某纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真分析

黄鼎友，曾文杰，曾发林

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013 )

0 引言

纯电动汽车在保护环境、改善我国能源结构、减轻城市噪声污染等方面都有非常大优势，所以积极发展纯电动汽车具有非常重要的意义[1]。但在我国，甚至在世界上纯电动汽车的发展并不是一帆风顺，在电动汽车方面的诸多难题没有得到有效解决。比如在电池技术方面，电池质量大、成本高、充电速度慢、比能量低、SOC估算不准等难题一直困扰着汽车的动力性和经济性。2004年，英国曼彻斯特大学实验室成功研制出了石墨烯，但想要在汽车上普及石墨烯电池还有很长的路要走。由于短期内在电池技术方面很难取得重大进展，所以对汽车从业人员来说运用现有技术提高电动汽车动力性经济性变得很重要。整车厂的核心技术也体现在动力系统匹配的能力上，将传统汽车的匹配思路嫁接到新能源汽车方面是改善汽车动力性(最高车速、加速时间、最大爬坡度)和经济性(续驶里程)的重要突破口[2]。

纵观前人的研究，大部分的电动汽车动力系统参数匹配设计采用高电压电池以满足汽车的动力性能要求，但高电压对汽车电路元器件的要求更高，且对人们的用电安全有影响。本文设计采用辅能源单变换器并联的复合电源结构的低电压电池作为电动车的动力源，对其动力系统的相关参数进行匹配计算。通过在ADVISOR软件环境下建模仿真，验证该匹配方案符合设计要求。

1 汽车主要参数及性能指标选取

根据某电动汽车的市场定位，在参考了市场上同类型车的设计后，确定了以电动机作为纯电动汽车动力系统，整车参数和动力性、经济性参数见表1、表2。

表1 纯电动汽车整车参数

续表1

表2 纯电动汽车动力性能要求

2 整车参数匹配计算

2.1 电动机参数计算

a) 电动机峰值功率与额定功率的确定

汽车不同行驶工况下，汽车行驶功率平衡方程为：

(1)

(2)

(3)

式中：Pe为根据最高车速确定的电动机功率；M为汽车满载质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；umax为最高车速；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；Pimax为根据最大爬坡度确动定的电机功率；ua汽车低速爬坡车速，这里取20km/h；imax为最大爬坡度；Ptmax为根据加速时间确定的电机功率；δ为旋转质量换算系数，计算时取值1.04。

电动机功率必须满足汽车动力性要求，即上面3个公式要同时满足。由最大车速算得额定功率为14.4kW，实际选取的电动机功率为16.5kW。计算得到Pimax为11.75kW，由加速性能要求求得Ptmax为42kW。汽车以最高车速行驶时持续时间较长[5]。取加速时间和最大爬坡度结果的最大值作为电动汽车电动机的最大功率。

b) 电动机峰值转矩与额定转矩的确定

电动机的额定功率和额定转速决定了电动机的额定转矩，则电动机的额定转矩和最大转矩表示为:

(4)

Tmax=λ·Te

(5)

式中：Te表示驱动电动机的的额定转矩(N·m)；ne表示电动机额定转速(r/min)；Tmax表示电动机的最大转矩(N·m)，过载系数λ，一般取2～3。

c) 电动机额定电压的确定

电动机额定电压越高百公里耗电量越低，但需要串联更多电池，电池的增加会增加汽车质量，降低汽车动力性和经济性。高电压会对导线、元器件的性能提出更高的要求。根据市场调研和某公司实际情况，选择额定电压为108V。

d) 参数计算

在ADVISOR内存在不同转速、转矩下的电动机功率，转矩和功率存在下列关系：

(6)

以转矩T0=5N·m为初始值；步长θ1=10N·m；终止值T15=145N·m；转速n0=500r/min,步长θ2=500r/min,终止值n11=6 000r/min。根据公式求得不同转矩、转速下的功率，再根据等值线图结合读图软件Gatedata寻找该功率、转速下的电动机效率。

由计算结果，所选电动机的参数如表3所示。

表3 电动机基本参数

2.2 电池参数计算

a) 蓄电池节数的确定

电机已经选定，蓄电池的电压必需达到电机电压的需求。串联单体电池的个数影响着蓄电池标称电压。确定的电机电压为108V，所以确定单体电池节数N1可按以下公式：

N1V1=108

(7)

式中,N1表示蓄电池节数；V1表示蓄电池电压(V)。

b) 蓄电池容量的确定

根据蓄电池容量要满足汽车续驶里程的要求这一原则，采用等速(60km/h)原理可求得蓄电池消耗的总能量[6]。为了防止过放电对蓄电池的伤害，规定电池的放电深度为DOD=80%[7]。由以下公式确定电池容量：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Pm表示汽车等速(60km/h)行驶时的功率；S为汽车续驶里程要求(km)；W为电池可用能量(kW·h)；ur为电动汽车行驶速度(km/h)；Pm为汽车等速行驶时所需功率(kW)；t为机械效率，本文取0.9；M为汽车质量(kg)；f为滚动阻力系数；W为单个串联电池组可用电量；Q为电池总容量(Ah)；Ubat为蓄电池单体电压(V)；N1求得为30。

根据本文设计目标，综合工况下的续驶里程为100km,根据分析可得蓄电池容量应>100Ah。

动力电池技术参数如表4所示。

表4 动力电池技术参数

2.3 超级电容参数设计和选型分析

由双向DC/DC变换器的效率分析可知DC/DC变换器两侧的蓄电池和超级电容的压差越小，DC/DC变换器的效率越高。为了有效利用变换器的效率，所以在进行复合电源参数匹配分析时，应该让超级电容组的电压和蓄电池组的电压接近。按照分析，超级电容容量应该满足的约束条件为:

N2V2≅108

(12)

(13)

V2×C2≥Pmax

(14)

式中：V2为超级电容单体的电压；N2为超级电容单体的个数；t为峰值助力时间，取值为10s；N2ser为超级电容串联的个数；N2par为超级电容并联的个数；Vmax为超级电容单体的最高电压，取值为3V；Vmin超级电容单体的最低电压，取值为1.5V；DOD电容放电深度；Pmax为驱动电机峰值功率，取值为42kW；C2表示超级电容容量；Pave为驱动电机对电源的平均功率需求，取值为5.4kW。

因此通过公式(14)可得超级电容的容量C2为3 000F。表5是超级电容的主要参数表。

表5 超级电容参数

2.4 传动比计算

输出特性一定时，传动系的参数选择应该能够满足汽车的动力性、经济性的目标要求[8]。总传动比i应满足以下关系：

(15)

i=igi0

(16)

(17)

(18)

式中，i0为主减速的传动比；ig为变速器的传动比；nmax为电动机的最高转速；umax为最高车速；r为车轮有效半径；FuMax为最高车速时行驶阻力；Tnmax为电动机最高转速工作的输出的转矩；t为系统的传动效率；Fimax为最大爬坡度对应的行驶阻力；Tmax为电动机最大输出转矩。经计算传动比范围为5.35≤i≤6.17，于是采用单机减速器的i计算取值5.9。

3 仿真模型及结果分析

基于ADVISOR复合电源纯电动汽车顶层模型如图1所示，仿真工况为欧洲CYC_NEDC、美国的CYC_UDDS以及中国典型城市循环工况，仿真结果以UDDS工况为例进行分析。

图1 基于ADVISOR复合电源纯电动汽车顶层模型

3.1 动力性和经济性结果分析

图2为UDDS工况下ADVISOR仿真导出结果，可得：0～50km/h加速时间为4.9s；最高车速102.4km/h，基本达到设计要求100km/h；车速20km/h的爬坡度25%，实际车速基本都能跟随工况车速。表6为4种工况下的动力性能和经济性能结果对比。3种工况下的动力性一致，说明动力性和设定的仿真工况无关。等速60km/h工况下续驶里程为139.3km,达到要求。

图2 UDDS工况下ADVISOR仿真结果

3.2 电池和电动机性能结果分析

图3和图4分别为电池的放电和充电效率图，由图可知蓄电池具有良好的充放电特性。图5为电动机工作效率图，可以看出电动机主要工作在高功率范围内。

图3 电池的放电效率

图4 电池的充电效率

图5 电动机工作效率

循环工况0～50 km/h加速时间/s0～100 km/h加速时间/s最大加速度/(m/s2)最高车速/(km/h)20 km/h爬坡度/(%)续驶里程/km百公里消耗电能/(kW·h)UDDS工况4.912.02.9102.325110.014.7CHINA工况4.912.02.9102.325116.813.8NEDC工况4.912.02.9102.325102.415.8恒速60 km/h139.311.6

4 结语

以某纯电动汽车为研究对象，以传统汽车设计思路为基础，根据设计目标确定了动力系统的相关参数。介绍了动力性系统参数的相关计算要求，确定了各个部件参数。在设计逻辑门限控制策略以及双向DC/DC转换器的基础上，搭建了纯电动汽车动力系统各组成部分的数学模型。在ADVISOR环境下对某纯电动的车动力系统进行了仿真，仿真结果验证了设计方案的各项指标的合理性。结果也表明电机在较高工作效率区间工作且电池具有良好的充放电特性。为纯电动汽车动力性能设计提供了一种高效可行的方法。

本文对某采用复合电源结构的纯电动汽车进行了动力系统参数匹配设计与仿真，其中传动比采用固定传动比。后期工作可利用多目标优化进行多档位电动汽车传动比仿真优化，采用合理的优化算法进行计算。