熱能與動力工程畢業(yè)論文

熱能與動力工程畢業(yè)論文純電動微型客車動力系統(tǒng)設(shè)計及仿真專業(yè)：熱能與動力工程目錄摘要 1ABSTRACT 1第1章緒論 1目的及意義 1電動汽車國內(nèi)外研究狀況 1電動汽車國外研究狀況 1電動汽車國內(nèi)研究狀況 2純電動車基本結(jié)構(gòu)和重要部件[4,5] 2基本結(jié)構(gòu) 2重要部件 3基本內(nèi)容和技術(shù)方案 4第2章純電動微型客車動力系統(tǒng)設(shè)計及匹配 52.1

微型客車整車參數(shù)及性能指標 52.2電動機參數(shù)匹配[4,5,6] 62.2.1電動機峰值功率及額定功率的匹配 62.2.2電動機額定轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速的選擇 92.2.3電動機額定電壓的參數(shù)選擇 102.3傳動系參數(shù)匹配 102.4動力電池參數(shù)匹配 13匹配結(jié)果 15第3章

基于ADVISOR的整車動力性仿真[4,7,8,9] 173.1ADVISOR的主要功能和特點 17仿真模型 18定義車輛模型 18定義車輪模型 20定義傳動系模型 20定義電機 22定義電池模型 23仿真結(jié)果 243.3.1車輛仿真循環(huán)工況的選擇 243.3.2車輛仿真結(jié)果 25第4章全文總結(jié)及研究展望 284.1全文總結(jié) 284.2研究展望 28參考文獻： 29致謝 30摘要本文通過了解純電動汽車的基本結(jié)構(gòu)，性能特點和關(guān)鍵部件性能的要求，設(shè)計匹配出純電動汽車動力系統(tǒng)的各部分，并基于ADVISOR建模仿真，分析設(shè)計匹配所得的各項參數(shù)對汽車性能的影響。具體來說，研究內(nèi)容包括以下幾點：（1）查閱文獻了解純電動汽車的基本結(jié)構(gòu)和各部件的重要參數(shù)；（2）基于所查得的文獻對電動車的電機和傳動系進行設(shè)計；（3）學(xué)習(xí)MATLAB/ADVISOR的相關(guān)知識，進行仿真建模；利用ADVISOR仿真系統(tǒng)進行仿真，分析設(shè)計所得數(shù)據(jù)，從而對所設(shè)計純電動微型客車動力系統(tǒng)的合理性進行驗證。關(guān)鍵詞：電動汽車,動力系統(tǒng),匹配,仿真

ABSTRACTTITLE:designandpassengerperformancesimulationbasedonPureelectricpowersystemThroughunderstandingthebasicstructureandcharacteristicsofthepureelectriccars,andtheperformancerequirementsofthekeycomponents,powersystemofthepureelectricvehiclepartstobedesignedandmatched,andthenmodelingandsimulationbasedonADVISOR,analysisthehowthevariousparametersmatchinginfluenceontheperformanceofthecar.(1)Consultpapersaboutthebasicstructureofpureelectricautomobilecomponentsandtheimportantparameters,(2)basedontheConsultedpapersdesigningtheelectricmotorandtransmissionofthecar,(3)learnknowledgeofMATLAB/ADVISOR,andmodelingsimulation,UsingADVISORtosimulatethesystem,andanalysisthedataofsimulationfromdesign.Keywords:electricpowersystem,matching,simulation第1章緒論隨著世界汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，日益增大的石油能源的消耗，將加快從能源短缺到能源枯竭的步伐。汽車排放造成的大氣污染和地球的溫室效應(yīng)，成為世界全人類的公害。人類社會和汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，受到極大的威脅，發(fā)展汽車新能源、開發(fā)汽車新動力，成為世界汽車產(chǎn)業(yè)面臨十分緊迫的任務(wù)。電動車作為解決環(huán)境污染的重要可行途徑,得到快速發(fā)展。當代融合多種高新技術(shù)而興起的純電動汽車、混合電動汽車、燃料電池汽車，尤其是立足于氫能基礎(chǔ)上的燃料電池汽車正在引發(fā)世界汽車工業(yè)的一場革命，展現(xiàn)了汽車工業(yè)新能源、新動力發(fā)展的光明前景。本文將通過了解純電動汽車的基本結(jié)構(gòu)，性能特點和關(guān)鍵部件性能的要求，設(shè)計出純電動汽車合理的動力系統(tǒng)，并基于ADVISOR建模仿真，分析設(shè)計所得的各項參數(shù)的正確性目前，電動汽車的設(shè)計主要有以下兩種方法：即改裝設(shè)計和全新設(shè)計。改裝設(shè)計：選擇一輛與目標設(shè)汁的電動汽車在載客量和載質(zhì)量方面都近似的傳統(tǒng)汽車來進行改裝。移除內(nèi)燃機，換成電機。充分利用車架上部和下部以及原油箱和座椅下的一些空間來安放電池。為盡量擴大車廂內(nèi)的有效空間。在布置和安裝電動機和傳動系統(tǒng)時，根據(jù)傳動系統(tǒng)設(shè)計的要求可以選用內(nèi)燃機汽車的部分傳動裝置，也可以完全不用原有的傳動裝置而重新設(shè)計，由于通過齒輪傳動會降低傳動效率，可根據(jù)需要采用原有變速箱。為保證續(xù)時里程和在現(xiàn)有的電池技術(shù)條件下，電池組的質(zhì)量會很大。電池組的質(zhì)量很大，增加了電動汽車的整備質(zhì)量和總質(zhì)量，從而降低了電動汽車的整車性能。因此必須對電動汽車的各種性能進行計算匹配。包括對載荷分配的計算，電機功率，蓄電池性能，傳動系統(tǒng)的匹配、制動系等的強度和剛度的核算等，根據(jù)計算的結(jié)果對一些不足的部件進行修改。一般是用仿真軟件進行仿真。電動汽車國內(nèi)研究狀況國內(nèi)現(xiàn)今電動汽車主要是改裝設(shè)計的。在上世紀60年代，我國就開始了純電動汽車的研發(fā)工作，于上世紀90年代掀起了一股研發(fā)熱潮，部分相關(guān)高校、科研院所以及汽車企業(yè)聯(lián)合開發(fā)充電電池和純電動汽車，相繼研制出電動汽車功能樣車、性能樣車和產(chǎn)品樣車，并開始著力推廣其示范運行。。電動車的發(fā)展在潛移默化地影響消費者的同時，也帶動了國內(nèi)動力電池、電機等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然我國在傳統(tǒng)汽車的研發(fā)上與世界先進水平相比還有相當大的距離，但在純電動汽車技術(shù)開發(fā)上卻幾乎是站在同一起跑線上，隨著相關(guān)技術(shù)的積累，我國也在逐步縮小與世界先進水平的差距，甚至在某些領(lǐng)域，我國已經(jīng)達到世界領(lǐng)先水平。[3][4,5]電動汽車的動力傳動系統(tǒng)是電動汽車的核心部分，其性能決定著電動汽車運行性能的好壞。目前，電動汽車的動力傳動系統(tǒng)具有以下四種布置方式:(1)第一種與傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)的布置方式一致，可由傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車改裝得到。發(fā)動機換成電動機，帶有變速器或者使用新的減速器。這種布置電動汽車的起動扭矩較高，低速時電動汽車的后備功率大。(2)第二種取消了離合器和變速器。電動機通過行星齒輪減速器或單級式減速器直接連接到傳動軸，通過電動機的控制實現(xiàn)變速功能。這種方式對電動機的要求較高，不僅要求電動機具有較高的起動轉(zhuǎn)矩，而且要求具有較大的后備功率，以保證電動汽車的起動、爬坡、加速超車等動力性。低速，大扭矩要求較高。(3)第三種布置方式將電動機裝到驅(qū)動半軸上，直接控制電動機實現(xiàn)變速和差速轉(zhuǎn)換。這種傳動方式同樣對電動機和控制系統(tǒng)有較高的要求。(4)第四種布置為輪轂電機型，將電動機直接裝到了驅(qū)動輪上，由電動機直接驅(qū)動車輪行駛。結(jié)構(gòu)最為簡單，有最大的空間利用率，無傳動損失，但對驅(qū)動電機本身的強度及其控制精度要求很高，要求左右輪的轉(zhuǎn)速之差滿足汽車行駛特別是轉(zhuǎn)彎時的要求。目前，我國設(shè)計的電動汽車大都建立在改裝設(shè)計的基礎(chǔ)上，改裝后高性能的獲得并不是簡單地將內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機和油箱換成電動機和蓄電池便可以實現(xiàn)的，它必須對蓄電池、電動機、變速器、減速器和控制系統(tǒng)等參數(shù)進行合理的匹配，在總體方案布置時必須保證連接可靠、軸荷分配合理等等才能獲得。本論文的研究仍然建立在傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照改裝車進行部件的選擇和參數(shù)匹配。驅(qū)動電機電機自身的性能將直接影響電動汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能等，所以在開發(fā)整車之前初步確定電機類型及其參數(shù)進而對電機進行選擇是至關(guān)重要的。電動車用驅(qū)動電機通常要求能夠頻繁啟動/停車、加速/減速，低速和爬坡時要求高扭矩，高速行駛時要求低扭矩，要求變速范圍大。其主要參數(shù)包括:電動機類型、額定電壓、機械特性、效率、尺寸參數(shù)、可靠性和成本等。另外為電動機所配置的電子控制系統(tǒng)和馭動系統(tǒng)也會影響驅(qū)動電動機的性能。驅(qū)動電機的種類按電機的類型來劃分，電動車驅(qū)動系統(tǒng)可分為直流驅(qū)動系統(tǒng)和交流驅(qū)動系統(tǒng)兩大類。早期時由于直流電機控制比較簡單，電動汽車多數(shù)采用直流電機。然而，目前隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，其動態(tài)性能己經(jīng)達到或者超過直流電機的水平，并且交流電機本身具有體積小、功率大、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護。由于交流電機沒有了電刷和滑環(huán)等，克服了直流電機因換向器帶來的缺點，因此交流驅(qū)動系統(tǒng)將逐漸成為電動汽車的主流驅(qū)動系統(tǒng)。在交流驅(qū)動中，驅(qū)動電機主要采用異步電機、永磁同步電機(包括無刷直流電機)以及開關(guān)磁阻電機。直流有刷電動機直流電機控制方法和結(jié)構(gòu)簡單，不需檢測磁極位置，只需要用電壓控制，并且小容量系統(tǒng)造價低，技術(shù)也成熟，它所擁有電磁轉(zhuǎn)矩控制特性是交流電動機所不可比擬的，因此電動汽車廣泛的采用直流電機；但是直流電動機價格高、體積和質(zhì)量大，目前電動汽車已經(jīng)很少應(yīng)用，交流感應(yīng)電動機（三相異步電機）三相異步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，與定子無直接接觸部件，運行可靠，轉(zhuǎn)速高，成本低，在蓄電池供電的條件下，可以實現(xiàn)四象限運行，所以目前在電動汽車中交流異步電機應(yīng)用較多。電動汽車用感應(yīng)電動機系統(tǒng)的研究重點主要是控制方面。開關(guān)磁阻電動機開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)和控制簡單、出力大，可靠性高，成本低，起動制動性能好，運行效率高，但電機噪聲高，轉(zhuǎn)矩脈動嚴重，非線性嚴重，在電動汽車驅(qū)動中有利有弊，目前電動汽車應(yīng)用較少。它的主要研究方向是模型研究。無刷直流電動機及永磁同步電機永磁同步電機體積小、重量輕、功率密度大、低速輸出轉(zhuǎn)矩大，精度高、效率高、噪聲小、維護簡單。因此在各個國家都有應(yīng)用。但是他在高速運行時比異步電機復(fù)雜，需要檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，另外永磁體還有退磁問題，造價也較高。主要研究重點是位置檢測、換向和控制。蓄電池蓄電池是純電動汽車的能量源，其性能直接影響整車動力性，是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。其性能指標主要包括比能量、能量密度、比功率、功率密度、循環(huán)充放電次數(shù)及成本等。蓄電池是日前電動汽車產(chǎn)業(yè)化最大的瓶頸。電動汽車要求電池具有較高的比能量以滿足續(xù)駛單程的要求，較高的比功率滿足動力性的要求，較強的大電流充電接受能力滿足電動汽車快速充電的要求，較長的大電流放電時間滿足電動汽車大功率行駛的要求，還要求電池具有與車輛使用壽命相當?shù)难h(huán)壽命、較高的性價比和免維護等。目前能夠在純電動汽車上使用的蓄電池主要有以下幾種：鉛酸電池。每個電池單體的額定電壓是2V。鉛酸電池技術(shù)成熟、性能可靠、價格低廉，能量密度太低、過充電和過放電性能差、循環(huán)壽命短、快速充電困難。鎳氫電池。一種堿性蓄電池，單體額定電壓為1.2V。鎳氫電池比能量較大、循環(huán)壽命長、過充電和過放電性能好、無記憶效應(yīng)、無污染、可靠性高，其成本很高。鋰聚合物電池。單體電壓3V。埋聚合物電池比能量和能量密度高、但其對溫度敏感、低溫性能較差，目前技術(shù)不夠成熟，是純電動車用動力電池的發(fā)展方向之一。鋰離子電池。單體電池電壓高達4V以上。自放電率稍高，但其單體電壓高、比能量和比功率高、循環(huán)壽命長、可靠性高。其成本高。本論文的基本內(nèi)容是通過了解純電動汽車的基本結(jié)構(gòu)，性能特點和關(guān)鍵部件性能的要求，設(shè)計出純電動汽車合理的動力系統(tǒng)，基于ADVISOR的建模仿真，分析設(shè)計所得的各項參數(shù)的正確性。具體來說，研究內(nèi)容包括以下幾點：（1） 查閱文獻了解純電動汽車的基本結(jié)構(gòu)和各部件的重要參數(shù)；（2） 基于所查得的文獻對電動車的電機和傳動系進行設(shè)計；（3） 學(xué)習(xí)MATLAB/ADVISOR的相關(guān)知識，進行仿真建模；（4） 利用ADVISOR仿真系統(tǒng)進行仿真，分析設(shè)計所得數(shù)據(jù)，從而對所設(shè)計純電動微型客車動力系統(tǒng)的合理性進行驗證?；谝陨涎芯績?nèi)容，具體技術(shù)方案如下：通過對電動汽車的基本結(jié)構(gòu)，性能特點和關(guān)鍵部件性能的要求的了解，以及對ADVISOR軟件的學(xué)習(xí)，設(shè)計純電動微型客車的動力系統(tǒng)，并用ADVISOR進行建模仿真，分析仿真所得數(shù)據(jù)，從而驗證所建微型客車動力系統(tǒng)模型的正確性。若仿真結(jié)果與實際要求不一致，則不斷修改所建模型，直至仿真結(jié)果與實際要求基本一致為止。

第2章純電動微型客車動力系統(tǒng)設(shè)計及匹配2.1

微型客車整車參數(shù)及性能指標表1微型客車整車參數(shù)及性能指標項目具體要求數(shù)值（目標值）備注整車尺寸長×寬×高3885×1570×1860單位為mm軸距--2500單位為mm前輪距/后輪距--1290/1290單位為mm前懸/后懸--575//845單位為mm總質(zhì)量（滿載）--1770單位為Kg整備質(zhì)量--1200單位為Kg前后軸荷分配--595/605、650/970單位為Kg

從0Km/h加速到100Km/h所需時間≤30s--最高車速

≥100Km/hHVW條件下(整備質(zhì)量+180Kg)爬坡能力--≥25%最大總質(zhì)量條件下迎風面積

m2風阻系數(shù)

輪胎規(guī)格

165/70R13C

電池性能容量要求功率要求

額定/峰值電機性能扭矩要求額定/峰值續(xù)駛里程要求--≥150Km（空載）

百公里耗電量要求--≤18度（相當于燃油）60Km/h等速行駛碰撞星級要求滿足C-NCAP四星級評價性能,總分不低于40分,且各單項不存在罰分項最高配置款參考傳統(tǒng)客車技術(shù)參數(shù)，本項目提出了純電動客車的基本性能指標如(1)最高車速大于等于100km/h;(2)最大爬坡度大于等于25%;(3)0-100km/h加速時間小于等于30s;(4)續(xù)駛里程大于等于150km(空載)2.2電動機參數(shù)匹配[4,5,6]電動車用驅(qū)動電機通常要求能夠頻繁啟動/停車、加速/減速,低速和爬坡時要求高轉(zhuǎn)矩,高速行駛時要求低轉(zhuǎn)矩,并要求變速范圍大。其主要參數(shù)包括:電動機類型、額定電壓、機械特性、效率、尺寸參數(shù)、可靠性和成本等。另外為電動機所配置的電子控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)也會影響驅(qū)動電動機的性能。2.2.1電動機峰值功率及額定功率的匹配（1）式子中：——電機額定功率,kW——傳動系統(tǒng)效率——最大車重，kg————風阻系數(shù)——車輛迎風面積——最高車速，km/h（2）式中，最大爬坡角計算得在20Km/h速度下的爬坡速度下僅需31kw的功率假設(shè)車輛在平直路面上加速，車輛加速過程動力學(xué)方程為：（3）式中，——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù) 上式：——車輪轉(zhuǎn)動慣量 ——飛輪轉(zhuǎn)動慣量 i——電機到車輪的傳動比上式經(jīng)過變形為： （4）即為加速時間的計算公式汽車速度與電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：(5)電動汽車驅(qū)動力與電機額定轉(zhuǎn)矩的關(guān)系：(6)用MATLAB/SIMULINK建模，可得出加速時間t編程原理圖如下圖1MATLAB/SIMULINK加速計算建模2.2.2電動機額定轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速的選擇根據(jù)各種不同電機的性能對比，選擇永磁同步電機，其轉(zhuǎn)速范圍在4000-10000之間。操作性較好。尺寸小，質(zhì)量輕。電動機的最高轉(zhuǎn)速對電動機成本、制造工藝和傳動系尺寸有很大的影響。轉(zhuǎn)速在6000r/min以上的電機為高速電機，以下為普通電機。前者成本高、制造工藝復(fù)雜而且對配套使用的軸承、齒輪等各附件有特殊要求，一般適用于電動轎車或100kw以上大功率驅(qū)動電機，很少在純電動客車一般不采用高速電機。因此應(yīng)采用最高轉(zhuǎn)速不大于10000r/min的電機。當然，最高轉(zhuǎn)速越低，成本也會越低。 最大轉(zhuǎn)矩=額定功率/額定轉(zhuǎn)速 知額定轉(zhuǎn)速越低，對轉(zhuǎn)矩的要求越大，對電機的要求也越高。表22000年左右生產(chǎn)的車用永磁同步電機參數(shù)表車名電機峰值功率/轉(zhuǎn)速(kW/r/min)最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速（Nm/r/min）本田Plus交流永磁同步電機49/8750274/-1700豐田e-Com永磁同步電機76/0-2450豐田第一代普銳斯永磁同步電機33/1040-5600350/0-400本田Insight永磁同步電機49/1000上圖為2000年左右生產(chǎn)的車用永磁同步電機參數(shù)表，初步確定永磁同步電機的最大扭矩不大于300電動機最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值也稱為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)β，隨β值的增大，電動機可在低轉(zhuǎn)速區(qū)獲得較大的轉(zhuǎn)矩，有利于提高車輛的加速和爬坡性能。但β值的過多增加會導(dǎo)致電動機工作電流的增大，增大了功率損耗和尺寸。因此β值一般取2～4，計算出電動機額定轉(zhuǎn)速應(yīng)該在2000～4000r/min之間選取。[4]2.2.3電動機額定電壓的參數(shù)選擇電動機額定電壓的選擇與電動汽車蓄電池組電壓密切相關(guān)。在相同輸出功率條件下，電池組電壓高則電流小，對導(dǎo)線和開關(guān)等電器元件要求較低，但高電壓需要數(shù)量較多的單體電池串聯(lián)，引起成本及整車質(zhì)量的增加和動力性的下降，而且難于布置。電動機額定電壓一般由所選取的電動機的參數(shù)決定，并與電動機額定功率成正比，電動機的額定電壓越高電動機的額定功率越大。2.3傳動系參數(shù)匹配 傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配主要包括變速器的匹配設(shè)計和主減速器的匹配。在最大傳動比傳動時，傳動系統(tǒng)輸出的是最大的扭矩，對應(yīng)于車輛的最大爬坡度，在最小傳動比傳動時，整車將達到最大速度。2.3.1最大減速比的確定最大傳動比由電動機的額定轉(zhuǎn)矩和汽車的最大爬坡決定，有如下公式：(7)式中：——變速器最低檔速比 ——主減速器速比 ——車輪滾動半徑 ——傳動系統(tǒng)總效率2.3.2最小減速比的確定最小傳動比由電動機的最高轉(zhuǎn)速和最高車速決定，有如下公式：(8)式中：——變速器最低檔速比 ——最高車速根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速扭矩和車輛的行駛速度，爬坡度，可以確定減速比的范圍。根據(jù)電機額定功率和額定轉(zhuǎn)速，電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)β取2.5，可計算出電機最高轉(zhuǎn)速，最大扭矩，車輛最高車速定為10綜上，可得出電機不同額定功率，不同額定轉(zhuǎn)速下對減速比的要求。如下表所示：表3電機不同額定功率，不同額定轉(zhuǎn)速下對減速比的要求額定功率電機額定轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速車輛最高速度>km最小減速比<扭矩最大減速比>百公里加速時間40270067501006.1940300075001006.8840330082501007.5740360090001008.2650270067501006.1950300075001006.8850330082501007.5750360090001008.2660270067501006.1960300075001006.8819160330082501007.5760360090001008.26若動力電機無需驅(qū)動其他附件（空調(diào)、等），則根據(jù)上表，選擇動力傳動系的參數(shù)如下：表4動力傳動系的參數(shù)電機額定功率（Kw）50額定轉(zhuǎn)速(r/min)/最大轉(zhuǎn)速(r/min)2700/6750最大扭矩（N*m）/轉(zhuǎn)速（r/min）176.9/2700減速器減速比加速時間(s)18.29電機特性圖如下圖2電機特性圖2.4動力電池參數(shù)匹配 蓄電池的放電電流，放電電壓，效率，輸出功率等參數(shù)與汽車的續(xù)時里程，車速等有密切聯(lián)系，合理選擇這些參數(shù)，使其與汽車的動力系統(tǒng)達到最佳匹配值，是提高電動汽車性能的有效途徑。作為電動汽車的電源應(yīng)滿足的要求主要有：高的比能量和比功率，循環(huán)壽命長，安全可靠，免維護，對環(huán)境污染小，節(jié)省能源及成本低廉。蓄電池的主要新能參數(shù)有功率密度，能量密度，可靠性，壽命和價格等。 其中鋰離子電池的高能量和充放電速度快等優(yōu)越性能得到越來越多的關(guān)注，是目前市場前景最好的一種產(chǎn)品。盡管價格有些貴，根據(jù)發(fā)展的趨勢，我們選擇鋰離子電池，。其工作電壓高達3.7V，大約是鎳鎘或鎳氫電池的3倍，可減小電池的使用數(shù)量。沒有游離的金屬鋰，電池使用更安全。無記憶效應(yīng)，使其無時不為你提供最大的能量。 動力電池一般有能量型與功率型兩種，為滿足純電動汽車的行駛，要求采用能量型電池，匹配時主要考查其能量要求，即電池應(yīng)具有較大的容量，以增加車輛的續(xù)駛里程。電池容量與其功率成正比，容量越大，其輸出的功率越大，所以其輸出功率均能滿足整車電力系統(tǒng)的要求，因此主要是根據(jù)車輛的續(xù)駛里程來確定電池容量，根據(jù)車速確定其放電電流，根據(jù)電動機電壓確定電池的放電電壓。[4]1.鋰離子電池組電壓等級在車用電池的使用過程中，電池的最大放電電流不應(yīng)超過300A，根據(jù)電動機峰值功率Pmax確定電池的電壓等級V滿足如下關(guān)系式。（9）由上式計算出電池組的電壓等級V0≥160(V)。參考市場上鋰離子電池的額定電壓(4V)及本文匹配的電動機額定電壓范圍（300-350V），確定電池組電壓等級V=4V×80=320V。2.鋰離子電池組能量電池的能量計算公式為：（10）式中為電池組的實際能量（kWh）；為電池組的平均工作電壓（V）；C為單體電池的容量（Ah）。電動汽車行駛里程S(km)所需的能量，可以通過下式計算。假定汽車以(km/h)的速度行駛。（11）(12)式中為汽車以純電動驅(qū)動所需的功率（kW）；為車輛行駛里程S(km)所需的能量（kWh）。需要使?jié)M足：>(13)由電池容量與電壓可以直接求續(xù)駛里程，計算公式如下所示：(14)式中為電池塊的有效放電容量。電池不可能完全100%放出其額定的容量，比如從放電初始時SOC為100%放電到SOC為40%，那么該系數(shù)即為60%，即可放出其最大容量的60%。下表為60km/h下不同電壓和容量下的續(xù)時里程。表560km/h下不同電壓和容量下的續(xù)時里程續(xù)時里程容量續(xù)時里程80.090100.0110120.0電壓20096.0108.0120.0132.0144.0220105.6118.8132.0145.2158.4240115.2129.6144.0158.4172.8260124.8140.4156.0171.6187.2280134.4151.2168.0184.8201.6300144.0162.0180.0198.0216.0320153.6172.8192.0211.2230.4340163.2183.6204.0224.4244.8360172.8194.4216.0237.6259.2380182.4205.2228.0250.8273.6400192.0216.0240.0264.0288.0考慮到汽車運行中除了行駛阻力外還有其它損耗，理論計算中續(xù)時里程應(yīng)該大些我們選擇340V，100Ah的鋰電池。采用92個單體電池。表6動力傳動系匹配結(jié)果電機額定功率50kw額定轉(zhuǎn)速/最大轉(zhuǎn)速2700/6750最大扭矩/轉(zhuǎn)速/2700額定電壓傳動系傳動比電池電池類型鋰離子電池電壓340容量100單體電池個數(shù)92

第3章

基于ADVISOR的整車動力性仿真ADVISOR(AdvancedVehicleSimulator,高級車輛仿真器)是基于MATLA和SIMULINK軟件環(huán)境下開發(fā)的高級車輛仿真軟件。目前最新的正式版本ADVISOR2002可以對純電動汽車，傳統(tǒng)汽車、和混合動力汽車的各種性能作快速分析,可以在網(wǎng)站上免費下載，是目前用戶數(shù)量最多的汽車仿真軟件。由于該軟件通過大量的實踐被證實具有良好的實用性,現(xiàn)在世界上許多生產(chǎn)企業(yè)、研究機構(gòu)和高校都在使用該軟件做汽車仿真方面的研究。3.1ADVISOR的主要功能和特點ADVISOR是MATLAB和SIMULINK軟件環(huán)境下的一系列模型、數(shù)據(jù)和腳本文件的綜合。它在給定的條件下利用車輛各部分參數(shù),快速地分析各種汽車的燃油經(jīng)濟性、動力性以及排放性等各種性能。此軟件也允許對用戶自定義的汽車模型和仿真策略做仿真分析。它主要有以下特點:(1)仿真模型采用模塊化的思想設(shè)計。ADVISOR軟件分模塊建立了發(fā)動機、離合器、變速器、主減速器、車輪和車軸等部件的仿真模型,各個模塊都有標準的數(shù)據(jù)輸入/輸出端口,便于模塊間進行數(shù)據(jù)傳遞,而且各總成模塊都很容易擴充和修改,各模塊也可以隨意地組合使用,用戶可以在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上根據(jù)需要對一些模塊進行修改,然后重新組裝需要的汽車模型,這樣會大大節(jié)省建模時間,提高建模效率。(2)仿真模型和源代碼全部開放。ADVISOR2002的仿真模型和源代碼完全公開,可以在網(wǎng)站上免費下載。用戶可以方便地研究ADVISOR的仿真模型及其工作原理,在此基礎(chǔ)上根據(jù)需要修改或重建部分仿真模型、調(diào)整或重新設(shè)計控制策略,使之更接近于實際的情形,得出更合理的仿真結(jié)果也。(3)采用了獨特的混合仿真方法?，F(xiàn)在的汽車仿真方法主要有前向仿真和后向仿真兩種,目前仿真軟件也多采用其中的一種方法,使兩種方法優(yōu)勢不能互補,而ADVISOR采用了以后向仿真為主、前向仿真為輔的混合仿真方法,這樣便能較好地集成了兩種方法的優(yōu)點,既使仿真計算量小,運算速度快,同時又保證了仿真結(jié)果的精度(4)在MATLAB和SIMULINK軟件環(huán)境下開發(fā)研制。MATLAB是世界上頂尖的可視化科學(xué)計算與數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件,其語法結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)值計算高效、圖形功能完備,集成了諸多專業(yè)仿真工具包,而且它還提供了方便的應(yīng)用程序接口(API),用戶可以在MATLAB環(huán)境下直接調(diào)用C、Fortran等語言編寫的程序。MATLAB內(nèi)置的計算程序、專業(yè)的仿真工具以及與其他應(yīng)用程序的接口,會減少汽車模型的搭建和仿真計算過程中工作量,同時也方便了熟悉不同編程語言的用戶之間的合作。(5)能與其他多種軟件進行聯(lián)合仿真(Co-simulation)。汽車是一個復(fù)雜的系統(tǒng),其仿真更是涉及機械、電子、控制等多個領(lǐng)域,工作量很大,ADVISOR軟件開發(fā)過程中也難以涉及所有領(lǐng)域,這樣就限制了它一些功能的實現(xiàn)。但是ADVISOR設(shè)計了開放的軟件接口,能與Saber、Simplorer、VisuaDOC、Sinda/Fluint等軟件進行聯(lián)合仿真,為用戶改進和拓展其功能提供了方便。雖然ADVISOR軟件也有一些缺陷,例如,它的部件模型都是準靜態(tài)的(quasi-static),不能預(yù)測小于十分之一秒左右時間范圍內(nèi)的一些現(xiàn)象;機械振動、電磁振蕩等許多動態(tài)特性也不能通過ADVISOR軟件進行仿真,但它的優(yōu)越性仍然吸引了國內(nèi)外的眾多用戶。圖3ADVISOR界面圖4車輛模型ADVISOR中車輛模塊的輸入量為仿真結(jié)束時的速度和系統(tǒng)可提供的驅(qū)動力和線速度，根據(jù)車輛驅(qū)動力與行駛阻力平衡方程（滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力和加速阻力模塊）得到結(jié)果，即車輪所需要的驅(qū)動力和速度。車輛模塊中需要定義的參數(shù)包括：veh_description='YC_EVVehicle'；%定義汽車描述變量veh_CD=0.456；%定義風阻系數(shù)veh_FA=2.593；%定義迎風面積，單位：(m^2)veh_cg_height=0.600；%定義質(zhì)心高度，單位（m）veh_front_wt_frac=0.4；%定義前軸荷占整車質(zhì)量的百分比veh_wheelbase=2.5；%定義軸距，單位：(m)veh_glider_mass=1380；%定義車輛滑行質(zhì)量(kg)veh_cargo_mass=400；%定義最大裝載質(zhì)量（包括乘員），單位：kg圖5車輪模型上圖為ADVISOR中的車輪模塊，左為輸入端。包括變量①、②，分別對應(yīng)右側(cè)的兩個輸出量。模塊中主要有兩條運算路線（這個特點在后面的模塊中也很普遍），一條是根據(jù)下級模塊的需求運算得到上級模塊的需求，即“需求路線”；另一條是由上級模塊發(fā)出的功率到下級模塊得到的實際功率（“實際路線”）。在需求路線中，模型從車輪所需的驅(qū)動力和轉(zhuǎn)速通過牽引力控制接口和輪胎滑移率模塊計算傳動系應(yīng)提供的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在實際路線中，傳動系提供的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過前/后制動控制接口和輪胎滑移率等模塊計算出車輪實際獲得的牽引力和線速度。車輪模塊中需要定義的參數(shù)有：wh_radius=0.292；%定義車輪滾動半徑，單位：(m)wh_inertia=40*wh_radius^2/2；%定義輪胎的轉(zhuǎn)動慣量，單位：(kg*m^2)wh_1st_rrc=0.00938；%定義輪胎的滾動阻力系數(shù)包括變速器和主減速器模塊。圖6傳動系模型上圖為ADVISOR中的傳動系模塊（主減速器模塊和變速器模塊）。該模塊根據(jù)車輪模塊的需求轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，考慮損耗和慣性作用等因素后計算出對上級輸入模塊的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速需求。而實際路線則由變速器提供的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算出主減速器實際輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。ADVISOR中主減速器模塊的參數(shù)在變速器模塊中定義。變速器模塊中需要定義的參數(shù)包括：gb_ratio=[66]；%定義變速器各檔速比gb_gears_num=max(size(gb_ratio))；%定義變速器檔位數(shù)gb_mass=120；%定義變速器質(zhì)量，單位：(kg)fd_ratio=5.5；%定義主減速器速比fd_mass=50；%定義主減速器質(zhì)量，單位：(kg)圖7電機模型電動機模塊中，程序根據(jù)轉(zhuǎn)子所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過電動機轉(zhuǎn)速預(yù)估程序，考慮了慣性作用和轉(zhuǎn)矩限制等影響因素，在參考電動機輸出功率Map圖的基礎(chǔ)上計算得到電動機所需的輸入功率。在實際路線中通過可得到的電動機輸入功率求出轉(zhuǎn)子可得到的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電動機模塊中需要定義的參數(shù)包括：mc_map_trq=[-239.0-221.0-190.3-172.7-159.2-145.6-132.0-118.5-99.9-89.4-77.8-64.2-49.7-34.1-19.60.019.634.149.764.277.889.499.9118.5132.0145.6159.2172.7190.3221.0239.0]；%定義電動機的轉(zhuǎn)矩范圍mc_map_spd=[04008001200160020002400280032003600400044004800520056006000]；%定義電動機的轉(zhuǎn)速范圍mc_max_trq=[239239239239239239239239239239214.9195.3179.04165.3153.5143.235]；%定義電動機不同轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩，單位：(Nm)mc_max_crrnt=300；%定義電動機的最大電流，單位：(A)mc_min_volts=200；%定義電動機的最低工作電壓，單位：(V)mc_mass=125；%定義電動機的質(zhì)量，單位：(kg)圖8電池模型為能量存儲（電池）模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)功率總線的功率需求該模塊通過三個子模塊（電池組電壓/內(nèi)阻模塊、功率限制模塊和電流值計算模塊）計算出功率總線實際得到的功率，并通過SOC算法子模塊計算得到SOC值變化曲線。電池組電壓/內(nèi)阻模塊（packVcc.Rint）。該子模塊輸入總線功率需求、SOC值和電池組溫度，根據(jù)SOC-溫度-電壓曲線和SOC-溫度-電阻曲線，計算出某時刻電池組的端電壓和內(nèi)阻。功率限定模塊（limitpower）。模塊根據(jù)電池組能提供的最大電壓和電機控制器要求的最小電壓來限定電池組的電壓值。根據(jù)公式(E-U)U/r-0.1來求電池放電的最大功率，其中公式中E為電池開路電壓，U為工作限值電壓，r是電池組內(nèi)阻，是安全保護值，由電池SOC值、電池最大放電功率、允許放電功率和電壓限值得到電池組的輸出電壓限值。電流計算模塊（computecurrent）。該模塊根據(jù)總線功率需求、電池的電壓和內(nèi)阻以及功率限定模塊中得到的功率限值。電池模塊中需要定義的參數(shù)包括：ess_max_ah_cap=[100100100]；%定義電池容量隨SOC值隨溫度的變化ess_r_dis=[0.04190.02880.02210.0140.01450.01450.0162;0.0720.015150.008390.004930.005050.0055240.005722;0.05350.01330.00820.00590.00590.0060.0063]；%定義電池的放電電阻，單位(：ohm)ess_r_chg=[0.0210.0180.01770.01570.01380.01380.015;0.01240.00680.0054260.004420.004630.005830.00583;0.01040.00790.00720.00640.00590.00580.006]；%定義電池的充電電阻，單位(：ohm)ess_voc=[3.974.054.113.964.00;3.894.164.144.133.983.913.898;4.1284.1363.944.1284.1623.9613.899]；%定義電池的端電壓，單位：(V)ess_min_volts=2*92；%定義電池的最小電壓，單位：（V）ess_max_volts=*92；%定義電池的最大電壓，單位：（V）ess_module_num=92；%定義電池的數(shù)量ess_module_mass=9；%定義電池的質(zhì)量，單位：(k