純電動汽車動力系統參數匹配及整車控制策略研究分析

杜嗣琢 朱有地 楊福生 陳永哲

蘭州工業學院汽車工程學院 甘肅省蘭州市 730050

1 引言

純電動汽車秉承綠色環保理念。一般純電動汽車的組成包括：電力驅動和控制系統、驅動力傳動裝置以及執行既定任務的工作裝置等。通常，純電動汽車的驅動可充電電池以提供電能，然后將電能轉化為機械能。對于純電汽車驅動電機的設計，一般是采用直流電機，十分符合綠色環保理念，汽車使用效率極高、可靠性良好。本文的綜述希望為純電動汽車的發展提供參考。

2 純電動汽車動力參數匹配

2.1 純電動汽車動力參數匹配目標和匹配任務

目前，純電動汽車在城市中得到廣泛應用，例如：新能源公交車、電動汽車等。基于新能源電動汽車的性能指標，本文對純電動汽車動力參數進行匹配，以提高純電動汽車的性能，同時，探索動力參數，進一步優化參數，以提升該車型的動力性能，見表1。

表1 整車相關參數

純電動汽車的動力參數匹配任務主要用于動力系統某些部件的參數計算。本文采用的該車能外接充電，有純電動模式；該車可選裝空調，空調車車高為3180mm；該電動汽車的電池類型和生產企業分別為：磷酸鐵鋰蓄電池和寧德時代新能源科技股份有限公司；電機額定功率為80kw，峰值功率為135kw；該車的ABS型號及生產企業分別為：4460064300和威伯科汽車控制系統(中國)有限公司。

2.2 純電動汽車基本參數和動力系統參數

純電動汽車的整體性能參數主要包括汽車動力性能指標和車輛行駛距離。純電動汽車的基本系統參數是汽車主要的性能之一，影響汽車的安全性和汽車行駛的距離。純電動汽車的動力性能指標主要有：汽車行駛的最大速度和最大加速度。純電動汽車的基本參數包括汽車的基本系統和動力系統。

純電動汽車的動力源是可充電電池，本文純電動汽車的電池是鋰離子電池。衡量純電動汽車電池的主要性能指標是：比能量、比功率、能量密度、循環壽命和成本等。作為一種新型高電壓、高能量密度的可充電電池，鋰離子二次電池突出的特點是：重量輕、儲能大、無污染、無記憶效應、使用壽命長。在相同的體積重量情況下，鋰離子電池的蓄電能力是鎳氫電池的1.6倍，是鎳鎘電池的4倍。人類只開發和利用了其理論電量的20%～30%，發展前景非常光明。同時，它是一種真正的綠色電池，不會污染環境。同時，電動機與驅動系統也是純電動汽車的關鍵零件，，則驅動電機應具備：調速范圍寬、轉速高、啟動轉矩大、質量小、體積小、效率高且動態制動性強等特性，才能使其具有較優異的使用性能。

純電動汽車的動力系統參數包含驅動電機參數和電池匹配參數。其中驅動電機參數匹配主要包括：驅動電機的最大功率和額定功率，最大功率和額定功率可以決定驅動電機的功能，并且它將對汽車本身的整車性能產生更大的影響。對于純電動汽車，汽車的最高速度由額定功率控制，因此，目前純電動汽車一般更適合城市。因為在城市中，可以最大限度地限制汽車的速度，并實現環保的理念。當電動汽車的行駛速度達到最大值時，汽車的功率將會達到最大值，電機的轉速也將達到最大值。并且，由于城市中對汽車的速度有限制，因而普通電動汽車的功率將低于額定功率，并且電機的轉速也將低于額定轉速。電池參數匹配主要包含排列的電池數量和電池的電壓值。一旦確定了電池組的數量，電池的最大輸出功率必須滿足純電動汽車的最大功率，確保電池能夠保持汽車的最大功率輸出。

2.3 純電動汽車性能仿真

基于整車的布局和設計，我們使用ADVISOR 軟件，該軟件廣泛用于模擬純電動汽車的動力性能，以執行模擬計算。然后建立整車的仿真模型以及電動機、電池和減速器等部件的仿真模型。建立仿真模型的基本步驟主要包括：選擇車輛、選擇部件模型，以及各部件間的機械、電器、信號等的連接，然后輸入各模塊的主要參數。

同時，我們必須考慮電動機和內燃機的不同工作特性。但是，電動機的過載時間不易太長，如果過載時間過長將會導致電動機和電池過熱，產生更多能量損失，對電動機和電池使用壽命有影響。因此，應盡量避免電動機的過載工作。

當模擬純電動汽車的動力性能時，電動機的額定功率被用作電機輸出功率以估算整車的最大車速。電機的峰值功率用于估計整車的加速時間以及最大爬坡度。若要達到設計目標所需求的最高車速，則電機將長期處于過載狀態，從上文可知長期過載會影響電動機和電池的使用壽命使整車經濟性變差。

3 整車控制策略研究

3.1 整車驅動控制

純電動汽車的整車驅動系統由電動機和電動機控制系統組成，并通過高、低壓線束和冷卻管連接到整車的其他系統。

3．1．1 驅動電機

純電動汽車的驅動電機主要包括：直流電動機、開關磁阻電動機和感應電動機。主要介紹直流電動機，它具有效率高、可靠性高、體積小等優點，是動力系統的執行機構，是將電能轉化為機械能的載體。它依靠內置的旋轉變壓器和溫度傳感器來提供電機的工作信息，并將電機運行狀態信息實時發送給電機控制系統。

3．1．2 電機控制系統

電動機控制系統主要包括轉矩控制模式和轉速控制模式。車輛控制器通過發送的控制模式選擇確定電機控制器的控制模式。在轉矩控制模式下，整車控制器向電機控制器發送消息：電機輸出轉矩值、電機運行方向及電機運轉方式。在轉速控制模式下，由整車控制器發送到電動機控制器的信息變為電機輸出轉速值、電機運行方向和電機運轉模式等。電機控制器提供的狀態信息有：電機轉速、電機轉矩、電機轉矩極限值、電機運行狀態、電機運轉模式、電機運行電流和電壓值、電機溫度信息、風扇運行狀態及水泵運行狀態。電機控制器還可以提供相應的故障信息包括：直流側電壓故障、散熱器過熱、過流、超載及超速等。

3.2 能源系統控制

純電動汽車能源管理系統主要是用于協調、分配和控制動力系統的能源轉換裝置的工作量的軟硬件系統。不同類型的純電動汽車具有不同的能源管理系統。

電動汽車的能量轉換裝置由電動機或發電機、電池、功率轉換模塊和動力傳遞裝置組成，能源傳輸路線主要包括：由電池到車輪、從車輪到電池兩條，其能源管理系統是最簡單的。其主要任務是在滿足汽車動力需求的前提下，最有效的利用電池的儲能，使汽車的減速并最大限度的回收制動得到的能量，使汽車的能量效率最大。純燃料電池電動汽車與之相似。混合動力燃料電池汽車和混合動力電動汽車，其能量轉換裝置通常有電力轉換裝置、功率變換模塊、能量儲存裝置、充電和放電裝置、電力傳遞裝置和動力傳輸裝置等。其能量傳遞路線包括：（1）由蓄電池到車輪；（2）由發電裝置到車輪的動力傳遞路線；（3）由車輪到能量儲存裝置的能量流動路線(能量回收)；（4）由發電裝置到能量儲存裝置。

3.3 輔助系統控制

對于普通車輛，由于檔位、加速器踏板等的故障，可能發生車輛的不期望的加速、減速或者倒車。在主電機和控制器發生故障的情況下，除了控制器自身的保護關閉停機外，車輛控制器還會將其控制器的啟用信號和油門減少到0，行使其保護功能。當電氣連接斷開時，信號處于開路模式，信號為0，不會對車輛造成危險；在通信方面，采用通信超時技術來確保通信線斷開引起的通信故障，不會對車輛造成危險。在車輛高壓電的總回路中串接有手動空氣斷路器保證在系統過流等故障時能斷開高壓電。但是，對于純電動汽車，現有的機械傳動結構部件不能滿足電動汽車的輔助控制需求。它經常會導致車輛轉向不足或制動不足，影響車輛的行駛安全性。

4 結語

本文討論純電動汽車的動力系統參數匹配和整車控制策略。以威伯科新能源客車為例，列出了純電動汽車的動力系統參數。同時還描述了純電動汽車基本參數和動力系統參數，并根據其汽車性能進行了仿真。在整車控制策略時主要描述了：整車驅動控制、能源控制和輔助控制。希望本文的內容可以應用到實際工作中去。