新能源汽车技术 第4章 纯电动汽车2.1

规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 1 页4 4.1 1 概述概述4 4.2 2 纯电动汽车传动系统参数设计纯电动汽车传动系统参数设计 4 4.3 3 纯电动汽车的续驶里程纯电动汽车的续驶里程4 4.4 4 纯电动汽车电池管理系统纯电动汽车电池管理系统 4 4.5 5 纯电动汽车经济性评价指标及行驶能耗纯电动汽车经济性评价指标及行驶能耗4 4.6 6 纯电动汽车车载数据采集系统纯电动汽车车载数据采集系统4 4.7 7 纯电动汽车车型实例纯电动汽车车型实例 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 2 页纯电动汽车是以电池为储能单元，以电动机为驱动系统的车辆。通常，容量型动力电池即可满足使用要求，纯电动汽车的特点是结构相对简单，生产工艺相对成熟。缺点是充电速度慢，续驶里程短。因此适合于行驶路线相对固定，有条件进行较长时间充电的车辆。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 3 页 1. 1.按用途分类按用途分类 按用途不同，按用途不同，纯电动汽车可以分为纯电动汽车可以分为 （1 1）纯电动轿车；）纯电动轿车； （2 2）电动货车；）电动货车； （3 3）电动客车。）电动客车。 2 2按驱动形式分类按驱动形式分类 按动力驱动控制系统结构形式不同，纯电动汽车可以分为按动力驱动控制系统结构形式不同，纯电动汽车可以分为 （1 1）直流电机驱动的电动汽车；）直流电机驱动的电动汽车； （2 2）交流电机驱动的电动汽车；）交流电机驱动的电动汽车； （3 3）双电机驱动的电动汽车；）双电机驱动的电动汽车； （4 4）双绕组电机电动汽车；）双绕组电机电动汽车； （5 5）电动轮电动汽车。）电动轮电动汽车。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 4 页2.2.纯电动汽车组成与原理纯电动汽车组成与原理电动汽车主要由电力驱动系统、电源系统和辅助系统等三部分组成。典型电动汽车组成如右图所示。典型电动汽车组成框图规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 5 页2.2.纯电动汽车组成与原理纯电动汽车组成与原理 汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车续驶里程与蓄电池容量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省蓄电池的能量。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 6 页2.2.纯电动汽车组成与原理纯电动汽车组成与原理 1电力驱动系统 电力驱动系统主要包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮等。它的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。 电动汽车应用较多的电动机是直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机驱动的电动汽车，虽然在结构上有许多独到之处，如不需要离合器、变速器，并具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等优点，但它的整个动力传动系统效率低，所以逐渐被其它驱动类型电动机替代。交流电动机驱动的电动汽车突出的优点是体积小、质量轻、效率高、调速范围宽和基本免维护等优点。但其制造成本较高。随着电力电子技术的进一步发展，成本将随之降低，这类电动汽车将具有强大的生命力。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 7 页2.2.纯电动汽车组成与原理纯电动汽车组成与原理电动汽车的控制系统性能直接影响着汽车的性能指标，该控制系统控制汽车在各类工况下的行驶速度、加速度和能源转换情况。它类似于燃油汽车的加速踏板和变速器，包括电动机驱动器、控制器及各种传感器，其中最关键的是电动机逆变器。电动机不同，控制器也有所不同。控制器将蓄电池直流电逆变成交流电后驱动交流驱动电动机，电动机输出的转矩经传动系统驱动车轮，使电动汽车行驶。有关电动机的相关内容已在第3章中介绍。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 8 页2.2.纯电动汽车组成与原理纯电动汽车组成与原理 2电源系统 电源系统主要包括电源、能量管理系统和充电机等。它的功用是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。 纯电动汽车的常用电源有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。 纯电动汽车和混合动力电动汽车的能量管理不同，纯电动汽车主要是指电池管理系统，它的主要功用是对电动汽车用电池单体及整组进行实时监控、充放电、巡检、温度监测等。 有关电池的相关内容已在第2章中介绍。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 9 页2.2.纯电动汽车组成与原理纯电动汽车组成与原理3辅助系统 辅助系统主要包括辅助动力源、空调器、动力转向系统、导航系统、刮水器、收音机以及照明和除霜装置等。辅助系统除辅助动力源外，依据不同车型而不同。 辅助动力源主要由辅助电源和DC/DC功率转换器组成。它的功用是向动力转向系统、空调器及其它辅助设备提供动力。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 10 页 电动汽车的驱动系统是电动汽车的核心部分，其性能决定着电动汽车运行性能的好坏。电动汽车的驱动系统布置取决于电机驱动系统的方式，可以有多种多样。常见的驱动系统布置形式如下图所示。（1）第一种与传统汽车驱动系统的布置方式一致，带有变速器和离合器。只是将发动机换成电动机，属于改造型电动汽车。这种布置可以提高电动汽车的起动转矩，增加低速时电动汽车的后备功率。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 11 页（2）第二种取消了离合器和变速器。优点是可以继续沿用当前发动机汽车中的动力传动装置，只需要一组电动机和逆变器。这种方式对电动机的要求较高，不仅要求电动机具有较高的起动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证电动汽车的起动、爬坡、加速超车等动力性。（3）第三种布置方式将电动机装到驱动轴上，直接由电动机实现变速和差速转换。这种传动方式同样对电动机有较高的要求，大的起动转矩和后备功率，同时不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全、平稳。纯电动汽车驱动系统布置方案 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 12 页 纯电动汽车与燃油汽车相比，具有以下特点： （1）无污染，噪声低 电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有“零污染”的美称；电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。但是，使用电动汽车并非绝对无污染，例如使用铅酸蓄电池做动力源，制造、使用中要接触到铅，充电时产生酸气，会造成一定的污染；蓄电池充电所用的电力，在用煤炭作燃料时会产生CO、SO2、粉尘等；随着技术的发展，可以用其它电池做电动汽车的电源，如发展水电、核电、太阳能充电等。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 13 页 （2）能源效率高，多样化 电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。 另一方面，电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 14 页 （3）结构简单，使用维修方便 电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小，当采用交流感应电动机时，电动机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。 （4）动力电源使用成本高，续驶里程短 目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电源（电池）的寿命短，使用成本高。电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格较贵。但从发展的角度看，随着科技的进步，投入相应的人力物力，电动汽车的问题会逐步得到解决。扬长避短，电动汽车会逐渐普及，其价格和使用成本必然会降低。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 15 页 1电机及控制技术电动汽车的驱动电机属于特种电机，是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动转矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 16 页 着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。它们的应用将使系统结构简单、响应迅速、抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，可大大提高整个系统的综合性能。 电动汽车再生制动控制系统可以节约能源、提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会效益。再生制动还可以减少刹车片的磨损，降低车辆故障率及使用成本。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 17 页 2电池及管理技术电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池要求比能量高、比功率大、使用寿命长，但目前的电池能量密度低，电池组过重，续驶里程短，价格高，循环寿命有限。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 18 页电动汽车车用动力蓄电池经过3代的发展，已取得了突破性的进展。第1代是铅酸电池，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前唯一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锌空气等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。只要能采用廉价材料，电动汽车用锂离子电池将获得长足的发展，目前关键是要降低批量化生产的成本，提高电池的可靠性、一致性及寿命。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池能量转变效率、比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 19 页 电池组性能直接影响整车的加速性能、续驶里程以及制动能量回收的效率等。电池的成本和循环寿命直接影响车辆的成本和可靠性，所有影响电池性能的参数必须得到优化。电动车的电池在使用中发热量很大，电池温度影响电池的电化学系统的运行、循环寿命和充电可接受性、功率和能量、安全性和可靠性。所以，为了达到最佳的性能和寿命，需将电池包的温度控制在一定范围内。减小包内不均匀的温度分布以避免模块间的不平衡，以此避免电池性能下降，且可以消除相关的潜在危险。由于电池包的设计既要密封、防水、防尘、绝缘等，又要考虑空气流流场分布、均匀散热，所以电池包的散热通风设计，成为电动车研究的一个重要领域。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 20 页 3 3整车控制技术整车控制技术新型纯电动轿车整车控制系统是两条总线的网络结新型纯电动轿车整车控制系统是两条总线的网络结构，即驱动系统的高速构，即驱动系统的高速CANCAN总线和车身系统的低速总总线和车身系统的低速总线。高速线。高速CANCAN总线每个节点为各子系统的总线每个节点为各子系统的ECUECU。低速。低速总线按物理位置设置节点、基本原则是基于空间位总线按物理位置设置节点、基本原则是基于空间位置的区域自治。置的区域自治。实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现的通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术的通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车上应用的一个基础，同时也为在汽车上应用的一个基础，同时也为X-by-WireX-by-Wire技术技术提供有力的支撑。提供有力的支撑。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 21 页 4整车轻量化技术 整车轻量化始终是汽车技术重要的研究内容。纯电动汽车由于布置了电池组，整车重量增加较多，轻量化问题更加突出。（1）通过对整车实际使用工况和使用要求的分析，对电池的电压、容量、驱动电动机功率、转速和转矩、整车性能等车辆参数的整体优化，合理选择电池和电动机参数。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 22 页（2）通过结构优化和集成化、模块化优化设计，减轻动力总成、车载能源系统的重量。这里包括对电动机及驱动器、传动系、冷却系统、空调和制动真空系统的集成和模块化设计，使系统得到优化；电池、电池箱、电池管理系统、车载充电机组成的车载能源系统的合理集成和分散，实现系统优化。（3）积极采用轻质材料，如电池箱的结构框架、箱体封皮、轮毂等采用轻质合金材料。（4）利用CAD技术对车身承载结构件（如前后桥、新增的边梁、横梁等）进行有限元分析研究，用计算和试验相结合的方式，实现结构最优化。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 23 页 电动汽车动力传动系统的设计应该满足车辆对动力性能和续驶里程的要求。车辆行驶的动力性能可以用以下四个指标来评价：（1）起步加速性能 车辆在设定时间内由静止加速到额定车速或走过预定的距离的能力。（2）以额定车速稳定行驶的能力 对电动汽车来说，蓄电池和电动机应该能提供车辆以额定车速稳定行驶的全部功率需求，并且根据我国的道路状况至少能克服坡度为3%的路面阻力。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 24 页 （3）以最高车速稳定行驶的能力在电动汽车上，电动机发出的功率应该能够维持车辆以最高车速行驶。 （4）爬坡能力 电动汽车能以一定的速度行驶在一定坡度的路面上。 另外，电动汽车的蓄电池所输出的电能和电量应该能够维持电动汽车在一定工况下行驶额定的里程。 下面以改造型纯电动汽车为例，介绍其传动系统参下面以改造型纯电动汽车为例，介绍其传动系统参数的设计数的设计。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 25 页电动机的功率包括额定功率和最大功率。电动机的功率选得越大，则电动汽车的后备功率越多，加速和爬坡性能越好，但同时电动机的体积和质量也会迅速增加，而且会使电动机不能经常工作在峰值功率附近，从而会出现大马拉小车的现象，使电动机的效率下降。因此，电动机的功率不能选得太大，应该依照电动汽车的最高行驶车速、爬坡度和加速性能来确定电动机的功率。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 26 页 1根据汽车最高车速确定电动机功率 设计中常常以先保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率。已知电动汽车期望的最高车速，选择的电动机功率应大体上等于但不小于汽车以最高车速行驶时行驶阻力消耗的功率之和。电动汽车以最高车速行驶消耗的功率为 式中， 为整车质量（kg）； 为滚动阻力系数； 为迎风阻力系数； 为迎风面积（）； 为最高行驶车速（km/h）。 3maxmax761403600maxuACuMgfPDUMfDCAmaxu规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 27 页 2根据汽车爬坡度确定电动机功率 电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率为 式中， 为电动汽车行驶速度（km/h）； 为坡度。 3根据电动汽车加速性能确定电动机功率 电动汽车在水平路面上加速行驶消耗的功率为aaDaiuMgiuACuMgfP36007614036003auiaaDaaudtduMuACuMgfP36007614036003规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 28 页22022111RiiIMRIMtgfw式中， 为汽车旋转质量换算系数； 为车轮的转动惯量（kgm2)； 为飞轮的转动惯量（kgm2)； 为车轮半径（m）； 为变速箱传动比； 为主减速器传动比。电动汽车的电动机功率应能同时满足汽车对最高车速、加速度及爬坡度的要求。所以电动汽车电动机的额定功率为电动汽车电动机的最大功率为式中， 为机械传动系统效率； 为电动机的过载系数。 wIfIRgi0itaiUerPPPPmax，erePPmaxt规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 29 页 在电动机输出特性一定时，传动系的传动比如何选择，依赖于整车的动力性指标要求，即电动汽车传动比的选择应该满足汽车最高期望车速、最大爬坡度以及对加速时间的要求。1传动系速比的上限 传动系速比的上限由电动机最高转速和最高行驶车速确定。 式中， 为主减速器的传动比； 变速器的传动比。maxmax377. 0uRni giii00igi规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 30 页 2传动系速比的下限 传动系速比的下限由下述两种方法算出的传动系速比的最大值确定。 由电动机最高转速对应的最大输出转矩和最大行驶车速对应的行驶阻力确定传动系速比下限为 式中， 为最高车速对应的行驶阻力； 为电动机最高转速对应的输出转矩。 由电动机的最大输出转矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定传动系速比下限为 式中， 为最大爬坡度对应的行驶阻力（N）； 为电动机最大输出转矩（Nm）。maxmaxutuTRFimaxuFmaxuTmaxmaxTRFitimaxiFmaxT规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 31 页 电池组容量的选择主要考虑汽车行驶时的最大输出功率和消耗的能量，以保证电动汽车对动力性和续驶里程的要求。 1由电动汽车所需的最大功率选择电池组数目 蓄电池的携带能量必须大于或等于电动汽车的最大能耗，如此才能保证电动汽车行驶要求。所以要求电池组数目为 式中， 为电动机的工作效率； 为电动机控制器的工作效率； 为单个电池组所包含的电池的数目。NPPnecebemaxmaxeecN规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 32 页 2由续驶里程选择电池组的数目 在汽车充电前，蓄电池所携带的能量必须保证电动汽车能够行驶一定的里程。所以电池组数目为 式中， 为续驶里程（km）； 为电动汽车行驶1km所消耗的能量（kW）； 为单个电池的电容（Ah）； 为单个电池的电压（V）。 从二者中选择较大者确定电池组组数。NVCLWnss1000LWsVsC规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 33 页4.4.设计实例设计实例下面以某一型号的汽车为例，介绍改装型电动汽车的设计。1.电动机参数的选择电动机类型选取交流感应电动机。 由式（4-1）（4-6）计算得到电动机的最大功率 =71.3348kW。电动汽车所用的电动机具有较大的过载能力，最大功率可达额定功率的3倍左右。因此，按匀速模式选择的电动机功率完全能够满足加速模式下动力性能的要求。 参考ADVISOR并查阅电工手册选择交流电机参数：额定功率 =30kW；额定电压 =220V；最大电流 =180A；过载系数 =2.4 ；最高转速 =9000r/min。maxePerPerUmaxeImaxn规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 34 页4.4.设计实例设计实例2. 传动系统传动比的选择目前，电动汽车主要在市区和城市近郊使用，它所遇到的工况多种多样，最低稳定车速在36km/h范围内，最高车速可达100km/h，甚至更高。电动汽车在行驶过程中所遇到的阻力变化很大，变化范围在6倍以上，而单靠电动机的力矩变化是不能满足电动汽车行驶性能要求的。因此，在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器，一方面使电动汽车满足行驶性能要求，另一方面使电动机经常保持在高效率的工作范围内工作，减轻电动机和动力电池组的负荷。为了满足电动汽车行驶阻力的变化范围，减轻电动机和动力电池的负荷，提高工作效率，又使传动系统的结构不过于复杂以至降低工作效率，这里采用档变速器。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 35 页4.4.设计实例设计实例（1）主减速器速比的选择 设传动系变速器第档为直接档即 =1，电动机的最高稳定转速 =9000r/min，所以由式（4-7）得， 7.9170。又因为 1.3326。参考多种汽车主减速器速比经验值及ADVISOR仿真试验的反复验证，初步确定主减速器速比 为4.3245。（2）变速器速比的选择 汽车传动系各档的传动比大体上按等比级数分配，这种分配变速器速比的方法使汽车经常工作在大的功率范围内，可以充分利用蓄电池所提供的一次充放电的有限能量，提高动力性，增加续驶里程。3gimaxn0i0i0i规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 36 页4.4.设计实例设计实例综上可得， =2.0898；根据等比级数的分配方法 得， =1.4456 1giqiiiigggg322112ggiqi规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 37 页4.4.设计实例设计实例3.蓄电池参数的选择电动汽车动力电池的选用不仅应该考虑动力性因素，还应该考虑环保方面的因素。电池类型选择镍氢电池，其比电容达250Ah，比电压1.2V，比能量达80Wh/kg，比功率230W/kg。（1）由电动机功率确定电池组的数目 在实际应用中电池的最大功率应限制为式中， 为单体电池电动势； 为等效内阻 。由式求得单个电池的最大输出功率为 =1.3853kW，进而得， =21.7035。int20max92REPb0EintRmaxbPn规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 38 页（2）由续驶里程确定电池组的数目 由前面得， =15.9705。考虑到电池放电深度一般不超过80%，故取 =19.9631。 综上，取电池组数目n=22。 电动汽车传动系统主要参数都是从汽车行驶时所消耗的能量出发推导计算得到的，理论上，它的动力性、续驶里程都应该满足设计要求。 nn规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 39 页 电动汽车的设计是否满足要求，需要对电动汽车的性能进电动汽车的设计是否满足要求，需要对电动汽车的性能进行仿真分析。基于行仿真分析。基于ADVISORADVISOR建立电动汽车主要部件及整车建立电动汽车主要部件及整车仿真模型，组成如下图所示。仿真模型，组成如下图所示。 整车模型组成示意图规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 40 页1.电动机仿真模型 电动汽车用的交流电动机/控制器仿真模型总成，包括转动惯量影响子模块、转速评价器、转矩限制子模块以及温度控制子模块等。电动机/控制器仿真模型能够把需求的转速、转矩转化为电能需求并把电能转化成转矩和转速输出。此模块可以计算牵引电动机的转矩、转速、输入功率以及对电动机的转矩、转速进行限制，并控制牵引电机的温度；电动机特性图输入控制电动机的特性，并对转动惯量以及电动机温度的影响进行计算，最后得到电动机输出的有效驱动转矩和转速，以及电动机输入的能量。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 41 页2蓄电池仿真模型 蓄电池在充放电时伴随着复杂的化学反映，产生的热量导致电池温度也会发生变化。因此蓄电池的电化学特性是一个与各种随机变量相关的非线性函数。实际上，电化学电池动态模型的建立一方面从分析内在机理出发，另一方面借助试验测试来拟合非线性变量之间的关系，建模的基础是确定电动势以及内阻的特性函数。蓄电池仿真模型总成，包括开路电压和内阻计算子模块、功率限制子模块、负载电流计算子模块、SOC计算子模块、蓄电池散热子模块等。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 42 页蓄电池所容纳的充电量被看作常数，并受到最小开路电压的限制。电池放电过后需要重新补充的电量受到库仑定律的影响，最大充电量受到电池最大开路电压限制。当电池完全被当作一个已知内阻的电压源时，与之相连接的部件（如电动机）将被看作耗能元件。电池的输出功率受等效电路输出的最大功率、电动机功率、控制器接受的最大功率的影响。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 43 页3车身仿真模型 车身模型构成它包括滚动阻力、坡度阻力、迎风阻力、加速阻力计算子模块、汽车车速计算子模块。电动汽车的车速是评判电动汽车的一项重要指标，所以汽车车速计算子模块在模型总成中也具有相当重要的作用，通过该模块计算出汽车行驶车速，从而推算出汽车的行驶阻力，根据车轮反馈而来的汽车需要的驱动力和线性速度，计算出传递给汽车所需要的驱动力以及更新下一刻车速。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 44 页4.主减速器和变速器仿真模型主减速器仿真模型总成通过车轮/轮轴传递的主减速器输出端需要的转矩和转速以及由变速器反馈而来的有效转矩和转速，修正主减速器输入端的转矩和转速算出主减速器的输出转矩和转速。变速器仿真模型总成由输入输出轴转矩转速计算子模块、变速器控制子模块、转动惯量影响子模块、转矩损失子模块等构成。此模型总成通过主减速器模型传递的变速器需要输出的转矩和转速以及由电动机/控制器模型反馈而来的转矩和转速，修正变速器的输入转矩和转速算出变速器的输出有效转矩和转速。主减速器和变速器仿真模型都具有传递和修正转矩和转速的作用。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 45 页5.纯电动汽车整车仿真模型综上，将各个模块封装连接组成纯电动汽车的整车模型如下图所示。整车仿真模型 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 46 页 6.仿真结果汽车在实际行驶过程中不可能长时间在稳定车速下行驶，尤其是在市区行驶时，电动汽车在行驶中常常伴有频繁的加速、减速、怠速、停车等行驶工况。行驶工况应该在对实际路面和交通状况的大量统计的基础上得出的，能够反映车辆在实际使用中的状况。我国尚没有建立准确的完整的道路行驶工况，所以选用日本10-15工况来进行仿真，仿真结果如下图所示。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 47 页ADVISOR仿真结果 从右图中的车速、荷电状态、功率、转矩变化曲线可以得出如下结论：电动汽车的匹配参数满足选择的工况要求，行驶稳定；电动汽车得到的转矩、功率满足所需要的动力性要求；荷电状态变化较为平稳。在实际设计中，如果对所设计的电动汽车的性能不满意，可以对传动系统参数进行优化，直到满意为止。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 48 页 目前，影响纯电动汽车发展的主要因素之一是续驶里程短。为了尽可能地提高纯电动汽车的续驶里程，有必要对其影响因素进行分析。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 49 页 1等速行驶续驶里程的计算 汽车在良好的水平路面上一次充电后等速行驶直至消耗掉全部携带的电能为止所行驶的里程，称为等速行驶的续驶里程。它是电动汽车的经济性指标之一。（1）汽车以速度v等速行驶时所需的电动机输出转矩 和功率 分别为MPiRAuCfGMga/21.15)(2DiRuAuCfGPgaa6)./3(/21.15)(2D规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 50 页 （2）根据电机的类型（如交流和直流电机）和控制方式（如晶闸管调速和PWM方式等）的不同可以确定电动机的输出转矩M 和电池放电电流I的关系即： ；也可以确定电机的输出功率 与电机效率 的关系，即 （3）电池携带的额定总能量为 式中， 为电池的额定容量（Ah）；Ue为电池的端电压（V）；Ge为电动汽车携带的电池总量（kg）；q为电池比能量（Wh/kg）。 MII P)(PqGUQWeem0mQ规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 51 页根据电池放电特性，电池以高于额定放电电流Im的电流I放电时，其总能量要相应减少。以铅酸电池为例，当电池以大电流 放电时，总能量 为式中，当 3时， =1.313；当 3时， =1.414。（4）等速行驶续驶里程IW1kmeIIqGWmII /kmII /ks()k 1meIWVPG quPI MP规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 52 页2多工况行驶续驶里程的计算 多工况续驶里程为式中， 为每个状态行驶距离（km）； 为车辆能够完成的状态总数。kiiSS1iSk规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 53 页电动汽车续驶里程的影响因素较为复杂，其中最主要的因素是车载能源问题。续驶里程与电动汽车在行驶过程中所消耗的能量密切相关，影响因素主要来自电动汽车行驶的外部条件和电动汽车本身的结构条件。这里以某改造型电动汽车为例，定性分析影响纯电动汽车续驶里程的因素。1滚动阻力系数对续驶里程的影响轮胎的滚动阻力系数越小，续驶里程越大。所以降低轮胎滚动阻力系数可明显增加电动汽车的续驶里程。特别是对低速、整车质量较大的电动汽车，尤其如此。因此，采用滚动阻力系数小的子午线轮胎，增大轮胎气压等是增加电动汽车续驶里程的重要途径。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 54 页2空气阻力系数对续驶里程的影响空气阻力系数越小，续驶里程越大；车速越大，空气阻力系数对电动汽车续驶里程的影响明显。通过对电动汽车进行流线型设计，底部做成光滑表面，同时取消散热器罩等措施，可以降低空气阻力系数。3机械效率对续驶里程的影响提高电动汽车动力传动系统的机械效率，能有效地增加电动汽车的续驶里程。电动汽车整车质量越小，行驶速度越低，机械效率对续驶里程的影响越大。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 55 页4整车质量对续驶里程的影响整车质量越大，续驶里程越小；并且不同车速时，续驶里程也不相同。为了降低整车总重量，可通过采用轻质材料的方法实现。5蓄电池参数对电动汽车续驶里程的影响蓄电池参数包括很多，这里主要从蓄电池的放电深度、电池比能量、电池箱串联电池个数、电池箱并联电池组数、蓄电池的自行放电等几个方面分析。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 56 页（1）蓄电池的放电深度 蓄电池的放电深度越大，电动汽车的续驶里程就越大；同时，车速和负荷对续驶里程的影响也很明显（2）电池比能量 当电动汽车携带的电池总量一定时，电池参数中电池的比能量对续驶里程影响最大，可见提高电池的比能量对提高电动汽车续驶里程意义重大。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 57 页 （3）电池箱串联电池个数对续驶里程的影响 增加每个电池箱串联电池的个数，电动汽车的续驶里程明显增加。这主要是一方面由于增加了电池的数量，可以增加电池组的总能量储备，另一方面由于电池组的电压增高，在电池放电效率相同的情况下，减小了电池的放电电流，可以增加电池组的有效容量。 在增加电池数量的同时，也增加了电动汽车的总质量，从而增加了电动汽车的能量消耗，降低了电动汽车的续驶里程。但每个电池箱电池数量的增加，会增加电池组的电压，电动汽车的动力性会得到提高。因此，电动汽车动力传动系统的匹配应兼顾电动汽车的续驶里程和动力性。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 58 页 （ 4）电池箱并联电池组数对续驶里程的影响 在保持电池组总电压的情况下，增加并联电池箱的数量可显著增加电动汽车的续驶里程。这主要是一方面增加了电池的数量，可增加电池组的总能量储备，另一方面由于并联支路的增加，在各并联支路电池箱不超过额定放电电流的情况下，可以增加电池组总的放电电流，从而增加电池组的额定容量。 增加电池箱并联数量，可提高电池组的放电功率，电动汽车的动力性会显著提高。因此，增加电池箱并联数量可提高电动汽车的动力性和续驶里程。但是，随着电池数量的增加，电池占整车质量的比重和电动汽车的总质量也将增大，这将增加电动汽车的能量消耗，降低电动汽车的续驶里程。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 59 页（5）自行放电率 蓄电池的自行放电率是指在电池的存放期间容量的下降率，即蓄电池无负荷时自身放电使容量损失的速度。显然，自放电率越大，电池在存放期间的容量的损失就越多，能量的无用损耗越多，相应的电动汽车的续驶里程也就越短。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 60 页 6 6续驶里程其它影响因素的分析续驶里程其它影响因素的分析（1 1）行驶工况对续驶里程的影响）行驶工况对续驶里程的影响 行驶工况对电动汽车的续驶里程影响很大。对行驶工况对电动汽车的续驶里程影响很大。对于恒速行驶，电流随车速的增加而增加，每公于恒速行驶，电流随车速的增加而增加，每公里消耗的电能随车速的升高增加，而电池的放里消耗的电能随车速的升高增加，而电池的放电容量则随车速的升高而减小，故其续驶里程电容量则随车速的升高而减小，故其续驶里程随行驶车速的升高而减少。随行驶车速的升高而减少。 规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 61 页（2）行驶的环境状况对续驶里程的影响 在相同的车辆条件下，电动汽车行驶的道路情况与环境气候对电动汽车行驶的续驶里程有很大影响。如气温的高低一方面对电池的有效容量有很大影响，另一方面也会影响电动汽车的总效率（电机效率、机械传动效率和电器元件的效率等）和通风、冷却、空调所消耗的能量。另外，风力的方向与大小、道路的种类（摩擦系数、坡度、平整性）及交通拥挤状况都会使车辆的能量消耗增加或减小，从而使电动汽车的续驶里程有显著的差别。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 62 页（3）辅助系统和低电压电器系统对续驶里程的影响 电动汽车上制动系统的空气压缩机、转向系统的油泵需辅助电动机驱动，其它还有照明、音响、空调、通风、取暖等电器都需要消耗电池的能量。辅助系统和低电压系统的功率越大，消耗的电能就越大，电动汽车的续驶里程就越小，动力性能也会受到影响。 由此可见，影响电动汽车续驶里程的因素众多，在实际设计中，尽可能综合考虑各种因素的影响，提高电动汽车的续驶历程。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 63 页4.4 4.4 纯电动汽车电池管理系统纯电动汽车电池管理系统 电池管理系统是集监测、控制与管理为一体的、复杂的电气测控系统，也是电动汽车商品化、实用化的关键。电池管理的核心问题就是SOC的预估问题，电动汽车电池操作窗SOC的合理范围是30%70%，这对保证电池寿命和整体的能量效率至关重要。电动汽车在运行时，电池的放电和充电均为脉冲工作模式，大的电流脉冲很可能会造成电池过充（超过80%SOC）、深放（小于20%SOC）甚至过放（小于0%SOC），因此电动汽车的控制系统一定要对电池的荷电状态敏感，并能够及时做出准确的调整，这样电池管理系统才能根据电池容量决定电池的充放电电流，从而实施控制，根据各只电池容量的不同识别电池组中各电池间的性能差异，并以此做出均衡充电控制和电池是否损坏的判断，确保电池组的整体性能良好，延长电池组的寿命。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 64 页4.4 4.4 纯电动汽车电池管理系统纯电动汽车电池管理系统准确和可靠地获得电池SOC是电池管理系统中最基本和最首要的任务，在此基础上才能对电动汽车的用电进行管理，特别是防止电池的过充及过放。蓄电池的荷电状态是不能直接得到的，只能通过对电池特性电压、电流、电池内阻、温度等参数来推断。这些参数与SOC的关系并不是简单的对应的关系。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 65 页 电池管理系统是电动汽车的关键组成模块，电池要配备电池管理系统才能正常工作，电池管理系统的功能主要包括： 1实时采集电池系统运行状态参数 实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池组总电压等。由于电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据都要进行监测。 2确定电池的SOC 准确估测动力电池组的SOC，从而随时预报电动汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的SOC，使电池的SOC值控制在30%70%的工作范围。规格严格 功夫到家（威海）（威海）HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING汽车工程学院汽车工程学院新能源汽车技术 第 66 页 3故障诊断与报警 当蓄电池电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池的使用寿命；当电池组的温度过高，非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常工作。 4电池组的热平衡管理 电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分，其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池温度处于正常工作