【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （Ah）65電池包數(shù)量3電池包聯(lián)結(jié)形式串聯(lián)單個(gè)電池包電池?cái)?shù)目36電池系統(tǒng)額定電壓(V)320 電機(jī)的選型 純電動(dòng)轎車(chē)?yán)抿?qū)動(dòng)電機(jī)將電池傳輸過(guò)來(lái)的電能轉(zhuǎn)化為轎車(chē)運(yùn)行所需的機(jī)械能。現(xiàn)常見(jiàn)的四種電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)如下： 常見(jiàn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)電機(jī)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便靈活轉(zhuǎn)速、功率密度和使用壽命差感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)快、可調(diào)速范圍寬控制復(fù)雜、成本高，而且必須經(jīng)過(guò)逆變器將動(dòng)力電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電后才可用永磁同步電機(jī)永久磁鐵，質(zhì)量小、功率密度大、響應(yīng)更加迅速成本高開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、調(diào)速范圍寬輸出轉(zhuǎn)矩性能不穩(wěn)定，技術(shù)不穩(wěn)定 基于以上這些電機(jī)特性，本項(xiàng)目選用的是永磁同步電機(jī)，其主要計(jì)算參數(shù)和機(jī)械性能曲線如下所示。電機(jī)采用 CAN 總線通訊技術(shù)以及水循環(huán)冷卻方式。水冷要優(yōu)于風(fēng)冷，能夠更有效地保持電機(jī)系統(tǒng)的熱平衡。由于電機(jī)過(guò)載能力即峰值功率的大小在一定程度上可以認(rèn)為是取決于電機(jī)系統(tǒng)熱平衡質(zhì)量的優(yōu)劣，所以水冷型電機(jī)能夠更為有效地發(fā)揮出電機(jī)的超負(fù)載能力。 電機(jī)選型及參數(shù)要求參數(shù)名稱參數(shù)要求電機(jī)類型永磁同步電機(jī)電機(jī)質(zhì)量（kg)58通訊方式CAN總線額定功率（kw)25峰值功率（kw)45額定扭矩（Nm)81最大扭矩（Nm)146額定轉(zhuǎn)速（r/min)2973最高轉(zhuǎn)速（r/min)7560額定電壓（V)356冷卻方式水冷 電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖 上圖中橫坐標(biāo)是電機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)是電機(jī)最大輸出扭矩?？梢?jiàn)，在額定轉(zhuǎn)速以前，電機(jī)可以保持恒扭矩輸出；在額定轉(zhuǎn)速以后，電機(jī)最大可輸出扭矩持續(xù)下滑。 電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性圖 從上圖中，我們可以看出電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的走勢(shì)，在額定轉(zhuǎn)速以前，電機(jī)可以保持恒扭矩輸出；在額定轉(zhuǎn)速以后，電機(jī)最大可輸出扭矩持續(xù)下滑。 動(dòng)力系統(tǒng)主要部件的布置方式 純電動(dòng)轎車(chē)的電池系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)取代動(dòng)力總成和油箱，布置可以更為巧妙。電池系統(tǒng)采用電路連接方式將電能傳輸給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，布置方案靈活多變。 影響布置的主要因素 影響電動(dòng)轎車(chē)布置的因素有很多，其中較為重要的有以下五個(gè)方面： （1）空間大小是否合適。在本項(xiàng)目研發(fā)的過(guò)程中，由于電池體積太大造成了一系列布置空間范圍內(nèi)零部件干涉等問(wèn)題。所采用的解決方案是將電池包拆分為三個(gè)小電池包，再分別對(duì)三個(gè)小電池包進(jìn)行布置，電池包與電池包之間采用電路連接。 （2）載荷分配是否合理。在本課題所選擇的布置方案中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器前置、三個(gè)電池包中的兩個(gè)中置、一個(gè)后置，這樣的布置對(duì)電動(dòng)轎車(chē)來(lái)說(shuō)或許不是最好的選擇，但已滿足本項(xiàng)目的軸荷分配要求目標(biāo)要求，后軸載荷基本在 55%到 57%之間。 （3）零部件布置是否安全。這里所說(shuō)的安全要從兩方面來(lái)考慮，首先要保證車(chē)輛不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，其次是減少車(chē)輛本身發(fā)生故障的可能性。對(duì)于人體而言，電動(dòng)轎車(chē)主要的安全隱患來(lái)自于電池和高壓線路。 （4）動(dòng)力系統(tǒng)傳輸效率是否滿足要求。動(dòng)力系統(tǒng)傳輸效率的控制要從動(dòng)力元件和傳輸電路兩方面入手。提高電池和電機(jī)運(yùn)行效率的關(guān)鍵在于整車(chē)工況下進(jìn)行合理匹配。此外，電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)的布置應(yīng)當(dāng)盡量遵循傳輸電路距離最短和傳輸角度最小原則，以盡量減少電能在傳輸電路上效率損失。 (5）散熱條件是否良好。本項(xiàng)目中電池及其控制器采用強(qiáng)制風(fēng)冷，電機(jī)及其控制器采用水冷，保證動(dòng)力元器件持續(xù)工作的溫度條件。除此之外，控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)檢測(cè)即時(shí)溫度傳輸給中央控制器，一旦發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)高應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)節(jié)相應(yīng)零部件工作狀態(tài)并通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)向駕駛員發(fā)出警告。在電池系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)布置的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮布置位置、空間大小對(duì)散熱的影響，保證良好的通風(fēng)、散熱條件。 總體布置方案的選擇 電動(dòng)轎車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的布置較為靈活，按電機(jī)位置可分為前置、中置和后置；按電池包的形式可以分為整體式和分布式。各種形式的動(dòng)力元件布置示意圖如下圖 所示。與內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛相比，電動(dòng)轎車(chē)的電動(dòng)機(jī)無(wú)論是體積還是質(zhì)量都要比動(dòng)力總成小很多，因此布置也相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單很多，但是考慮到許多電動(dòng)轎車(chē)都是在內(nèi)燃機(jī)原型車(chē)上進(jìn)行改型，所以電動(dòng)機(jī)一般來(lái)說(shuō)會(huì)放置在原發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。 各種形式的動(dòng)力元件布置示意圖本課題采用前置電機(jī)、分布式電池包布置形式，具體結(jié)構(gòu)如下圖 。電池系統(tǒng)采用三個(gè)電池包串聯(lián)的形式，分別布置在第二排和第三排座椅下，以及后備箱位置；電動(dòng)機(jī)和減速器以機(jī)械方式聯(lián)接，并布置在原發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)；整車(chē)電子控制單元 ECU、電動(dòng)機(jī)控制器布置在副駕駛座下方；電池管理系統(tǒng)和車(chē)載充電器布置在后備箱位置。電池將電能傳送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電后驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)主軸帶動(dòng)減速器、傳動(dòng)軸、主減速器及驅(qū)動(dòng)輪，最終驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。 純電動(dòng)轎車(chē)整車(chē)布置圖 本章小結(jié) 本章詳細(xì)論述了如何匹配動(dòng)力系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)、如何選擇合適的電池和電機(jī)，最后闡述了動(dòng)力系統(tǒng)布置的相關(guān)影響因素和本課題選擇的總體布置方案。首先是整理了電動(dòng)轎車(chē)整車(chē)參數(shù)，定義了所要求的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程等整車(chē)性能目標(biāo)，然后根據(jù)對(duì)電池、電機(jī)以及傳動(dòng)比主要參數(shù)的計(jì)算合理選型，最后簡(jiǎn)單介紹了本課題的總體布置方案及其相關(guān)影響因素。 第4章　整車(chē)性能仿真模型的建立與分析 仿真軟件 CRUISE 簡(jiǎn)介 AVL CRUISE軟件可以用于車(chē)輛的動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的仿真，其模塊化的建模理念使得用戶可以便捷的搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車(chē)輛模型，其復(fù)雜完善的求解器可以確保計(jì)算的速度。其中一個(gè)典型應(yīng)用是對(duì)電動(dòng)轎車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)和電機(jī)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)與仿真，它可以計(jì)算并優(yōu)化車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性、動(dòng)力性（原地起步加速能力、超車(chē)加速能力）、變速箱速比、制動(dòng)性能等，也可以為應(yīng)力計(jì)算和傳動(dòng)系的振動(dòng)生成載荷譜。 Cruise 提供了圖形化得交互環(huán)境，只需要使用拖放的方法從模型中拖出相應(yīng)的元件，就能迅速地建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，添加相應(yīng)的控制模塊，并正確連接數(shù)據(jù)總線，便可很快的得到系統(tǒng)模型。用戶能方便地修改傳動(dòng)系的配置。所以用它來(lái)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模將是一件比較輕松的事情。 AVL CRUISE工作界面 CRUISE 軟件功能 CRUISE 軟件可以用于車(chē)輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真，也可為傳動(dòng)系的應(yīng)力計(jì)算和振動(dòng)分析提供載荷輸入數(shù)據(jù)。作為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究輔助工具，CRUISE 主要功能包括如下幾點(diǎn)： （1）靈活的模塊化設(shè)計(jì)理念可以對(duì)任何結(jié)構(gòu)式的轎車(chē)傳動(dòng)系進(jìn)行仿真建模。 （2）應(yīng)用于純電動(dòng)轎車(chē)模塊時(shí)，可以設(shè)計(jì)并優(yōu)化其參數(shù)匹配。 （3）在轎車(chē)零部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以通過(guò)零部件的工作特性來(lái)確定反求其設(shè)計(jì)參數(shù)。 （4）可以針對(duì)整車(chē)和不同的部件進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)分析。 CRUISE 仿真流程 轎車(chē)性能試驗(yàn)的成本是非常高昂的，試驗(yàn)周期也是很長(zhǎng)的一段時(shí)間，因此仿真技術(shù)的發(fā)展使其成為轎車(chē)研發(fā)中越來(lái)越重要的部分。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算、參數(shù)優(yōu)化可以加速整個(gè)開(kāi)發(fā)流程，保證研發(fā)結(jié)果的可靠性。AVL CRUISE 包含了車(chē)輛的主要零部件模塊和連接線路，可以任意建立各種結(jié)構(gòu)的車(chē)輛模型進(jìn)行性能仿真分析，非常有利于轎車(chē)初期開(kāi)發(fā)階段的方案設(shè)計(jì)和零部件參數(shù)優(yōu)化。CRUISE 仿真操作主要流程如下： （1）選擇合適的子系統(tǒng)模塊并設(shè)置其初始參數(shù)； （2）機(jī)械連接各子系統(tǒng)模塊形成整車(chē)機(jī)械模型； （3）對(duì)整車(chē)機(jī)械模型添加信號(hào)線連接形成完整的整車(chē)模型； （4）輸入整車(chē)和子部件相關(guān)參數(shù)，并驗(yàn)證其可行性； （5）設(shè)置仿真計(jì)算任務(wù)及其測(cè)試參數(shù)并進(jìn)行仿真； （6）對(duì)各種仿真結(jié)果進(jìn)行分析并對(duì)零部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 轎車(chē)是一個(gè)較為復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，轎車(chē)產(chǎn)品的性能必須是明確和穩(wěn)定的。在轎車(chē)開(kāi)發(fā)的初期階段，運(yùn)用仿真軟件建立車(chē)輛模型并進(jìn)行仿真計(jì)算預(yù)測(cè)車(chē)輛性能可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)的精確性，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。純電動(dòng)轎車(chē)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)全新的嘗試和突破，一般情況下沒(méi)有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)支持，因此可以用 CRUISE 仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)取代大量周期長(zhǎng)、成本高的實(shí)物試驗(yàn)。運(yùn)用 CRUISE 軟件仿真的過(guò)程中主要難點(diǎn)在于動(dòng)力電池的建模、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的建模、整車(chē)模型參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化以及對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觥? 純電動(dòng)轎車(chē)模型的建立 動(dòng)力電池模型的建立 鋰離子電池的電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻特性與電池荷電狀態(tài) SOC（State of Capacity）密切相關(guān)。電池的荷電狀態(tài)一般是指電池剩余可用容量或電池化學(xué)材料上所保存的現(xiàn)有容量。由于電化學(xué)材料性能的不確定性，SOC 不僅受到溫度變化的影響，也對(duì)負(fù)載電流大小及其所持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短較為敏感。放電電流越大，極化越嚴(yán)重工作電壓下降越多；放電深度越深，工作電壓下降也越多。這些都會(huì)反映在動(dòng)力電池的容量特性和電壓特性上。電池的容量與放電電流的大小密切相關(guān)，放電電流越小，在可達(dá)到的最大放電時(shí)間內(nèi)所釋放的出的有效容量就越多。電池的實(shí)際工作電壓與放電深度密切相關(guān)，即 SOC 值越小，電池的工作電壓下降也越多。電池的容量特性說(shuō)明電動(dòng)轎車(chē)低速、輕載工況下行駛可達(dá)到的續(xù)駛里程應(yīng)當(dāng)超過(guò)高速行駛工況。另外，當(dāng) SOC 值過(guò)小時(shí)，車(chē)輛的車(chē)速和載荷都會(huì)受到很大的限制。 因此，電池 SOC 值不僅與溫度有關(guān)，還與負(fù)載電流和持續(xù)放電時(shí)間有關(guān)。當(dāng)負(fù)載電流為單調(diào)、非減函數(shù)時(shí)，可用容量與溫度、負(fù)載電流、放電時(shí)間的關(guān)系如下式 41 所示： 式（41）式中為電池剩余容量，其中為電池放電溫度，為電池放電電流，t 為電池放電持續(xù)時(shí)間；為電池總電容量；為電池從 0 到 t 時(shí)刻輸出電流總量。電池容量與負(fù)載電流變化的關(guān)系取決于電池容量衰減方程，如下式 42 所示： 式（42）式中為電池放電容量，單位 Ah； t 為電池放電時(shí)間，單位 s；n 為 Peuker常數(shù)。上式也可以表示為： 式（43）式中為電池額定放電電流，單位 A；β為由 Peukert 方程確定的常數(shù)，β=n1。在給定的時(shí)間范圍 0≤t≤內(nèi)，當(dāng)電流恒定不變時(shí)，電池可用容量可以利用上式直接計(jì)算。電池荷電狀態(tài)值 k 可以表示為： 式（44）電池內(nèi)阻解析表達(dá)式如下式 45 所示： 式（45）式中為電解液阻值；為電極阻值；為極化內(nèi)阻。b為電池以電流充放電時(shí)的電池端電壓相當(dāng)于電池額定容量條件下的端電壓變化系數(shù)；為電池的瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)。定義系數(shù)b 如下： 式（46）其中當(dāng) k =1 時(shí)，=；當(dāng) k =0 時(shí)?？紤]到電解液阻值、電極阻值與容量的反比關(guān)系，將上式 46寫(xiě)成容量表達(dá)式如下所示： 式（47）定義后，可將上式簡(jiǎn)化為電池荷電狀態(tài)值 k 的函數(shù)，如下所示： 式（48）電池模型可以簡(jiǎn)單等效為電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的串聯(lián)，因此電池端電壓可由下式 49計(jì)算。 式（49）式中為 t 時(shí)刻電池電動(dòng)勢(shì)；為 t