纯电动汽车第四章1

null第4章 纯电动汽车(一)第4章 纯电动汽车(一)4.1 概述 4.2 纯电动汽车传动系统参数设计 4.3 纯电动汽车的续驶里程 4.4 纯电动汽车电池管理系统 4.1 概述4.1 概述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。 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。1.纯电动汽车分类1.纯电动汽车分类1).按用途分类 （1）纯电动轿车； （2）电动货车； （3）电动客车。 2)．按驱动形式分类 （1）直流电机驱动的电动汽车； （2）交流电机驱动的电动汽车； （3）双电机驱动的电动汽车； （4）双绕组电机电动汽车； （5）电动轮电动汽车。2.纯电动汽车组成与原理2.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。 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。 null典型电动汽车组成框图2.纯电动汽车组成与原理2.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。2.纯电动汽车组成与原理2.纯电动汽车组成与原理包括电动机驱动器、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。2.纯电动汽车组成与原理2.纯电动汽车组成与原理 2)．电源系统 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。2.纯电动汽车组成与原理2.纯电动汽车组成与原理3)．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。3.纯电动汽车驱动系统布置形式 3.纯电动汽车驱动系统布置形式 （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。3.纯电动汽车驱动系统布置形式3.纯电动汽车驱动系统布置形式 （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。 （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。null驱动桥nullnullnullnullnull4.纯电动汽车的特点 4.纯电动汽车的特点 （1）无污染，噪声低 （2）能源效率高，多样化 （3）结构简单，使用维修方便 （4）动力电源使用成本高，续驶里程短 5.纯电动汽车的关键技术 5.纯电动汽车的关键技术 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。 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。5.纯电动汽车的关键技术5.纯电动汽车的关键技术变结构控制、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。 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。5.纯电动汽车的关键技术5.纯电动汽车的关键技术 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。5.纯电动汽车的关键技术5.纯电动汽车的关键技术 3)．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构，高速CAN总线每个节点为各子系统的ECU。低速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。 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X-by-Wire技术提供有力的支撑。5.纯电动汽车的关键技术5.纯电动汽车的关键技术 4)．整车轻量化技术   （1）通过对整车实际使用工况和使用要求的，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。5.纯电动汽车的关键技术5.纯电动汽车的关键技术（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。 （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。4.2 纯电动汽车传动系统参数设计4.2 纯电动汽车传动系统参数设计四个指标来评价： （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。 4.2 纯电动汽车传动系统参数设计4.2 纯电动汽车传动系统参数设计（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。 1.电动机参数设计 1.电动机参数设计 电动机的功率包括额定功率和最大功率。 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。 1.电动机参数设计1.电动机参数设计 1)．根据汽车最高车速确定电动机功率 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。 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）。 1.电动机参数设计1.电动机参数设计 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 1.电动机参数设计1.电动机参数设计式中， 为汽车旋转质量换算系数； 为车轮的转动惯量（kg·m2)； 为飞轮的转动惯量（kg·m2)； 为车轮半径（m）； 为变速箱传动比； 为主减速器传动比。 电动汽车电动机的额定功率为 2.传动系传动比设计2.传动系传动比设计 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。 2.传动系传动比设计2.传动系传动比设计2)．传动系速比的下限 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（N·m）。3.电池组容量设计3.电池组容量设计 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，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。3.电池组容量设计3.电池组容量设计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（A·h）； 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。4.设计实例4.设计实例1).电动机参数的选择 电动机类型选取交流感应电动机。 计算得到电动机的最大功率 =71.3348kW。 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。4.设计实例4.设计实例2). 传动系统传动比的选择 电动汽车行驶工况多种多样，最低稳定车速在3~6km/h范围内，最高车速可达100km/h，甚至更高。行驶过程遇到的阻力变化很大，变化范围在6倍以上，在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器。 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，采用Ⅲ档变速器。4.设计实例4.设计实例（1）主减速器速比的选择 设传动系变速器第Ⅲ档为直接档即 =1，电动机的最高稳定转速 =9000r/min，得 7.9170。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，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。4.设计实例4.设计实例 综上可得， =2.0898；根据等比级数的分配方法 得， =1.4456 4.设计实例4.设计实例3).蓄电池参数的选择 电池类型选择镍氢电池，其比电容达250A·h，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。4.设计实例4.设计实例（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。 5.性能仿真5.性能仿真 基于ADVISOR建立电动汽车主要部件及整车仿真模型。 1)仿真模型(1). 电动机仿真模型 (2)．蓄电池仿真模型 (3)．车身仿真模型 (4). 主减速器和变速器仿真模型 (5). 纯电动汽车整车仿真模型null仿真模型组成示意图null整车仿真模型 5.性能仿真5.性能仿真 2).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。选用日本10-15工况来进行仿真，仿真结果如下图所示。nullADVISOR仿真结果 nullADVISOR仿真结果 4.3 纯电动汽车续驶里程4.3 纯电动汽车续驶里程 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。1.纯电动汽车续驶里程模型 1.纯电动汽车续驶里程模型 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。 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1.纯电动汽车续驶里程模型1.纯电动汽车续驶里程模型根据电机的类型和控制方式的不同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 电池携带的额定总能量为 1.纯电动汽车续驶里程模型1.纯电动汽车续驶里程模型以铅酸电池为例，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。 等速行驶续驶里程1.纯电动汽车续驶里程模型1.纯电动汽车续驶里程模型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。2.纯电动汽车续驶里程影响因素 2.纯电动汽车续驶里程影响因素 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。 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。 2.纯电动汽车续驶里程影响因素2.纯电动汽车续驶里程影响因素2)．空气阻力系数对续驶里程的影响 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。2.纯电动汽车续驶里程影响因素2.纯电动汽车续驶里程影响因素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。4.4 纯电动汽车电池管理系统4.4 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。 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。1.电池管理系统的功能 1.电池管理系统的功能 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。 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。1.电池管理系统的功能1.电池管理系统的功能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。 4)．电池组的热平衡管理 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温度范围内。 5)．一致性补偿 当电池之间有差异时，有一定措施进行补偿，保证电池组表现能力更强，并有一定的手段来显示性能不良的电池位置，以便修理替换。1.电池管理系统的功能1.电池管理系统的功能6)．通过总线实现各检测模块和中央处理单元的通讯 在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即准确估计电动汽车蓄电池的SOC状态。 2.电池管理系统的硬件实现2.电池管理系统的硬件实现硬件的设计取决于管理系统实现的功能。 保证采集数据的准确性、可靠稳定的系统通信、抗干扰性。 根据设计要求确定需要采集动力电池组的数据类型； 根据采集量以及精度要求确定前向通道的设计； 根据通信数据量以及整车的要求选用合理的总线。 null电池管理系统结构示意图 2.电池管理系统的硬件实现2.电池管理系统的硬件实现1). 电压采样的实现 电压采样是对电动汽车电池组的电压进行采样，每个电池组由10个单体电池构成。本系统中一共有14个电池组组成电动汽车的动力电池。原理如下图所示，每个电池为一个电池组。null电压数据采集硬件框图 2.电池管理系统的硬件实现2.电池管理系统的硬件实现2).电流采样的实现 采用电流传感器LT308（LEM），该电流传感器是基于霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器，具有高的精度、良好的线性度和最佳的反应时间，同时也具有很好的抗干扰能力。其测量电路如下图所示。null电流采样部分示意图2.电池管理系统的硬件实现2.电池管理系统的硬件实现3)．温度采样的实现 温度检测系统采用直接电源供电方式。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。null温度测量图2.电池管理系统的硬件实现2.电池管理系统的硬件实现4).抗干扰措施的设计 由于电池管理系统用在情况比较复杂的电动汽车上，所以干扰可以沿各种线路侵入单片机系统。其主要的渠道有三条：即空间干扰、供电系统干扰、过程通道干扰。2.电池管理系统的硬件实现2.电池管理系统的硬件实现5)．车载CAN通讯设计实现 电池管理系统是混合电动车车载电气系统的一部分。它与整车控制系统的通讯联系是通过CAN通讯来实现的。在电池管理系统中，CAN通讯的实现是由外围设置CAN的控制器和接收器组成的通讯模块，它的设计如下图所示。nullCAN通讯接口设计原理图 3.电池管理系统的软件实现3.电池管理系统的软件实现 系统软件是基于ATMEGA8L的C语言实现的，主要有以下几部分： （1）系统初始化； （2）参数检测及滤波； （3）剩余容量估计； （4）通讯； （5）数据诊断报警。3.电池管理系统的软件实现3.电池管理系统的软件实现 1)．系统内存配置 ATMEGA8L有两种类型的的存储器：程序存储器(主要包含可执行程序代码)和数据存储器(主要包含外部变量、静态变量、系统堆栈)。有C语一言生成的每一块程序或数据存放于存储器空间的一个连续的段中。3.电池管理系统的软件实现3.电池管理系统的软件实现 2).参数检测及滤波 电压、电流的检测都是通过AD中断采集的。即使由于转换发生在读取ADCH与ADCL之间而造成ADC无法访问数据寄存器，并因此丢失了转换数据，中断仍将触发。3.电池管理系统的软件实现3.电池管理系统的软件实现 3)．剩余容量估计 剩余容量估计在系统软件中分三部分：开机参数初始化，数据采集及电流积分，根据估计模型计算。 4). CAN通讯 CAN通讯是电池管理系统与整车控制单元进行通讯的中介，电池管理系统把电池的SOC、温度及相关报警信息发送到CAN总线上，中央控制单元接收到数据后对数据进行处理，进行对整车的控制。3.电池管理系统的软件实现3.电池管理系统的软件实现 5). 数据诊断报警 在此电池管理系统中，对电池组相关的数据分析处理是关键，也是电池管理系统的核心所在，这中间涉及到温度的诊断、电压高低的诊断、电池组好坏的诊断等，并且要在危险情况下做出紧急处理和报警。