純電動汽車動力系統(tǒng)的案例
純電動汽車動力系統(tǒng)選型匹配與仿真
本文以某純電動汽車作為研究對象，依據(jù)整車設計目標對其動力總成系統(tǒng)進行選型匹配，并利用Cruise軟件進行整車仿真模型的建立及仿真分析，驗證選型匹配方案的合理性。
1 動力總成系統(tǒng)選型匹配計算
純電動汽車的動力總成系統(tǒng)主要由驅動電機、動力電池、傳動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成。其動力總成系統(tǒng)結構簡圖如下圖1所示。
為了對純電動汽車動力總成系統(tǒng)進行選型及匹配，應明確整車參數(shù)及所要求的性能指標。整車參數(shù)及性能指標如表1-2所示。
1.1 驅動電機選型計算
1.1.1最高轉速及基速
最高車速可由以下公式計算得出：
（1）
圖1 純電動汽車動力總成系統(tǒng)結構簡圖
可得到電機的最高轉速為nmax=2274.04r/min；電動機的最高轉速與額定轉速的關系可用擴大恒功率區(qū)系數(shù)β來表示，根據(jù)關系式可得電機的基速n0：
（2）
因此，取最高轉速和基速分別為2500 r/min和780r/min。
表1 純電動汽車整車參數(shù)
表2 整車性能指標
1.1.2功率匹配
對于驅動系統(tǒng)峰值功率需求主要考量最高車速、某一車速下滿足最大爬坡度以及原地起步加速時分別對應的峰值功率需求。
展開 純電動汽車動力系統(tǒng)選型匹配與仿真
本文以某純電動汽車作為研究對象，依據(jù)整車設計目標對其動力總成系統(tǒng)進行選型匹配，并利用Cruise軟件進行整車仿真模型的建立及仿真分析，驗證選型匹配方案的合理性。
1 動力總成系統(tǒng)選型匹配計算
純電動汽車的動力總成系統(tǒng)主要由驅動電機、動力電池、傳動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成。其動力總成系統(tǒng)結構簡圖如下圖1所示。
為了對純電動汽車動力總成系統(tǒng)進行選型及匹配，應明確整車參數(shù)及所要求的性能指標。整車參數(shù)及性能指標如表1-2所示。
1.1 驅動電機選型計算
1.1.1最高轉速及基速
最高車速可由以下公式計算得出：
（1）
圖1 純電動汽車動力總成系統(tǒng)結構簡圖
可得到電機的最高轉速為nmax=2274.04r/min；電動機的最高轉速與額定轉速的關系可用擴大恒功率區(qū)系數(shù)β來表示，根據(jù)關系式可得電機的基速n0：
（2）
因此，取最高轉速和基速分別為2500 r/min和780r/min。
表1 純電動汽車整車參數(shù)
表2 整車性能指標
1.1.2功率匹配
對于驅動系統(tǒng)峰值功率需求主要考量最高車速、某一車速下滿足最大爬坡度以及原地起步加速時分別對應的峰值功率需求。
展開 純電動汽車電控系統(tǒng)參數(shù)匹配
導讀：
為了提高純電動汽車的動力性設計指標，研究了純電動汽車電控參數(shù)在設計過程中，電機系統(tǒng)和電池系統(tǒng)參數(shù)匹配選擇的基本原則和整車控制策略，并利用ADVISOR軟件對所匹配出的動力參數(shù)進行仿真優(yōu)化驗證，最終使"電池+電機+電控"三電系統(tǒng)集成達到最優(yōu)狀態(tài)，從而提高了電動汽車的動力性能。同時也為純電動汽車設計初期的動力參數(shù)選型匹配提供了基本數(shù)據(jù)。
近年來，隨著大氣污染的日益嚴重、全球石油資源供應緊張及環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)的燃油汽車面臨著巨大的挑戰(zhàn)，純電動汽車越來越受到人們的青睞。實現(xiàn)電動汽車替代傳統(tǒng)汽車的關鍵是純電動汽車的整車動力性是否滿足人們的需要。解決整車動力性能的關鍵因素在于如何實現(xiàn)電池質量小且儲存能量大、提高電機的性價比及優(yōu)化電驅動控制策略。通過選擇動力系統(tǒng)參數(shù)，使得電機、電池及電控更好地集成到一起，是現(xiàn)階段提高純電動汽車整車動力性的重要方法之一。文章通過研究匹配電機、電池參數(shù)及整車控制器參數(shù)的基本原則，為純電動汽車初期設計動力匹配提供了理論依據(jù)及基礎數(shù)據(jù)，對新產(chǎn)品的開發(fā)提供了指導作用，大大縮短了開發(fā)周期。
1 純電動汽車整車動力系統(tǒng)設計流程和需求
純電動汽車動力系統(tǒng)由整車控制器、電機控制器、永磁同步電機、電池管理系統(tǒng)及動力電池等構成，整車動力系統(tǒng)的基本架構，如圖1所示。純電動汽車動力系統(tǒng)開發(fā)過程可采用“V”模式，如圖2所示。定義好各個環(huán)節(jié)的功能需求，按照開發(fā)流程進行新產(chǎn)品的動力系統(tǒng)開發(fā)，文章針對具有單速比和永磁同步電機的純電動汽車的參數(shù)匹配展開研究。
展開 純電動汽車動力系統(tǒng)選型匹配與仿真
作者：趙暢，朱春紅
本文以某純電動汽車作為研究對象，依據(jù)整車設計目標對其動力總成系統(tǒng)進行選型匹配，并利用Cruise軟件進行整車仿真模型的建立及仿真分析，驗證選型匹配方案的合理性。
1 動力總成系統(tǒng)選型匹配計算
純電動汽車的動力總成系統(tǒng)主要由驅動電機、動力電池、傳動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成。其動力總成系統(tǒng)結構簡圖如下圖1所示。
為了對純電動汽車動力總成系統(tǒng)進行選型及匹配，應明確整車參數(shù)及所要求的性能指標。整車參數(shù)及性能指標如表1-2所示。
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基于SaberRD的純電動汽車動力總成的設計與仿真研究
單級變速器和雙級變速器傳動的電動汽車動力系統(tǒng)
在電動汽車中，傳動系統(tǒng)在傳動系和輪軸之間采用單級變速器（即：單齒輪傳動比）是相當常見，而極少采用雙級變速器。這項最新的研究表明，雙級變速器（雙齒輪傳動比）系統(tǒng)可以提高純電動汽車約4%范圍NEDC續(xù)駛里程。
單級變速器
雙級變速器
新一代日產(chǎn)聆風
設計參數(shù)來源：日產(chǎn)聆風汽車
基于SaberRD動力系統(tǒng)設計的核心：
純電動汽車動力系統(tǒng)
電機設計
用JMAC有限元求解器建立的高保真永磁同步電機模型包括空間諧波、磁通飽和和頻率相關的鐵損耗。
JMAC有限元求解器 PMSM模型
電機控制
電機由三相電壓源逆變器(VSI)提供電流，該逆變器采用FOC算法控制，實現(xiàn)每安培最大轉矩(MTPA)和弱磁控制，并采用正弦PWM調(diào)制方法。
FOC、MTPA、FW控制算法
電壓源逆變器(VSI)和三相PMSM電機
VSI和電機模型是使用dq模型，沒有涉及
切換，這可以實現(xiàn)最大的模擬速度。在模擬中，新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)不斷重復，直到電池耗盡。相當于7個小時的駕駛在大約25秒內(nèi)模擬仿真完畢。這也就是為適當?shù)姆治鲞x擇適當?shù)脑O備模型抽象級別的優(yōu)點。
NEDC行駛工況
動力電池包
直流電壓源(365V)通過使用SaberRD中的電池工具表征的鋰離子電池來實現(xiàn)。動力電池包-這個模型的精度決定了車速與行駛里程可以被設計驗證。SaberRD電池工具用來描述電池組。該工具可根據(jù)數(shù)據(jù)表中的曲線直觀地創(chuàng)建模型，內(nèi)置的優(yōu)化器可將模型特征與數(shù)據(jù)表曲線進行擬合對齊。
展開 電動汽車電控系統(tǒng)參數(shù)匹配及優(yōu)化深度解析
導讀： 為了提高純電動汽車的動力性設計指標，研究了純電動汽車電控參數(shù)在設計過程中，電機系統(tǒng)和電池系統(tǒng)參數(shù)匹配選擇的基本原則和整車控制策略，并利用ADVISOR軟件對所匹配出的動力參數(shù)進行仿真優(yōu)化驗證，最終使"電池+電機+電控"三電系統(tǒng)集成達到最優(yōu)狀態(tài)，從而提高了電動汽車的動力性能。同時也為純電動汽車設計初期的動力參數(shù)選型匹配提供了基本數(shù)據(jù)。
近年來，隨著大氣污染的日益嚴重、全球石油資源供應緊張及環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)的燃油汽車面臨著巨大的挑戰(zhàn)，純電動汽車越來越受到人們的青睞。實現(xiàn)電動汽車替代傳統(tǒng)汽車的關鍵是純電動汽車的整車動力性是否滿足人們的需要。解決整車動力性能的關鍵因素在于如何實現(xiàn)電池質量小且儲存能量大、提高電機的性價比及優(yōu)化電驅動控制策略。通過選擇動力系統(tǒng)參數(shù)，使得電機、電池及電控更好地集成到一起，是現(xiàn)階段提高純電動汽車整車動力性的重要方法之一。文章通過研究匹配電機、電池參數(shù)及整車控制器參數(shù)的基本原則，為純電動汽車初期設計動力匹配提供了理論依據(jù)及基礎數(shù)據(jù)，對新產(chǎn)品的開發(fā)提供了指導作用，大大縮短了開發(fā)周期。
純電動汽車整車動力系統(tǒng)設計流程和需求
純電動汽車動力系統(tǒng)由整車控制器、電機控制器、永磁同步電機、電池管理系統(tǒng)及動力電池等構成，整車動力系統(tǒng)的基本架構，如圖1所示。純電動汽車動力系統(tǒng)開發(fā)過程可采用“V”模式，如圖2所示。定義好各個環(huán)節(jié)的功能需求，按照開發(fā)流程進行新產(chǎn)品的動力系統(tǒng)開發(fā)，文章針對具有單速比和永磁同步電機的純電動汽車的參數(shù)匹配展開研究。
展開 讀者投稿｜關于純電動汽車電池系統(tǒng)關鍵技術
第一部 電芯技術篇
動力電池系統(tǒng)是儲能汽車的儲能裝置，是一種集機械，電化學和熱力學等學科為一體的復雜的工程系統(tǒng)。從結構上來講包含電芯，電池模組，電池包，電池管理控制系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)，高低壓插件和線束連接，高壓控制盒。如圖1寶馬ix3電池系統(tǒng)。
圖1 寶馬ix3電池系統(tǒng)
從成本上講，如圖2，電池系統(tǒng)的成本分布圖。
圖2 純電動汽車電池系統(tǒng)成本分布圖
（數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡）
動力電池系統(tǒng)的三大關鍵技術，包含的關鍵技術如圖1。此次計劃圍繞這純電動汽車動力電池系統(tǒng)關鍵技術開展系列文章，目的是梳理目前一些技術瓶頸以及探討當前市場上的應對方案，希望能夠對大家有一定的幫助。
圖3 純電動汽車電池系統(tǒng)關鍵技術
根據(jù)電芯的成本分布圖可知，電芯的成本占電池系統(tǒng)最大。動力電池結構通常包括正極，負極，隔膜，電解液和鋁塑膜等。
高能電池的開發(fā)首先從尋找高比能量的電極材料開始。在所有金屬元素中，鋰的相對原子質量最小、密度最小、電極電位最負，因此，以金屬鋰為負極的電池具有最高的工作電壓、最大的比能量。再加上鋰高分子電池的發(fā)明，使用高分子電解質不但沒有漏液的問題，而且由于鋰離子電池具有優(yōu)異的電性能及安全、無公害，形狀有高度的可塑性等特點，符合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求，所以鋰離子電池廣泛應用于動力電池生產(chǎn)領域。如圖4。
圖4 鋰離子電池內(nèi)部結構圖
●電芯選型對比
根據(jù)電池的外觀形狀可以分為圓柱形電池，方殼電池，軟包電池三類。鋰離子電池，根據(jù)正極材料的不同可以分為如下五種磷酸鐵鋰，三元（鎳鈷錳NCM）,錳酸鋰，磷酸錳鐵鋰，鈦酸鋰。
展開 純電動汽車動力懸置系統(tǒng)匹配要點
城市道路的路面不平度帶來的低頻隨機振動激勵，這一部分也屬于穩(wěn)態(tài)激勵，通過懸掛系統(tǒng)傳遞到車架、車身、動力總成和座椅，路面隨機振動激勵經(jīng)過懸架的衰減、過濾之后，其有效作用頻率范圍會進一步降低到5Hz 的范圍內(nèi)，且由于現(xiàn)階段的電動車主要用于城市交通，城市道路的路面不平度一般都比較很小，因此可以暫時不考慮這一部分激勵。但是在考慮動力總成受力極限工況時，路面所帶來的垂直方向的回彈或沖擊慣性力（瞬態(tài)激勵）需要包括在內(nèi)。因此對于純電動汽車，電機的扭矩波動遠低于發(fā)動機，而且主要出現(xiàn)在蠕行、加速、減速和制動工況，其頻率與發(fā)動機轉動階次也無明顯關聯(lián)。但電機的扭矩則明顯大于發(fā)動機。
所以懸置匹配優(yōu)化的著眼點則應該是動力總成的扭矩，懸置系統(tǒng)首先應具備足夠的抗扭限位能力，確保在大扭矩的作用下動力總成的位移量處于合理范圍，在此基礎上再考慮隔振性能。
因此，純電動汽車對懸置系統(tǒng)的隔振能力要求低于傳統(tǒng)燃油車，但對懸置系統(tǒng)抗扭限位能力的要求遠高于燃油車。基于這種考慮，工藝簡單、可靠性好能并且提供大剛度的橡膠懸置更適合電動汽車，液壓懸置反而不適用。要注意的是，提升懸置軟墊的剛度和限位能力并不意味著NVH性能的降低。相反，很多情況下懸置系統(tǒng)隔振能力差并不是因為懸置軟墊過于剛硬，而是因為懸置軟墊過于柔軟，在大扭矩作用下被壓死失去緩沖功能。例如，電機或者減速器的階次噪聲可能以結構噪聲的形式，通過懸置系統(tǒng)傳遞到乘員艙內(nèi)。如果懸置軟墊太柔軟，很可能在全扭矩工況被壓死，從而加劇結構噪聲的傳遞。一般建議在正向和反向最大扭矩下，每個懸置軟墊的變形量都控制在10mm以內(nèi)。
圖4 電機懸置布置示意
關于剛體模態(tài)解耦和模態(tài)頻率分布分析，對于燃油車一般都是將6階剛體模態(tài)頻率規(guī)劃在5-18Hz，并且繞曲軸轉動的模態(tài)頻率要小于發(fā)動機怠速激勵頻率的0.707。
展開 知薦 | 純電動汽車動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢-溫故知新
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讀者投稿｜純電動汽車動力電池管理系統(tǒng)五部曲之二：單體電池建模研究
第一篇 動力電池試驗研究
第二篇 單體電池建模研究
純電動汽車的主要能量來源為動力電池系統(tǒng)，其性能直接影響整車的經(jīng)濟性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車最大的區(qū)別是用動力電池作為動力驅動，而作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要紐帶，電池管理系統(tǒng)(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池組及各電池單芯的運行狀態(tài)，有效預防電池組自燃，實現(xiàn)突發(fā)事件預警，為保障安全贏得時間。
筆者在梳理電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關鍵技術，為動力電池管理系統(tǒng)設計，測試生產(chǎn)提供理論基礎。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統(tǒng)的開發(fā)中關鍵技術，今天首先聊一下第二篇章單體電池建模研究及模型參數(shù)。
圖1 電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關鍵技術
單體電池模型用以模擬電池動力學特性動態(tài)電池模型，是設計高效可靠的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System）的基礎。鑒于等效電路模型簡單的結構，良好的動態(tài)響應特性，以及狀態(tài)空間方程易于求取的優(yōu)點，因此非常廣泛的應用于純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究領域中。
不同單體電池模型對比
建立單體電池等效電路模型，將模型與電池辨識參數(shù)進行配比，同時利用辨識工具完成參數(shù)識別，分析電池端電壓在不同工況下的動態(tài)響應，并逐步改進電池等效電路模型，提高電池精度，為后期電池狀態(tài)估計（SOC,SOP,SOE,SOH）提供基礎。
展開 電動汽車動力電池均衡方法研究 附電動汽車動力電池管理系統(tǒng)設計譚曉軍下載
根據(jù)當前我國對于均衡裝置的電流評定標準來看，組合電池的電流應當是動力電池的0.05倍或者0.1倍，在此區(qū)間內(nèi)是比較合適的。
3.2均衡結果
組合電池的內(nèi)部差異會影響電動汽車的運行效率與安全性，因此為了減少電池荷電狀況的異常，采用均衡裝置將組合電池進行連接，改善電池的性能，增長電池的使用周期。例如對28組12Ah、336V的鎳氫組合電池進行電源輸出，經(jīng)過測量和得出電壓差異值低于0.05V。此外，將該組合電池的電壓降低到電池荷電狀況的10%，將此范圍內(nèi)的所有組合電池進行對比，就可以得出組合電池的均衡前后電壓差異指數(shù)為50mA，說明均衡效果顯著。再者，組合電池的均衡前電壓小于均衡后的電壓，并且動力電池的容量上升49Ahs，同比增加16%。得出如果上述組合電池不進行均衡處理，就會導致電池差異性越發(fā)嚴重，使得動力電池的輸出功率大大降低。
4結語
本文就當前電動汽車動力電池的均衡中存在的問題進行闡述，并使用上述均衡方式進行實驗，將12Ah、336V的鎳氫組合電池采用集中均衡與分散均衡的方法進行實驗，根據(jù)結果所得的電壓差異都小于0.05V，符合均衡檢測的標準。從另一方面說明采用均衡方式解決組合電池之間額不平衡差異是十分有效的。但是如果在進行解決的過程中，由于組合電池的數(shù)目較大，導致動力電池的內(nèi)部差異過大，此時應當將組合電池的規(guī)格、體積、質量進行統(tǒng)一，加設檢測節(jié)點，及時尋找出其中存在問題的組合電池，能夠在一定程度彌補均衡方式的不足之處。
下載地址：電動汽車動力電池管理系統(tǒng)設計譚曉軍
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基于NEDC的純電動汽車兩擋變速器傳動比設計
參考圖↑
本文中研究了一種純電動汽車兩擋變速器傳動比的設計方法，以NEDC 作為汽車的典型工況，并以傳動比作為設計變量，建立了車輛百公里電耗優(yōu)化函數(shù)，借助新和聲搜索算法，最終為車輛設計出可行的傳動比。
1 目標車輛主要參數(shù)與設計要求
目標車輛為匹配永磁同步電機的某款單擋純電動汽車，表1所示為其主要參數(shù)與設計要求。
2 優(yōu)化數(shù)學模型的建立
在純電動汽車兩擋變速器傳動比優(yōu)化設計過程中應同時兼顧動力性與經(jīng)濟性，考慮到政策和市場對電動汽車的續(xù)駛里程要求越來越高，如何提升經(jīng)濟性是目前需要研究的重要問題。本文中以汽車經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，同時根據(jù)動力設計指標設置邊界條件，以求設計出既滿足動力性要求又能夠達到經(jīng)濟性最優(yōu)的傳動比。
表1 目標車型主要參數(shù)與設計要求
Tab.1 Main parameters and design requirements of target vehicle
2.1 確定優(yōu)化設計變量
在汽車參數(shù)與驅動電機參數(shù)都確定的條件下，傳動系傳動比將最終影響汽車的動力性和經(jīng)濟性。
展開 純電動汽車續(xù)航短，混合動力汽車是個好選擇
雖然純電動汽車才是真正的劃時代產(chǎn)品，但續(xù)航問題是硬傷，目前還沒有有效解決方法。作為過渡產(chǎn)品，油電混合動力車型顯然更適合當下環(huán)境。在油電混合動力汽車的技術發(fā)展上，豐田和本田的混合動力系統(tǒng)走在世界的前列。插電混合動力汽車近年來比較盛行，各家車企均有代表作。混合動力汽車在燃油經(jīng)濟性上比傳統(tǒng)燃油車有明顯的優(yōu)勢，又在續(xù)航能力上比純電動汽車表現(xiàn)優(yōu)秀，從這兩點來看，混合動力汽車將是一個不錯的選擇。
目前純電動汽車、插電混合動力車型和增程式混合動力車型是能夠使用新能源指標的。油電混合動力車型則比較特殊，各地規(guī)定不一，購車前請詳詢當?shù)亟还芩?/span>
展開 純電動汽車動力匹配及仿真計算
純電動汽車是以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)等各項要求的車輛。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車在給人類生活帶來極大便利的同時，也帶來了嚴重的環(huán)境污染及能源危機。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，出于對環(huán)境保護和能源危機的關注以及占領未來世界汽車市場的考慮，電動汽車的發(fā)展越來越受到人們的重視。
1.動力系統(tǒng)設計需求
對純電動汽車進行運動力學特性分析是整車性能研究的基礎。從力學角度分析，運動中的車輛收到的力按作用類型可分為兩部分：一部分用來實現(xiàn)汽車有效動能和勢能的作用力，成為驅動力；另一部分是阻礙車輛運動的阻力，包括滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力。本文所分析的車輛，其動力性能指標見表1。
表1 動力性指標
2.電動機參數(shù)匹配
動力性和經(jīng)濟性是純電動汽車的基本性能需求，純電動汽車動力性指標主要有最高車速、加速時間、最大爬坡度等，其性能指標體現(xiàn)了純電動汽車在行駛過程中能達到的極限運動水平。結合整車的參數(shù)，由此來決定驅動電機的最大扭矩、額定功率、最大功率、最大轉速等參數(shù)。經(jīng)濟性則反應了純電動汽車行駛過程中的能耗水平，主要是電能的消耗。
與傳統(tǒng)汽車在行駛過程中受力一樣，純電動汽車在行駛過程中有滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、加速阻力Fj 和坡度阻力Fi。在行駛中，驅動力需克服上述阻力。電動汽車的驅動力Ft 由驅動電機產(chǎn)生的轉矩T tq 經(jīng)傳動系統(tǒng)傳動到驅動輪上。
展開 【討論】未來的新能源汽車究竟是純電動、混合動力還是燃料電池汽車的天下？
混合動力，純電動（Battery Electric Vehicle），燃料電池（Fuel Cell Vehicle），這幾種新能源汽車技術，到底哪一個會成為未來的主流，絕不僅僅是哪一個是最適合的汽車技術那么簡單。這個問題牽扯到配套基礎設施的技術，各主要市場政府的政策，能源開發(fā)冶煉的技術，核電的未來前景，民眾對核電的態(tài)度，電網(wǎng)的發(fā)展，自動駕駛技術的發(fā)展，電池的技術，新的化石能源的發(fā)現(xiàn)，甚至是國際政治的走向等等諸多問題，變數(shù)實在太多，到底誰能勝出，即便是做新能源政策研究這行的大牛，基本也都無法給出確定答案。
