增程式电动汽车传动系统匹配仿真

• 增程式电动汽车传动系统匹配仿真
  • 简介
  • 使用说明
    • 一、实验目的
    • 二、仿真数据
    • 三、实验步骤
      • 1.驱动电机参数匹配
      • 2.蓄电池参数匹配
      • 3.增程器参数匹配

简介

   增程式电动汽车(Extended-Range Electric Vehicle, E-REV)是以电能为主要驱动能源、发动机为辅助动力源的一种新型电动汽车。其动力系统主要由动力电池和小型发电机组组成。在日常行驶时，E-REV类似于纯电动汽车，发动机完全关闭，处于纯电动模式，该模式完全可以满足城市日常上下班行驶需求而不需要启动发动机。而在动力电池荷电状态(SOC)达到较低水平时，发动机启动作为主动力源，补充车辆行驶所需的电能，多余的电能对动力电池进行充电。
  增程式电动汽车传动系统匹配原则是根据整车动力总成结构特点和整车设计指标(动力性、经济性、续驶里程等)，对整车动力总成的参数进行匹配。

使用说明

一、实验目的

1. 驱动电机参数匹配
2. 蓄电池参数匹配
3. 增程器参数匹配

二、仿真数据

增程式电动汽车传动系统匹配仿真所需参数见表7-8-1。

表 7-8-1 增程式电动汽车传动系统匹配仿真所需参数

整车质量/kg	滚动阻力系数	空气阻力系数	迎风面积/m²
1700	0.015	0.29	1.97
轮胎滚动半径/m	旋转质量换算系数	传动系统效率	主减速器传动比
0.334	1.2	0.95	6.058

增程式电动汽车设计目标：最高车速大于或等于120km/h；0～100km/h加速时间不大于14s；最大爬坡度大于或等于30%；纯电动行驶里程城市工况小于60km，90km/h巡航大于60km；总续驶里程大于或等于300km。

三、实验步骤

1.驱动电机参数匹配

增程式电动汽车对驱动电机系统的要求更加严格，因此选取的驱动电机应该具备更高的功率密度，而且在较宽的转速和转矩范围内具备更好的效率特性，同时驱动电机控制器能实现双向控制，以实现制动能量回收。

驱动电机是增程式电动汽车行驶的动力源，增程式电动汽车要求驱动电机在爬坡或低速行驶时提供较大的转矩，在加速时提供较大的功率，同时需要比较大的调速范围。其中电机峰值转矩应满足整车爬坡度需求，在减速比、车轮半径等参数固定的情况下，电机转矩决定爬坡性能。

需要确定的特性参数主要包括电机的最高转速和额定转速、峰值功率和额定功率、峰值转矩和额定转矩等。最高转速与最高车速和主减速器传动比相关；峰值功率主要体现在车辆加速和爬坡工况；额定功率体现于车辆平稳运行工况。

正确选择驱动电机的额定功率非常重要。如果选择过小，电机经常在过载状态下运行；相反，如果选择太大，电机经常在欠载状态下运行，效率及功率因数降低，不仅浪费电能，而且增加了动力电池的容量，综合经济效益下降。

根据电机功率需求表达式，编写驱动电机功率需求仿真的MWORKS程序如下。

# 设置常量

m = 1700

g = 9.8

f = 0.015

Cd = 0.29

A = 1.97

r = 0.334

at = 0.95

# 计算电机功率Pm1

u = 0:5:140

Pm1 = u .* (m * g * f .+ Cd * A * u .^ 2 / 21.15) / 3600 / at

# 绘制图表1

figure(1)

plot(u, Pm1)

xlabel("最高车速/(km/h)")

ylabel("电机功率/kW")

# 计算电机功率Pm2

taf = 0:0.01:0.6

af = atan.(taf)

up = 30

Pm2 = up * (m * g * f * tan.(af) .+ m * g * sin.(af) .+ Cd * A * up^2 / 21.15) / 3600 / at

# 绘制图表2

figure(2)

plot(taf * 100, Pm2)

axis([0 60 0 80])

xlabel("爬坡度/%")

ylabel("电机功率/kw")

# 计算电机功率Pm3

uf = 27.78

ub = 17.32

lo = 1.2258

dt = 1.2

te = 5:0.1:15

Pm3 = (2 * m * g * f * uf / 3 .+ lo * Cd * A * uf^3 / 5 .+ dt * m * (uf^2 .+ ub^2) ./ te ./ 2) / 1000 / at

# 绘制图表3

figure(3)

plot(te, Pm3)

xlabel("加速时间/s")

ylabel("电机功率/kW")

# 计算电机需求功率Pm1、Pm2和Pm3的值

Pm11 = 140 * (m * g * f + Cd * A * 140 ^ 2 / 21.15) / 3600 / at

af = atan(0.3)

Pm22 = 30 * (m * g * f * cos(af) + m * g * sin(af) + Cd * A * 20^2 / 21.15) / 3600 / at

Pm33 = (2 * m * g * f * uf / 3 + lo * Cd * A * uf^3 / 5 + dt * m * (uf^2 + ub^2) / 12 / 2) / 1000 / at

# 打印电机需求功率Pm1、Pm2和Pm3的值

fprintf("电机需求功率Pm1=%.2fkW\n", Pm11)

fprintf("电机需求功率Pm2=%.2fkW\n", Pm22)

fprintf("电机需求功率Pm3=%.2fkW\n", Pm33)

图7-8-1 电机功率-最髙车速曲线 图7-8-2 电机功率-爬坡度曲线 图7-8-3 电机功率-加速时间曲线

综上所述，驱动电机匹配参数见表7-8-2。

表7-8-2 驱动电机匹配参数

2.蓄电池参数匹配

动力电池是整车驱动的主要能量源，是能量储存装置，应具有良好的充放电性能以保证车辆的动力性和再生制动回收的能力，其容量应能够满足增程式电动汽车性能要求的纯电动续驶里程；其电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致；其充放电功率应能够满足整车驱动和电器负载的功率要求。

根据能量需求，编写动力电池容量需求仿真的MWORKS程序如下。

m = 1700 # 质量

g = 9.8 # 重力加速度

f = 0.015 # 滚动阻力系数

Cd = 0.29 # 空气阻力系数

A = 1.97 # 有效面积

at = 0.95 # 效率系数

amc = 0.9 # 蓄电池充电效率

adis = 0.95 # 蓄电池放电效率

aa = 0.18 # 车载电器功耗系数

Ub = 288 # 电池电压

u = 140 # 车速

S1 = 30:1:80 # 纯电动续驶里程范围

DOD = [0.6 0.7 0.8] # 电池放电深度

gss = ["-", "--", ":"] # 绘图样式

for i = 1:3

CE = S1 * (m * g * f + Cd * A * u^2 / 21.15) / (3.6 * DOD[i] * at * amc * adis * (1 - aa) * Ub)

plot(S1, CE, gss[i])

hold("on")

end

xlabel("纯电动续驶里程/km")

ylabel("电池容量/A.h")

legend(["电池放电深度60%", "电池放电深度70%", "电池放电深度80%"])

CE1 = 60 * (m * g * f + Cd * A * u^2 / 21.15) / (3.6 * 0.7 * at * amc * adis * (1 - aa) * Ub)

fprintf("蓄电池容量CE=%.2fA.h\n", CE1)

图7-8-4 不同电池放电深度下的电池容量-纯电动续驶里程曲线

综上所述，动力电池类型选择磷酸铁锂电池，动力电池匹配参数见表7-8-3。

表7-8-3 动力电池匹配参数

3.增程器参数匹配

根据式(7-8-16)，编写发动机输出功率需求仿真的MWORKS程序如下。

# 设置参数

m = 1700; # 车辆质量(kg)

g = 9.8; # 重力加速度(m/s^2)

f = 0.015; # 滚动摩擦系数

Cd = 0.29; # 空气阻力系数

A = 1.97; # 车辆正面投影面积(m^2)

at = 0.95; # 传动效率

# 计算发动机功率需求

u = 0:5:140; # 车速范围(km/h)

PRE = u .* (m * g * f .+ Cd * A * u .^ 2 / 21.15) / 3600 / at;

# 绘制图形

plot(u, PRE)

xlabel("最高车速/(km/h)")

ylabel("发动机功率/kW")

# 计算最大车速下的发动机功率需求

PRE1 = 140 * (m * g * f + Cd * A * 140^2 / 21.15) / 3600 / at;

# 输出结果

fprintf("发动机需求功率PRE1=%.2fkW\n", PRE1)

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，就会得到发动机功率-最高车速曲线，如图7-8-5所示。如果最高车速选择140km/h，则发动机输出功率要大于32kW。

图7-8-5 发动机功率-最高车速曲线