制器、變速器等部件特性以及整車控制策略[2-5]。

1.1 驅動電機參數的確定

驅動電機的峰值功率Pmax必須滿足最高車速時的功率要求Pe、加速時的功率要求Pa和爬坡時的功率要求Pc，即：

Pmax≥[Pe,Pc,Pa]。

(1)

電機的最高轉速nmax通常由最高車速umax和傳動系最小傳動比imin確定，應滿足公式(2)。

(2)

式中：umax為最高車速，km/h；r為車輪滾動半徑，m。

電機的峰值扭矩Tmax應滿足汽車的起步加速和最大爬坡度，在驅動電機最大轉矩滿足最大爬坡度要求的前提下，一般可滿足車輛加速要求[3]，因此電機峰值轉矩需結合傳動系最大傳動比imax和最大爬坡度αmax來確定，即：

(3)

式中：m為汽車質量，kg；nt為傳 動系機械效率；f為滾動組力系數。

1.2 變速器參數的確定

變速器的傳動比范圍由汽車的最高車速umax、電機峰值轉速nmax、最大爬坡度αmax和傳動系的機械效率ηt等決定，即：

(4)

(5)

式中：imin為變速器最小傳動比；i0為主減速器傳動比。

1.3 電池組參數的確定

電池組的電壓應和電動機工作電壓相匹配，電池容量的計算方式如下：

(6)

(7)

(8)

式中：P為電動汽車所需電機功率，kW；V為汽車實際行駛速度，km/h；CD為空氣組力系數；A為迎風面積，m2；W為車輛續駛里程S(km)所需能量，kWh；u為電池組工作電壓，V；t為汽車行駛時間,h；C為電池組額定容量，Ah。

2 基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法

2.1動力系統參數對電池壽命影響的分析

從上面的述敘可知，目前純電動汽車的動力系統參數匹配基本上都是從整車角度出發，對動力系統部件進行簡化處理，忽略了動力電池本身固有特性，如動力電池組的溫度、放電深度(DOD)和放電倍率特性等，而這些特性對電池的循環壽命有極大影響，根據公式(9)的Tafel公式[6]，可知放電倍率n和電池循環壽命N呈冪函數關系，放電倍率n越大電池循環壽命越短。

N=An-B。

(9)

式中：A和B為模型系數。

根據Bernardi[7]提出的電池生熱模型如公式(10)，可知電池的放電倍率又會導致電池組溫度升高加快：

(10)

根據公式(11)所示的Arrhenius方程[8]，可知電池組的溫度升高又會導致電池壽命衰減加快：

(11)

式中：k為化學反應速率，這里表示電池容量衰減速率；A為模型系數；Ea為活化能；R為摩爾氣體常數，值為8.314J/k·mol；T為溫度，K。

由此可知，若純電動汽車動力系統參數匹配過程中忽略了電池壽命的影響因素，將會導致電池容量衰減過快，循環壽命降低，并增加純電動汽車的行駛成本，為此本文提出基予電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法。

純電動汽車動力系統參數匹配首先要滿足整車的動力性要求，即根據公式(1)～(8)初步確定驅動電機的最高轉速最大功率、變速器傳動比的范圍和電池組的電壓額定容量等參數，然后進行優化。

2.2 電池循環壽命預測

(12)

式中：Qloss為電池容量衰減百分比；B為指前因子；C_Rate為放電倍率；R為理想氣體常數，其值為8.314 J/(mol·K)；T為溫度，K；Ah為累積放出安時數，Ah。

John Wang[13]給出放電倍率C_Rate為C/2、2C、6C和10C時B的值分別為31 630、21 681、12 934和15 512。該模型基于恒溫度和恒倍率電流放電時電池壽命預測。汽車在行駛過程中需求功率不斷變化導致電池溫度和放電倍率不斷波動，為此，本文取溫度變化的平均值，將放電倍率進行分段處理，將每個放電倍率區間對電池壽命衰減率相加得到電池總的衰減率進而計算出電池循環壽命，電池放電倍率和B的對應關系見表1。

表1 放電倍率區間和指前因子B對應關系

2.3基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配

在滿足使用要求的前提下，增加電機功率和電池容量將會導致整車成本上升和整車行駛經濟性的下降。為此，可根據1.1計算得到驅動電機最高轉速和最大轉矩確定驅動電機型號，然后根據電池組工作電壓、額定容量、單體電池組額定電壓和額定容量確定單體電池個數和串并聯方式。

純電動汽車變速器一方面要滿足汽車行駛性能的要求，另一方面要使得電動機經常保持在高效率的工作范圍內，減輕電動機和動力電池組的負荷[14-17]。因此不同的變速器傳動比將會導致電池組的放電電流和溫度不同，從而引起電池壽命衰減不同。

為分析不同變速器傳動比對動力電池壽命的影響，進而確定基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統最優參數，本文基于整車基本參數，并運用整車仿真軟件ADVISOR建立了整車仿真模型，然后在變速器傳動比范圍內，通過改變變速器傳動比，并以NEDC工況為研究對象進行仿真計算，得到電池組的電流和溫度變化情況，運用公式(12)，便可計算得出電池的循環壽命。

最終，通過電池壽命衰減率來優化確定變數器的傳動比。

3 基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配仿真

以市場上某款純電動汽車為對象，運用基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法，對其動力系統參數進行匹配與仿真分析。

3.1 整車主要技術參數和設計要求

該車的整車基本參數及設計要求見表2。

表2 整車基本參數和設計要求

3.2 整車動力系統參數匹配與仿真分析

根據2.2基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法，首先選擇了交流感應電動機的具體參數見表3。

表3 電機的基本參數

同樣，確定變速器的最小傳動比為4.54，最大傳動比為7.42。

結合本文所采用的額定電壓為3.2 V、容量為10 Ah的磷酸鐵鋰單體電池，并匹配電動機288 V的工作電壓，經計算得出電池組的容量為49.57 Ah，最終確定電池組的參數見表4。

表4 電池組參數

根據以上確定的動力參數，在Advisor中建立整車模型，如圖1所示。并將變速器傳動比設置為4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.4，然后進行NEDC工況仿真，在忽略制動能量回收影響的條件下，得出不同變速器傳動比條件下的電池組電流變化和溫度變化并取其平均值，其中，傳動比為6時動力電池組電流變化如圖2所示，各傳動比下電池平均溫度如圖3所示。

將電流值和平均溫度代入公式(12)，即可得到NEDC工況下該電池容量的衰減率，如圖4所示。

由圖4可知，當變速器傳動比為6.5時，一個NEDC循環工況電池容量衰減率最小為0.166%，比可行域內的4.5傳動比，電池容量衰減率降低了2.41%。因此，為提高電池循環壽命，可將變速器傳動比設置為6.5。

圖1 車輛仿真Advisor模型Fig.1 The vehicle simulation model of Advisor

圖2 不同變速器傳動比下仿真得到的電池組 電流變化情況Fig.2 The simulation current range in different transmission ratio

圖3 不同傳動比下的一個NEDC循環工況電池組平均溫度Fig.3 The average temperature of battery in different transmission ratio of NEDC

圖4 不同變速器傳動比的下一個NEDC 循環工況電池容量衰減率Fig.4 The capacity fading of battery in different transmission ratio of NEDC

4 結論

論文提出了基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法，該方法以電池壽命衰減率最小為目標，對純電動汽車動力系統參數進行匹配。

運用基于電池循環壽命的純電動汽車動力系統參數匹配方法，對純電動汽車動力系統參數進行了匹配，研究表明當車輛變速器傳動比為6.5時，一個NEDC循環工況下電池循環壽命衰減率降低2.41%，能夠降低純電動汽車的使用成本。

[1] 崔津滔.基于電池動態特性的純電動汽車動力匹配技術的研究[D].錦州：遼寧工業大學，2016.

[2] 劉維信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3] 朱鵬飛，趙文杰，許宏云.基于CRUISE純電動汽車匹配計算與仿真[J].上海汽車，2012，156(9)：11-15.

[4] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5] 劉新.純電動汽車動力參數匹配與仿真研究[D].重慶：重慶交通大學，2013.

[6] 時瑋，張言茹，陳大分，等.錳酸鋰動力電池壽命測試方法[J].汽車工程，2015，37(1)：67-71.

[7] Bernardi D，Pawlikowski E，Newman J.A general energy balance for battery systems[J].Journal of the Electrochemical Society，1984，132(1)：5-12.

[8] 王雪非.基于工況仿真的鋰動力電池壽命研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.

[9] Ramadass P，Haran B，Gomadam P M，et al.Development of first principles capacity fade model for li-ion cells[J].Journal of the Electrochemical Society，2004，151(2)：196-203.

[10] 張金國，王小君，朱潔，等.基于MIV的BP神經網絡磷酸鐵鋰電池壽命預測[J].電源技術，2016，40(1)：50-52.

[11] 劉漢雨.鋰離子電池充電方法及壽命預測研究[D].北京：北京工業大學，2014.

[12] 董婷婷.增程式電動車能量管理及電池壽命研究[D].長春：吉林大學，2013.

[13] Wang J，Liu P，Hicksgarner J，et al.Cycle-life model for graphite-LiFePO4 cells[J].Journal of Power Sources，2011，196(8)：3942-3948.

[14] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[15] 胡偉，溫旭輝，劉鈞.電動汽車電機驅動系統可靠性模型及預計[J].電氣傳動，2007，37(12)：7-10.

[16] 陳安紅.電動汽車電機驅動控制系統研究[D].西安：長安大學，2006.

[17] 李斌花.純電動汽車電機驅動系統控制策略研究[D].長沙：湖南大學，2005.

OptimizationofPureElectricVehicleTransmissionParametersBasedontheCycleLifeofPowerBattery

Guo Hailong1，2，Zhang Yongdong1，2，Zhang Shengbin1，Wang Wei3

(1.School of Automobile and Construction Machinery，Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650； 2.School of Mechanical & Automobile Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641； 3.School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Aiming at the problem that the battery life of the pure electric vehicle is low which leads to high cost，the method and the shortcomings of the parameters of conventional pure electric vehicle power system and the influence factors of the battery cycle life are analyzed.On this basis，a method of pure electric vehicle power system parameters design based on the cycle life of power battery has been proposed.Ensuring the power and economy of pure electric vehicle，the method can match the dynamic parameters of pure electric vehicle with the lowest decay rate of power battery capacity.Taking the pure electric vehicle as the research object，using the ADVISOR simulation software and the battery life theory model，the pure electric vehicle simulation model is established，and the dynamic system parameters are determined.The results show that the power battery capacity of the pure electric vehicle based on the above method is reduced by 2.41% under a NEDC cycle condition，which could reduce the cost of electric vehicles.

Pure Electric Vehicle；power battery；cycle life；vehicle power system；parameters design

R 282.71

：A

：1001-005X(2017)05-0108-05

2017-06-01

廣東省優秀青年教師培養項目(YQ2013197)；廣東省高等學校高層次人才項目(2013-203)；廣東省交通運輸廳節能減排項目(節能-2014-06-002)

郭海龍，博士，副教授。研究方向：電動汽車控制策略研究。E-mail：107289145@qq.com

郭海龍，張永棟，張勝賓，等.基于電池循環壽命的純電動汽車變速器傳動比的優化研究[J].森林工程，2017，33(5)：108-112.