某純電動汽車動力系統參數匹配與仿真分析

黃鼎友，曾文杰，曾發林

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013 )

0 引言

純電動汽車在保護環境、改善我國能源結構、減輕城市噪聲污染等方面都有非常大優勢，所以積極發展純電動汽車具有非常重要的意義[1]。但在我國，甚至在世界上純電動汽車的發展并不是一帆風順，在電動汽車方面的諸多難題沒有得到有效解決。比如在電池技術方面，電池質量大、成本高、充電速度慢、比能量低、SOC估算不準等難題一直困擾著汽車的動力性和經濟性。2004年，英國曼徹斯特大學實驗室成功研制出了石墨烯，但想要在汽車上普及石墨烯電池還有很長的路要走。由于短期內在電池技術方面很難取得重大進展，所以對汽車從業人員來說運用現有技術提高電動汽車動力性經濟性變得很重要。整車廠的核心技術也體現在動力系統匹配的能力上，將傳統汽車的匹配思路嫁接到新能源汽車方面是改善汽車動力性(最高車速、加速時間、最大爬坡度)和經濟性(續駛里程)的重要突破口[2]。

縱觀前人的研究，大部分的電動汽車動力系統參數匹配設計采用高電壓電池以滿足汽車的動力性能要求，但高電壓對汽車電路元器件的要求更高，且對人們的用電安全有影響。本文設計采用輔能源單變換器并聯的復合電源結構的低電壓電池作為電動車的動力源，對其動力系統的相關參數進行匹配計算。通過在ADVISOR軟件環境下建模仿真，驗證該匹配方案符合設計要求。

1 汽車主要參數及性能指標選取

根據某電動汽車的市場定位，在參考了市場上同類型車的設計后，確定了以電動機作為純電動汽車動力系統，整車參數和動力性、經濟性參數見表1、表2。

表1 純電動汽車整車參數

續表1

表2 純電動汽車動力性能要求

2 整車參數匹配計算

2.1 電動機參數計算

a) 電動機峰值功率與額定功率的確定

汽車不同行駛工況下，汽車行駛功率平衡方程為：

(1)

(2)

(3)

式中：Pe為根據最高車速確定的電動機功率；M為汽車滿載質量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數；umax為最高車速；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；Pimax為根據最大爬坡度確動定的電機功率；ua汽車低速爬坡車速，這里取20km/h；imax為最大爬坡度；Ptmax為根據加速時間確定的電機功率；δ為旋轉質量換算系數，計算時取值1.04。

電動機功率必須滿足汽車動力性要求，即上面3個公式要同時滿足。由最大車速算得額定功率為14.4kW，實際選取的電動機功率為16.5kW。計算得到Pimax為11.75kW，由加速性能要求求得Ptmax為42kW。汽車以最高車速行駛時持續時間較長[5]。取加速時間和最大爬坡度結果的最大值作為電動汽車電動機的最大功率。

b) 電動機峰值轉矩與額定轉矩的確定

電動機的額定功率和額定轉速決定了電動機的額定轉矩，則電動機的額定轉矩和最大轉矩表示為:

(4)

Tmax=λ·Te

(5)

式中：Te表示驅動電動機的的額定轉矩(N·m)；ne表示電動機額定轉速(r/min)；Tmax表示電動機的最大轉矩(N·m)，過載系數λ，一般取2～3。

c) 電動機額定電壓的確定

電動機額定電壓越高百公里耗電量越低，但需要串聯更多電池，電池的增加會增加汽車質量，降低汽車動力性和經濟性。高電壓會對導線、元器件的性能提出更高的要求。根據市場調研和某公司實際情況，選擇額定電壓為108V。

d) 參數計算

在ADVISOR內存在不同轉速、轉矩下的電動機功率，轉矩和功率存在下列關系：

(6)

以轉矩T0=5N·m為初始值；步長θ1=10N·m；終止值T15=145N·m；轉速n0=500r/min,步長θ2=500r/min,終止值n11=6 000r/min。根據公式求得不同轉矩、轉速下的功率，再根據等值線圖結合讀圖軟件Gatedata尋找該功率、轉速下的電動機效率。

由計算結果，所選電動機的參數如表3所示。

表3 電動機基本參數

2.2 電池參數計算

a) 蓄電池節數的確定

電機已經選定，蓄電池的電壓必需達到電機電壓的需求。串聯單體電池的個數影響著蓄電池標稱電壓。確定的電機電壓為108V，所以確定單體電池節數N1可按以下公式：

N1V1=108

(7)

式中,N1表示蓄電池節數；V1表示蓄電池電壓(V)。

b) 蓄電池容量的確定

根據蓄電池容量要滿足汽車續駛里程的要求這一原則，采用等速(60km/h)原理可求得蓄電池消耗的總能量[6]。為了防止過放電對蓄電池的傷害，規定電池的放電深度為DOD=80%[7]。由以下公式確定電池容量：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Pm表示汽車等速(60km/h)行駛時的功率；S為汽車續駛里程要求(km)；W為電池可用能量(kW·h)；ur為電動汽車行駛速度(km/h)；Pm為汽車等速行駛時所需功率(kW)；t為機械效率，本文取0.9；M為汽車質量(kg)；f為滾動阻力系數；W為單個串聯電池組可用電量；Q為電池總容量(Ah)；Ubat為蓄電池單體電壓(V)；N1求得為30。

根據本文設計目標，綜合工況下的續駛里程為100km,根據分析可得蓄電池容量應>100Ah。

動力電池技術參數如表4所示。

表4 動力電池技術參數

2.3 超級電容參數設計和選型分析

由雙向DC/DC變換器的效率分析可知DC/DC變換器兩側的蓄電池和超級電容的壓差越小，DC/DC變換器的效率越高。為了有效利用變換器的效率，所以在進行復合電源參數匹配分析時，應該讓超級電容組的電壓和蓄電池組的電壓接近。按照分析，超級電容容量應該滿足的約束條件為:

N2V2?108

(12)

(13)

V2×C2≥Pmax

(14)

式中：V2為超級電容單體的電壓；N2為超級電容單體的個數；t為峰值助力時間，取值為10s；N2ser為超級電容串聯的個數；N2par為超級電容并聯的個數；Vmax為超級電容單體的最高電壓，取值為3V；Vmin超級電容單體的最低電壓，取值為1.5V；DOD電容放電深度；Pmax為驅動電機峰值功率，取值為42kW；C2表示超級電容容量；Pave為驅動電機對電源的平均功率需求，取值為5.4kW。

因此通過公式(14)可得超級電容的容量C2為3 000F。表5是超級電容的主要參數表。

表5 超級電容參數

2.4 傳動比計算

輸出特性一定時，傳動系的參數選擇應該能夠滿足汽車的動力性、經濟性的目標要求[8]。總傳動比i應滿足以下關系：

(15)

i=igi0

(16)

(17)

(18)

式中，i0為主減速的傳動比；ig為變速器的傳動比；nmax為電動機的最高轉速；umax為最高車速；r為車輪有效半徑；FuMax為最高車速時行駛阻力；Tnmax為電動機最高轉速工作的輸出的轉矩；t為系統的傳動效率；Fimax為最大爬坡度對應的行駛阻力；Tmax為電動機最大輸出轉矩。經計算傳動比范圍為5.35≤i≤6.17，于是采用單機減速器的i計算取值5.9。

3 仿真模型及結果分析

基于ADVISOR復合電源純電動汽車頂層模型如圖1所示，仿真工況為歐洲CYC_NEDC、美國的CYC_UDDS以及中國典型城市循環工況，仿真結果以UDDS工況為例進行分析。

圖1 基于ADVISOR復合電源純電動汽車頂層模型

3.1 動力性和經濟性結果分析

圖2為UDDS工況下ADVISOR仿真導出結果，可得：0～50km/h加速時間為4.9s；最高車速102.4km/h，基本達到設計要求100km/h；車速20km/h的爬坡度25%，實際車速基本都能跟隨工況車速。表6為4種工況下的動力性能和經濟性能結果對比。3種工況下的動力性一致，說明動力性和設定的仿真工況無關。等速60km/h工況下續駛里程為139.3km,達到要求。

圖2 UDDS工況下ADVISOR仿真結果

3.2 電池和電動機性能結果分析

圖3和圖4分別為電池的放電和充電效率圖，由圖可知蓄電池具有良好的充放電特性。圖5為電動機工作效率圖，可以看出電動機主要工作在高功率范圍內。

圖3 電池的放電效率

圖4 電池的充電效率

圖5 電動機工作效率

循環工況0～50 km/h加速時間/s0～100 km/h加速時間/s最大加速度/(m/s2)最高車速/(km/h)20 km/h爬坡度/(%)續駛里程/km百公里消耗電能/(kW·h)UDDS工況4.912.02.9102.325110.014.7CHINA工況4.912.02.9102.325116.813.8NEDC工況4.912.02.9102.325102.415.8恒速60 km/h139.311.6

4 結語

以某純電動汽車為研究對象，以傳統汽車設計思路為基礎，根據設計目標確定了動力系統的相關參數。介紹了動力性系統參數的相關計算要求，確定了各個部件參數。在設計邏輯門限控制策略以及雙向DC/DC轉換器的基礎上，搭建了純電動汽車動力系統各組成部分的數學模型。在ADVISOR環境下對某純電動的車動力系統進行了仿真，仿真結果驗證了設計方案的各項指標的合理性。結果也表明電機在較高工作效率區間工作且電池具有良好的充放電特性。為純電動汽車動力性能設計提供了一種高效可行的方法。

本文對某采用復合電源結構的純電動汽車進行了動力系統參數匹配設計與仿真，其中傳動比采用固定傳動比。后期工作可利用多目標優化進行多檔位電動汽車傳動比仿真優化，采用合理的優化算法進行計算。