帶增程器的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

1、帶增程器的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶增程器的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言眾所周知，我國(guó)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)方面一直落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，有很多關(guān)鍵技術(shù)依賴(lài)于發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)企業(yè)，常常被別人牽著鼻子走，這也造成了我國(guó)汽車(chē)行業(yè)長(zhǎng)期處在一種低水準(zhǔn)、高成本的模式下運(yùn)作，非常不利于我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的正常發(fā)展。目前全球汽車(chē)行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型階段， 由于石油資源的短缺和環(huán)境的日益惡化，使得人們不得不考慮從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)向新能源電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)型，這也給我國(guó)汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展契機(jī)，大力發(fā)展新能源 電動(dòng)汽車(chē)，掌握其關(guān)鍵技術(shù)，就能讓我國(guó)汽車(chē)企業(yè)在未來(lái)的全球競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)，在汽車(chē)行業(yè)占據(jù)領(lǐng)先地位。1電動(dòng)汽車(chē)及 Range - Extender簡(jiǎn)

2、介電動(dòng)汽車(chē)具有高效、節(jié)能、低噪聲、零排放等顯著優(yōu)點(diǎn)， 在環(huán)保和節(jié)能方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的研發(fā)已成為各國(guó)政府和汽車(chē)行業(yè)的熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)指全部或部分用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車(chē)。它包括燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（ FCEV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）和純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）3種類(lèi)型。其中純電動(dòng)汽車(chē)（Battery Electric Vehicle ）發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，曾被全球汽車(chē)企業(yè)廣泛看好，從20世紀(jì) 70年代至今，可以說(shuō)比其他類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展時(shí)間都長(zhǎng)，經(jīng)驗(yàn)也豐富，開(kāi)發(fā)成本也較低。但由于目前蓄電池儲(chǔ)能有限， 純電動(dòng)汽車(chē)存在一次充電后續(xù)駛里程短的問(wèn)題?？紤]采用在純電動(dòng)汽車(chē)上加裝一個(gè)增

3、程器（ Range-Extender ）的方法來(lái)增加純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。增程器（ Range-Extender ）是為了增加純電動(dòng)汽車(chē)行駛里程而加裝在純電動(dòng)汽車(chē)上的一個(gè)附加儲(chǔ)能部件。通常用戶(hù)可以在出行時(shí)根據(jù)行駛里程需求自行選擇安裝或者不安裝（降低車(chē)重，可以減少能量消耗）。增程器的形式通常有：小型發(fā)電機(jī)、蓄電池和燃料電池等。而由于增程器的工作特點(diǎn)，通常對(duì)其性能有如下要求：（1）要求系統(tǒng)可靠，長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)后可以立刻進(jìn)入工作狀態(tài)；（2）由于工況單一，要求對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行較好的優(yōu)化以降低系統(tǒng)成本，提高效率。相比純電動(dòng)汽車(chē)，帶Range-Extender 的電動(dòng)汽車(chē)在行駛里程方面有很大的優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)油電混

4、合動(dòng)力汽車(chē)，帶 Range-Extender 的電動(dòng)汽車(chē)在排放方面優(yōu)點(diǎn)十分突出，而相比新型電電混合動(dòng)力汽車(chē)，帶 Range-Extender 的電動(dòng)汽車(chē)以蓄電池驅(qū)動(dòng)為主，更偏向于純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，因此也可視其為從混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)向純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的一種過(guò)渡方法。2動(dòng)力系統(tǒng)總體規(guī)劃帶有 Range-Extender 的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖1所示。設(shè)計(jì)車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)往往要先確定車(chē)輛的整車(chē)性能指標(biāo)。 車(chē)輛的整車(chē)性能中與動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的指標(biāo)主要包括： 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)還要確定其一次充電后的行駛里程。車(chē)輛的動(dòng)力性能通常采用最高車(chē)速、最大爬坡度和加速性能來(lái)衡量。經(jīng)濟(jì)性是通過(guò)車(chē)輛的百公里油（能）

5、耗來(lái)衡量。排放則是通過(guò)百公里排放的污染物來(lái)衡量。首先根據(jù)開(kāi)發(fā)目的和國(guó)家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定待開(kāi)發(fā)車(chē)輛的動(dòng)力性能指標(biāo)，其中加速性能用汽車(chē)從靜止加速到某一速度所需的時(shí)間來(lái)確定，通常使用 0100km/h 的加速時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)的加速性能。在確定了待開(kāi)發(fā)車(chē)輛的動(dòng)力性能要求之后，根據(jù)上述 3個(gè)動(dòng)力性能指標(biāo)來(lái)確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)即確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)。根據(jù)行駛里程的要求可以確定車(chē)輛儲(chǔ)能部件的參數(shù)， 對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)即確定蓄電池的電量。純電動(dòng)工況下為零排放， 故只需考慮 Range-Extender 的排放問(wèn)題。3選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)理想車(chē)用電機(jī)的特性可以用圖2表示。轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速nb 以下以 Tmax恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，以上以

6、 Wb恒功率運(yùn)行。電機(jī)輸出特性與車(chē)輛行駛時(shí)車(chē)速范圍寬、低速轉(zhuǎn)矩大的要求相一致。根據(jù)上述分析，需要確定的電機(jī)性能參數(shù)包括：最大功率、最高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速、額定功率等。下面通過(guò)分析車(chē)輛在不同工況下的受力情況和能量轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)。3 . 1確定電機(jī)最大功率（1）最高車(chē)速工況整車(chē)力平衡方程：F t = Ff+ Fw（1）汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力： F t ；滾動(dòng)阻力： F f = m gf ；空氣阻力： F w = C dAV2/ 21.15 ，風(fēng)阻系數(shù)： C d，汽車(chē)車(chē)速： V，迎風(fēng)面積： A，滾動(dòng)阻力系數(shù)： f 。汽車(chē)以最高車(chē)速行駛所需要的電機(jī)功率：P t = F t V max（2）（2）最大爬坡工況整車(chē)力平

7、衡方程：F t = Ff + Fw + Fp（3）坡道阻力： F p = m 2gsin P 2= F t V b（4）3.2 確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需要先選擇傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比：i 。n max = V I/（0.377 r ）（5）車(chē)輪半徑： r 。3. 3 確定電機(jī)轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩工況向恒功率工況轉(zhuǎn)換時(shí)的車(chē)速，即對(duì)應(yīng)于恒轉(zhuǎn)矩工況時(shí)的最大轉(zhuǎn)速。3. 4 校核加速時(shí)間加速過(guò)程通常分為恒轉(zhuǎn)矩和恒功率兩個(gè)階段。恒轉(zhuǎn)矩階段整車(chē)驅(qū)動(dòng)力： Ft1 = T max/ V b轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速時(shí)的車(chē)速： Vb恒功率階段整車(chē)驅(qū)動(dòng)力：Ft2 = Wb/ V因此整車(chē)加速時(shí)間：4選擇儲(chǔ)能電池通常按照以巡航車(chē)速完成所要

8、求行駛里程所需要的能量來(lái)確定儲(chǔ)能電池電量。作為純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的常見(jiàn)類(lèi)型為鉛酸電池、 鎳鎘電池和鎳氫電池、鋰電池、磷酸鐵鋰電池等。 其中磷酸鐵鋰電池也是一種鋰電池，其比能量不到鈷酸鋰電池的一半，但是其安全性高，循環(huán)次數(shù)能達(dá)到2000次，放電穩(wěn)定，價(jià)格便宜，因此通常選擇磷酸鐵鋰電池作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池。5選擇 Range Extender通?？蛇x擇的增程器類(lèi)型為小型發(fā)電機(jī)或者燃料電池。 基于盡量避免使用燃油和爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)零排放的初衷，建議選用蓄電池或燃料電池作為 Range-Extender 。根據(jù)動(dòng)力電池的充電電壓和車(chē)輛行駛里程的要求可以確定Range-Extender 的輸出電壓和儲(chǔ)電量。6

9、實(shí)例分析假設(shè)開(kāi)發(fā)一輛場(chǎng)館車(chē)，整車(chē)參數(shù)如表1。表1整車(chē)參數(shù)（新能源汽車(chē)聚焦網(wǎng)制表）參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值純電動(dòng)續(xù)航里程60續(xù)航里程（ km）Extended Range60總續(xù)航里程120空載質(zhì)量（ m/kg ）4951滿(mǎn)載質(zhì)量（ m2/kg ）570車(chē)輪半徑 /mm222.4風(fēng)阻系數(shù)0.3521.96迎風(fēng)面積（ m）滾動(dòng)阻力系數(shù)0.015傳動(dòng)效率（ n ）0.95t根據(jù)其使用目的和常用工況可以選擇動(dòng)力性能指標(biāo)如下。最高車(chē)速： Vmax = 40km/h ；爬坡能力：以 Vb = 10km/h 車(chē)速爬 15%的坡道；加速能力： 0-30km/h 用時(shí)小于 5s；巡航車(chē)速： Vn = 30km/h 。6 .

10、 1計(jì)算電機(jī)參數(shù)根據(jù)式（ 2）和式（ 4）確定其最大功率為其最大爬坡工況，計(jì)算出最大功率為 2.68kW。電機(jī)額定功率通常是巡航車(chē)速工況的功率，按式（2）代入巡航車(chē)速可得額定功率為 0.99kW。選擇的驅(qū)動(dòng)形式為四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此傳動(dòng)比為 1，根據(jù)式（5）得出 nmax=480（1/min ）。轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速即為最大爬坡車(chē)速時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)式（5）得出：nb=120（1/min ）。根據(jù)式（ 6）得出加速時(shí)間為 3.464s ，滿(mǎn)足性能要求。6. 2 計(jì)算動(dòng)力電池參數(shù)以巡航車(chē)速 30km/h，行駛 60km所需能量：磷酸鐵鋰電池放電電壓在2.5V3.5V 之間，故可選用 20個(gè)放電電壓為 3V 的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)。考慮安全系數(shù)可選擇電池參數(shù)如下：電池電壓為 60V，容量為 80Ah；希望 SOC：0.20.9 ；校核電池能量：E = 60 80（ 0.9 - 0.2）= 3.36 （kW）（8）滿(mǎn)足需求。6 . 3選擇 Range - Extender參數(shù)要求 Range-Extender 提供可供該車(chē)行駛 60km的能量，考慮蓄電池充電效率， Range-Extender的儲(chǔ)電量應(yīng)比蓄電池的4.8kWh 略大，可取 5kWh。磷酸鐵鋰電池充電電壓在3