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学习笔记纯电动汽车电力驱动系统研究
纯电动汽车电力拖动系统研究
江苏微特利电机有限公司施洪亮
河南海马轿车有限公司赵长春
1概述
1.1纯电动汽车电力拖动系统简介
电动汽车电力拖动系统可以按照驱动电动机不同进行分类。
当前应用在电动汽车驱动系统中电动机既有老式直流电动机和交流感应电动机,也有新型永磁同步电动机和开关磁阻电动机。
无论哪一类电力拖动系统,都必要对电动机进行控制,使其满足电动汽车特殊运营规定。
电动汽车与其她电力拖动系统不同,它需要经常变换运营方式,特别是在都市行驶状态下,规定电力拖动系统响应迅速、调速范畴宽,同步性能稳定。
在采用恰当控制方略条件下,交流感应电动机、永磁同步电动机都能满足这种规定。
1.2纯电动汽车电力拖动系统开发环节
一方面依照市场需要拟定整车性能指标,然后参照老式车辆牵引力分析办法,结合电动机机械特性,选定电动机和电池参数,最后根据整车重量变化核算电动汽车也许达到动力性能。
电动汽车电力拖动系统构造框图如图1.所示。
它以驾驶员操作(重要是以加速踏板位置操作)为输入,通过驱动系统控制器变换后,输出转矩给定值提供应逆变器。
逆变器控制电动机输出转矩,从而使电动汽车以驾驶员盼望状态行驶。
2纯电动汽车电力拖动系统基本布置
2.1电力拖动系统布置方式与系统构成
纯电动汽车驱动系统基本构成可分为三个子系统,即电动机系统、动力电源系统和辅助控制系统。
电动机系统由逆变器、电动机、机械传动系等部件构成。
它可以将蓄电池输出电能转化为车轮上机械能,驱动电动汽车行驶,是电动汽车核心构成某些。
动力电源系统由动力蓄电池组和电池管理系统构成,电池管理系统是实现电池能量监控、协调控制等功能核心部件;
辅助控制系统重要是为电动汽车非驱动附件提供控制功能;例如:
实现车载充电器控制、动力转向控制、制动助力控制、空气调节控制、冷却装置控制等功能。
在现今电动汽车电力拖动系统中,有将上述三个子系统物理构造统一,功能独立趋势。
2.2电力拖动系统与机械系统组合方式
电力拖动系统电动机与机械传动系统有许各种组合方式,如下简介比较典型并且容易实现二种组合方式。
2.2.1机械传动系不变组合方式
机械传动系不变组合方式大体构造如图2.1所示。
这种组合方式与老式燃油汽车驱动系统布置方式没有太大区别。
它是用电动机及其控制系统代替了发动机及其控制系统,而机械传动系则基本不变。
电动机输出轴与变速器输入轴相联,动力通过通过变速器传递到主减速器,然后到差速器,最后通过半轴将动力传送给驱动轮。
这种组合方式只需用电动机及其控制系统对燃油汽车发动机进行置换,就能得到一辆电动汽车,工作相对简朴,以便将老式汽车改装成电动汽车。
2.2.2采用固定速比减速器组合方式
由于电动机调速范畴比较宽,并且它输出特性与车辆规定驱动系统特性比较接近。
因而可以充分运用电动机这一特性,取消多档齿轮变速器,采用固定传动比齿轮减速器和差速器来传递动力。
图2.2是这种组合方式构造简图。
这种组合方式使得传动系统得到进一步简化,缩小了电力拖动系统占用空间。
但是,整车加速性和爬坡性会受到影响。
2.3纯电动汽车对电力拖动系统特殊规定
电动汽车对电力拖动系统特殊规定:
(1)可以频繁地起动、停车、加速、减速,对转矩控制动态性能规定高;
(2)转矩变化范畴大,既要工作在恒转矩区,又要运营在恒功率区,同步还规定保持较高运营效率;
(3)能在恶劣工作环境下可靠地工作;
(4)由于加速性和爬坡性规定,电动汽车用电力拖动系统过载倍数要大,普通在3~6倍。
正由于电动汽车对其电力拖动系统有这些特殊规定,因此在电动汽车电力拖动系统设计中,必要充分考虑这些特殊规定。
2.3.1纯电动汽车电力拖动系统中电动机选取
在选取电动汽车电动机时,需要考虑几种核心问题是成本、可靠性、效率、维护、耐用性、重量、尺寸以及噪声等。
选取感应电动机作为电动汽车驱动电动机,因素是感应电动机成本低,可靠性好,调速范畴宽,控制器较成熟,制造技术较成熟,转矩波动小,噪声小,不需要转子位置传感器;
选取无刷直流电动机作为电动汽车驱动电动机,是由于无刷直流电动机构造紧凑,重量轻,效率高,控制性能好。
选取开关磁阻电动机作为电动汽车驱动电动机,因素是开关磁阻电动机可靠性好,成本低,简朴,高速潜力大。
永磁同步电动机在功率密度和效率上比交流感应电动机有优势,有逐渐取代交流感应电动机而处在电动汽车驱动电动机首选位置上趋势,但是在当前应用中,必要充分考虑它“恒磁”特点。
在这里,本人推荐选用交流感应电动机。
2.3.2纯电动汽车电力拖动系统中交流感应电动机控制办法
交流感应电动机变频调速应用最为广泛;矢量控制技术和直接转矩控制技术是交流感应电动机变频调速实现转矩控制研究热点,越来越多可以实现转矩控制逆变器在电动汽车拖动系统中得到应用。
矢量控制基本思路是把交流电动机模仿成与直流电动机相似状况,从而像控制直流电动机同样来控制交流电动机。
矢量控制技术基本原理是依照磁场定向原理分别对异步电动机励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩目。
采用矢量控制交流感应电动机系统动态性能好,调速范畴宽,是当前应用最为广泛高性能交流调速系统。
但是交流感应电动机矢量控制需要通过坐标变换进行解耦,这使得采用矢量控制交流调速系统比较复杂,此外,这种调速系统性能对电动机自身参数依赖性也很大。
3纯电动汽车电力拖动系统设计
3.1纯电动汽车性能指标
老式燃油汽车性能指标涉及动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性等。
电动汽车由于动力系统不同,因而对它性能指标规定与老式燃油汽车有某些差别。
纯电动汽车由于以蓄电池存储电能为能量来源,因此衡量电动汽车性能一项重要指标是最大续驶里程,同步,由于电动汽车没有发动机,不燃烧燃料,因此没有燃油经济性规定。
电动汽车采用是电力拖动系统,它动力元件是电动机。
因此有耗电量测试规定。
这样,纯电动汽车电力拖动系统设计完全可以沿用老式汽车动力性设计办法。
3.2重温典型汽车设计理论
车辆驱动系统动力输出特性与车辆动力性直接有关。
驱动系统动力输出应当满足车辆动力性规定。
在设计电动汽车驱动系统时,为了使电动汽车达到规定动力性能指标,一方面必要对电动汽车行驶过程中力与功率平衡进行分析,以得到电动汽车需求特性场。
这里重温一下众所周知典型汽车设计理论并据此推导纯电动车辆行驶平衡方程。
3.2.1车辆行驶过程中力平衡方程
依照力平衡关系,车辆在行驶过程中,有如下受力平衡方程:
式中:
Ft——驱动力;
ΣF——行驶阻力之和。
3.2.2车辆行驶阻力
一方面分析车辆行驶阻力。
车辆行驶过程中受到阻力有滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。
3.2.2.1滚动阻力
滚动阻力是因车辆在行驶过程中轮胎变形引起。
它无法在真正受力图上表达出来,普通将它等效为一种力,用Ff来表达。
为了便于进行车辆动力性分析,引进滚动阻力系数f,
滚动阻力Ff(N)可以等效表达为:
式中:
G——车辆所受重力(N);
f——滚动阻力系数;与路面种类、行驶车速以及轮胎构造、材料、气压等关于。
3.2.2.2空气阻力
车辆直线行驶时受到空气作用在逆行驶方向上分力称为空气阻力,记作Fw。
在车辆行驶范畴内,空气阻力数值普通都总结成与气流相对速度动压成正比例形式,即:
式中:
CD——空气阻力系数,普通讲应是雷诺数R0函数,在车速较高、动压力较高、而相应气体粘性摩擦较小时,CD将不随R0而变化;
ρ——空气密度(kg/m3);
A——迎风面积,即车辆行驶方向投影面积;单位为m2;
ur——相对速度,在无风时即车辆行驶速度,单位为m/s。
3.2.2.3坡度阻力
将车辆沿坡道行驶时重力沿坡度方向分力统称为车辆行驶坡度阻力,记为Fi,规定上坡时Fi取正值,下坡时Fi取负值。
式中:
G——作用于车辆上重力,单位为N。
G=mg;m为车辆质量,g为重力加速度;
α——坡道与水平线所成锐角。
3.2.2.4加速阻力
车辆在加速行驶时,由质量产生惯性力为加速阻力,记为Fj。
车辆质量分为平移质量和旋转质量两某些,在加速时,平移质量产生惯性力,旋转质量产生惯性力偶矩。
为了便于计算,普通把旋转质量产生惯性力偶矩转化为平移质量惯性力,并以系数δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后车辆质量换算系数,则,车辆加速阻力可写作:
式中:
δ——车辆旋转质量换算系数,(δ>1);
m——车辆质量,单位为kg;
du/dt——车辆行驶加速度,单位为m/s2。
在老式燃油车辆中,δ重要与飞轮转动惯量、车轮转动惯量以及传动系传动比关于。
它可按如下公式进行估算:
式中:
ig——变速器传动比;
δ1、δ2——分别等效于车轮和飞轮引入换算因子。
在老式燃油车辆中,δ1=δ2=0.03。
3.2.3车辆驱动力
车辆行驶驱动力是路面作用在车辆驱动轮上,它不但与车辆驱动系统提供牵引力关于,并且与路面与轮胎之间接触状态关于。
设车辆传动系传递到驱动轮驱动力矩为Tt,它产生一种对地面圆周力Fr,在它作用下,地面对驱动轮产生一种反作用力Ft,这个反作用力就是车辆受到驱动力。
在车轮没有产生滑转状况下有:
式中:
Tt——半轴作用于驱动轮上转矩((Nm);
r——车轮半径。
令:
变速器传动比为ig;驱动电动机输出转矩为Ttq;主减速器传动比为i0,传动系统机械效率为ηT,
则:
3.2.4车辆行驶“驱动——附着”平衡条件
由(4.1)式可知,只有在满足条件
时车辆才也许行驶。
这个条件称为车辆驱动条件,它还不是车辆行驶充分条件。
依照典型力学理论,系统运动状态是由外力决定。
作用在车辆上驱动力实际是地面对驱动轮反作用力。
地面对轮胎反作用力极限值称为附着力Fφ,在硬路面上,它与驱动轮法向反作用力FZ成正比,常写成:
式中:
φ——附着系数,它由路面和轮胎决定。
车辆在行驶过程中,路面所提供驱动力不也许不不大于Fφ,即
当驱动力达到极限值Fφ时,如果继续加大车辆动力系统输出力矩,驱动轮将在路面滑转,地面反向作用力并不会增长。
3.2.5车辆行驶过程中功率平衡条件
车辆行驶时,不但驱动力和行驶阻力互相平衡,驱动功率和车辆行驶阻功率也总是平衡。
也就是说,在车辆行驶每一瞬间,驱动功率Pe总是等于机械传动损失功率与所有运动阻力所消耗功率之和。
车辆运动阻力所消耗功率有滚动阻力功率、空气阻力功率、、坡度阻力功率以及加速阻力功率。
即:
在纯电动汽车中,Pe为电动机输出功率(w)
总结以上推导公式,可得车辆行驶过程中两个平衡方程如下:
对纯电动汽车而言,式中:
Pe——电动机输出功率(W);n——电动机输出转速;Ttq——电动机扭矩。
其中,Ft要满足Ft≤FZφ条件。
3.3一种设计实例
设计规定
最高车速:
Vmax=150km/h;最大爬坡度:
i=30%(40km/h);
续驶里程100km(50km/h);0~100Km/h加速时间:
18s;
设计输入:
整车满载质量:
Ga=1472Kg;
轮胎半径r=0.269m
空气阻力系数:
CD=0.32;
车身迎风面积:
A=1.88m2
滚动阻力系数:
f=0.018
传动效率:
η=0.92
传动比:
参见5S160变速器
①依照动力性规定拟定电机参数:
额定30kw电动机
电动机转速
600
1200
1800
2400
3000
3600
4200
4800
5400
电动机额定转矩
80
80
80
80
80
80
60
54
40
功率
4
9
13
18
22
30
30
30
30
电动机过载转矩(3倍)
240
240
240
240
240
240
180
160
117
②依照续驶里程拟定电池容量55Ah,电压336V,标称能量18.48kwh。
③动力性计算成果如下图:
本文研究纯电动汽车电力拖动系统已经被某汽车厂采用,实物见下图。
4纯电动汽车电力拖动系统控制方略研究
在驾驶员操作与驱动系统动力输出之间建立如何控制关系对于驱动系统而言是非常核心。
在汽车驾驶中,驾驶员获取道路环境和车辆状况信息后,依照自己驾驶经验,通过踩踏加速踏板来控制驱动系统动力输出,使车辆按照驾驶员意图行驶。
如图4.1所示。
为加速踏板位置选取一种适当相应物理量作为驱动系统控制器输入是电动汽车设计首要出发点。
最佳选取是相应电机输出转矩。
驾驶员直观控制对象是车辆行驶速度。
如果车速不能达到驾驶员预期车速,驾驶员就会变化加速踏板位置,变化电机输出转矩,也就是变化车辆加速度,加速度变化直接影响到车辆速度,直至达到控制车速为止。
由于重要考虑是对驱动系统力矩输出控制,因而规定,当加速踏板输出Tq值为正,驱动系统进入电动状态,此时Tq值为电动系统电动力矩目的值;当制动踏板输出Tq值为负,驱动系统进入再生制动状态,此时Tq值为制动系统制动力矩目的值。
依照以上设计理念,拟定如下电动汽车电力拖动控制系统:
其中以DSP2407为主双CPU主控制器兼顾了电机逆变控制和汽车行驶整车控制。
进一步研究开发,锂电池组附带电源管理器和车载充电器功能也要交由电力拖动控制系统完毕。
机械构造方面,还考虑要增长电机轮系,以便拖动必要旋转附件;目是加大电机负荷,提高用电效率。
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