纯电动轿车三电匹配计算

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    发表于:03月14日 17:26  浏览量: 704  来源: 未知
摘要:针对设定的动力性指标和现有资源,电机、电池等总成参数匹配计算及总成结果


以某一型号的传统轿车为例,改装为纯电动轿车,重新设计动力系统参数,并验证匹配设计方法是否合理。整车数据见表1,三电及减速器性能指标见表2。

表1整车数据

表2三电及减速器性能指标

1电池参数

1.1电池电量匹配

电池的电量主要由整车续航里程和电机、电控、电池的效率及能量回馈率等因素来确定。

1.1.1匀速行驶的电池电量需求

在水平路面匀速行驶的电池电量平衡方程如下:

式中:S1——车辆续航,km;η1、η2、η3——传动系统效率、电机控制器系统效率、电池的放电效率,取估算值η1=92%,η2=88%,η3=100%;P0——整车附件耗电量,kW。

根据式(1),按标准m取半载质量,令V=60,80km/h,可得到电池电量与续航的关系拟合曲线,见图1。

1.1.2NEDC下的电池电量需求

因xxx项目设计最高车速为120km/h,因此这里计算需考虑典型城市工况及城郊工况。根据加速过程中行驶方程,可以推到一个匀加速工况下电机所做的功:

图1电池电量与续航的关系拟合曲线

图2NEDC工况不同回馈率下续航与电池电量的关系拟合曲线

式中:a——加速度,m/s2;V0——初始车速,m/s;V——匀速行驶车速,m/s。

于是得到NEDC工况下续航S2与电池电量的关系式:

式中:t0——一个工况循环车辆运行时间,s;S0——一个工况循环车辆运行距离,km;η1——机械传递效率;η2——电机电控系统平均工况效率;η3——电池的充电效率;η4——制动能量回馈率,%。

将整车相关技术参数代入式(3),(4),依据标准,由一个NEDC循环车辆运行时间t0=900s(不含停车时间)估值低压附件功率P0=0.2kW,电机电控系统平均工况效率估值η2=88%,放电效率η4=100%,在无回馈的条件下,一个NEDC工况电池的输出电量为:

对于减速工况,可以推到一个匀减速工况下电池可以回收的能量如下:

将整车相关技术参数代入式(5),根据NEDC工况要求,电池能量回馈率=W回馈/W功=13.8%。

由NEDC工况标准得知一个NEDC循环车辆理论行驶距离S0=11.023km,在能量回馈为η4的条件下,电池电量与续航的关系式:

式中:S2——NEDC工况下续航,km;η4——制动能量回收率,%。

由式(5)得到NEDC工况下,车型电池电量与续航及能量回收率的关系拟合曲线,见图2。

由图2可查到要满足NEDC工况整车续航250km的要求,动能量回馈率,电池电量在36.99~40.11kWh之间,考虑到百公里电耗要求,按能量回馈率8%估值,确定电池电量:W2=37kWh。

根据新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求,新能源乘用车技术要求规定:当车辆1000<m≤1600kg时,Y≤0.0108×m+2.25;那么Y=0.0108×1167+2.25=14.9,百公里电耗=(W2/S/η充)×100=(35/251/0.95)×100=14.7≤Y,满足要求(设充电机效率:≥95%)。

1.1.3整车电量确定

由1.1.1、1.1.2计算结果,可以初步确定满足整车续航条件的电池电量:W=Max(W1,W2)=37kWh。

1.2电池及放电倍率匹配

1.2.1电池匹配

电池参数主要由电机及整车附件的和决定,影响因素主要为:电机电控系统的效率、电池的放电效率及满输出要求的电池SOC值。

1)电池的持续及峰值放电的计算由电池的放电平衡方程:

式中:Pm——电机的输出,kW;PV——整车附件,为高压附件DC-DC,空调或暖风等输入之和;η2——电机电控的系统效率,计算按估值88%;η3——电池放电效率,计算值取100%。

由整车提供的DC-DC、空调压缩机、PTC的参数可知PV=1.2+1.3=2.5kW,设电池峰值放电倍率为2,可得到电池的峰值放电:Pbdcmax=35×2=70kW。如果设定电池峰值放电倍率2来考虑,那么:(Pm1max/η2+2.5)/η3=35×2,Pm1max=59.4kW。

设电池持续放电倍率为1,持续放电:Pbdc=35×1=35kW。

如果设定电池持续放电倍率为1来考虑,那么:(Pm额/η2+2.5)/η3=35,Pm额=28.6kW。

2)电池的脉冲峰值馈电估算

由电机的馈电及效率、过程舒适性要求、法规要求等因素确定。因仅考虑到电池馈电的极值,地面附着系数取最大值ε=0.8。由此得到前轮最大力:

式中:β——前后轮力分配系数,由整车提供为β=2.49(估值)。M取半载质量1347kg,可得到:Ffmax=7534.6Nm。此时的电机的最大力矩需求为:

由水平路面车辆行驶方程Ft=Ff+Fj+Fw,可得到恒力矩下瞬间减速度与电机扭矩及转速的关系式:

m取半载质量1347kg。

式(9)中代入整车设计相关参数,可得到减速度与电机的扭矩及转速的关系式(速比为7.3:1):a=0.017Tm+0.13+0.000023×V2(m/s2),即:Tm=58.8a-7.7-0.0014×V2(Nm)。

由回馈车速不小于15km/h,即转速n不小于1016r/min,可得到最大电机扭矩与减速度的关系式(速比7.3:1):

由标准IS02631提出减速度a≥2.5m/s2会造成乘客不适,由此取amax=2.5m/s2得到电机最大的力矩:

由式(8),式(11)可得到回馈过程中,考虑舒适性,电机的最大扭矩:

电机的馈电峰值为电机的峰值发电50kW(估算值),取电机的发电效率最大值0.92,控制器的峰值效率0.97,可得到电池的峰值馈电:Pbfmax=50×0.92×0.97≈45kW。

3)峰值馈电时间的估算

峰值馈电时间由恒扭矩减速时间t1及恒减速时间t2及扭矩响应时间t0组成。由V=V0-at,车辆的120km/h,a取2.5m/s2,得到在恒扭矩区内最长减速时间:t1=V/a/3.6=13.3(s)。

扭矩响应时间t0取估值0.5s,于是得到峰值馈电下,最长的馈电时间:Tf≥t0+t1=13.8(s)。

1.2.2电池放电倍率的匹配(表3)

表3电池放电倍率的匹配

2电机参数匹配计算

主要包括电机峰值转矩、及最高转速的匹配。

2.1电机峰值扭矩与减速比关系确定

2.1.1路面附着允许的电机最大输出扭矩

该车型为前轮驱动,由整车提供的前轴轴荷为mf=645kg,取沥青、水泥路面经验值ε=0.8。

水平路面电机最大允许输出扭矩:

最大爬坡度a=30%最大允许输出扭矩:

2.1.2满足的电机峰值扭矩

根据车辆在爬坡过程中的汽车行驶方程:Ft=Ff+Fi+Fw,可得到电机输出扭矩关系式:

根据整车提供的设计参数,根据式(14)可计算得到电机最大需求扭矩Tm2max与电机转速、减速器速比及爬坡度间的关系式:

取i=7.3时,通过赋值爬坡度,由式(15)可得在爬坡车速为10km/h,15km/h,30km/h变化条件下,车速对电机爬坡扭矩的影响率拟合曲线见图3。

图3车速对电机爬坡扭矩的影响率拟合曲线

对图3数据分析并结合式(15),并考虑到实际应用中车速及减速比范围、风阻对峰值扭矩的影响,因此式(15)可简化为(但实际计算扭矩还按照公式(15)):

将整车设计要求a=30%、爬行车速代入式(15)中,可得到满足爬坡度a=30%的电机峰值扭矩需求与减速器速比的关系式:

2.2电机最高转速的匹配

2.2.1减速器减速比的确定

由电机转速n与车速v的关系式v=0.377×n×r×i-1(km/h),整车设计Vmax=120km/h,计算得到:

由式(17),式(18),获得最高转速与最大输出扭矩与减速器速比间关系拟合曲线,见图4。

2.2.2电机最高转速

根据电机最高转速与减速器减速比的关系式,可得到满足车辆120km/h的电机的取整最高转速:

考虑到车辆运行中的轮胎滑移,电机控制器转速控制精度偏差范围,确定电机最高转速:Nmax=8500r/min。

2.3电机峰值扭矩的匹配

将减速器i=7.3,代入式(18),可计算得到电机的取整峰值扭矩:Tmmax=183Nm。

考虑到控制的扭矩控制精度,车辆整备质量的偏差以及坡道启动等影响因素,确定电机的最高扭矩为:Tmmax=200Nm。

图4不同速比下转速与扭矩的拟合曲线

图5加速时间t1、t2与峰值关系拟合曲线

图6峰值扭矩与0-100km/h拟合曲线

2.4电机峰值匹配

2.4.1满足加速性能要求的匹配

电机峰值主要决定整车的加速性能设计要求。

由于电机的低速恒扭矩、高速恒输出的特性,先计算电机基速与电机峰值Pm1max间关系。

全油门加速过程的电机基速转速:

式中:Pm1max——电机峰值输出,kW。

根据式(20)及Tmmax,I的值及车速与电机转速关系式V=0.377×n×r/i,可计算得到该车的基速关系方程:

整车最短:

式中:t0——电机峰值扭矩响应时间,s;t1——恒扭矩区,s;t2——恒,s。

根据整车提供的相关参数,整车质量取半载质量,同样忽略电机转速对最大扭矩的影响,由行驶方程式Ft=Ff+Fw+Fi+Fj推导出在恒扭矩区t1与峰值关系方程式:

同时,可确定恒t与峰值、车速的关系方程式:

式中:V——整车设计,km/h;δ——旋转质量换算系数,δ≈1.05;Pmax——电机的峰值

由于电机峰值扭矩响应时间t0一般设计要求值小于0.5s,取计算值t0=0.5s。

由式(23),式(24)通过峰值赋值后,运用积分等计算可得到在不同下的恒扭矩t1及恒t2关系拟合曲线,见图5。

由式(21)可得到在不同电机峰值下与整车0-100km/ht关系拟合曲线,见图6。

由图6可知,按整车0-100km/h≤18s的设计要求,电机峰值选取的范围在50kW左右。考虑到车轮实际运行中的阻滞及整车的经济性,为满足整车加速性能要求,确定初步选取电机为:Pm2max=50kW。

2.4.2满足市区循环工况的电机峰值匹配

在NEDC工况中,由于电机的额定均可满足整车的匀速工况要求,而且短,考虑到经济性,故仅在匹配电机峰值时考虑整车NEDC的加速工况。

由加速工况下,电机最大输出Pm2为车辆加速末电机匀速P1与电机加速P2之和。

式中:V末——加速过程中末速度,km/h。

根据整车提供的参数,计算满足NEDC工况下电机最大峰值:Pm3max=35.59kW。

综合1.2.1、2.4.1与2.4.2确定电机的峰值Pmmax=Max(Pm1max,Pm2max,Pm3max)=50kW。

2.5电机峰值转速与额定匹配

2.5.1电机的额定转速由整车的经济车速来确定

由电机的转速n(r/min)与整车的车速V(km/h)的关系式:V=0.377×n×r/i/0.95。

滚动半径r=0.286m,减速器速比i=7.3,整车设计V=60km/h代入上式,计算得到电机额定转速:ne=4062r/min,取整,选取电机的额定转速为:ne=4100r/min。

2.5.2电机额定的匹配

电机的额定由车辆设计Vmax(30min,单位km/h)和一定车速下持续爬坡车速确定。

平衡方程可得到电机额定输出Pe(kW):

将a=0%,及整车相关设计参数代入式(27),其中m取满载质量,赋值车速,可得到电机输出额定间的关系拟合曲线,见图7。

图7电机输出与车速关系拟合曲线1

同样,将整车设计爬坡度a=4%,其中m取,代入式(27),可得到爬坡度为4%时,电机输出额定间的关系拟合曲线,见图8。

图8电机输出与车速关系拟合曲线2

同样,将整车设计爬坡度a=12%,其中m取,代入式(27),可得到爬坡度为12%时,电机输出额定间的关系拟合曲线,见图9。

图9电机输出与车速关系拟合曲线3

将整车设计爬坡度a=30%,其中m取,代入式(27),可得到爬坡度为30%时,电机输出额定间的关系拟合曲线,见图10。

由图7可知,水平路面车辆匀速行驶120km/h时,电机需要的输出:Pe1=23.05kW。

由图8可知,爬坡度为4%路面车辆匀速行驶60km/h时,电机需要的输出:Pe2=15.93kW。

由图9可知,爬坡度为12%路面车辆匀速行驶30km/h时,电机需要的输出:Pe3=17.51kW。

由图10可知,爬坡度为30%路面车辆匀速行驶15km/h时,电机需要的输出:Pe4=20.03kW。

根据整车的设计要求,计算电机的额定:Pe=Max(Pe1,Pe2,Pe3)=23.05kW。

最后选择,为满足整车的设计要求,电机的额定取值为:Pe=25kW。

同理:根据1.2.1推理,如果电池包输出电量是37kWh(考虑放电效率),那么额定的放电倍率为:①(25/0.88+2.5)/37=0.84≈0.8(考虑夏季雨夜);②(25/0.88+0.2)/35=0.82≈0.8(考虑试验状态)。

图10电机输出与车速关系拟合曲线4

3总结

针对设定的动力性指标和现有资源,电机、电池等总成参数匹配计算及总成结果见表4。

表4电动车总成参数匹配计算及总成选型结果

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