带增程器的纯电动汽车动力系统设计

带增程器的纯电动汽车动力系统设计 带增程器的纯电动汽车动力系统设计 时间:2010-10-28 13:24来源:同济大学 作者:admin 点击: 180次 引入Range-Extender(增程器)概念，阐述纯电动汽车前期开发过程中动力系统参数的设计过程，旨在为纯电动汽车动力系统参数开发提供参考。 0 前言 众所周知，我国在传统内燃机汽车方面一直落后于发达国家，有很多关键技术依赖于发达国家的汽车企业，常常被别人牵着鼻子走，这也造成了我国汽车行业长期处在一种低水准、高成本的模式下运作，非常不利于我国汽车行业的正常发展。 目前全球汽车行业正处于转型阶段，由于石油资源的短缺和环境的日益恶化，使得人们不得不考虑从传统内燃机汽车向新能源电动汽车转型，这也给我国汽车行业带来了发展契机，大力发展新能源电动汽车，掌握其关键技术，就能让我国汽车企业在未来的全球竞争中占得先机，在汽车行业占据领先地位。 1 电动汽车及Range - Extender 简介 电动汽车具有高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势。目前电动汽车技术的研发已成为各国政府和汽车行业的热点。电动汽车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。它包括燃料电池电动汽车(FCEV)、混合动力电动汽车(HEV)和纯电动汽车(BEV)3种类型。其中纯电动汽车(Battery Electric Vehicle)发展时间最长，曾被全球汽车企业广泛看好，从20世纪70 年代至今，可以说比其他类型电动汽车的发展时间都长，经验也丰富，开发成本也较低。 但由于目前蓄电池储能有限，纯电动汽车存在一次充电后续驶里程短的问题。考虑采用在纯电动汽车上加装一个增程器(Range-Extender)的方法来增加纯电动汽车的续驶里程。 增程器(Range-Extender)是为了增加纯电动汽车行驶里程而加装在纯电动汽车上的一个附加储能部件。通常用户可以在出行时根据行驶里程需求自行选择安装或者不安装(降低车重，可以减少能量消耗)。增程器的形式通常有:小型发电机、蓄电池和燃料电池等。而由于增程器的工作特点，通常对其性能有如下要求: (1)要求系统可靠，长时间待机后可以立刻进入工作状态; (2)由于工况单一，要求对工作点进行较好的优化以降低系统成本，提高 效率。 相比纯电动汽车，带Range-Extender 的电动汽车在行驶里程方面有很大的优势，相比传统油电混合动力汽车，带Range-Extender的电动汽车在排放方面优点十分突出，而相比新型电电混合动力汽车，带Range-Extender 的电动汽车以蓄电池驱动为主，更偏向于纯电动驱动，因此也可视其为从混合动力驱动向纯电动驱动的一种过渡方法。 2 动力系统总体规划 带有Range-Extender 的纯电动汽车动力系统结构大致如图1所示。 设计车辆的动力系统往往要先确定车辆的整车性能指标。车辆的整车性能中与动力系统相关的指标主要包括:动力性、经济性、排放等，对于电动汽车还要确定其一次充电后的行驶里程。车辆的动力性能通常采用最高车速、最大爬坡度和加速性能来衡量。经济性是通过车辆的百公里油(能)耗来衡量。排放则是通过百公里排放的污染物来衡量。 首先根据开发目的和国家法规标准来确定待开发车辆的动力性能指标，其中加速性能用汽车从静止加速到某一速度所需的时间来确定，通常使用0~100km/h 的加速时间来评价汽车的加速性能。 在确定了待开发车辆的动力性能要求之后，根据上述3个动力性能指标来确定驱动系统的参数，对于电动汽车即确定驱动电机的参数。 根据行驶里程的要求可以确定车辆储能部件的参数，对于电动汽车即确定蓄电池的电量。 纯电动工况下为零排放，故只需考虑Range-Extender 的排放问题。 3 选择驱动电机 理想车用电机的特性可以用图2表示。转折转速n 以下以T 恒转矩运行，bmax以上以W恒功率运行。电机输出特性与车辆行驶时车速范围宽、低速转矩大的b 要求相一致。根据上述分析，需要确定的电机性能参数包括:最大功率、最高转速、转折转速、额定功率等。下面通过分析车辆在不同工况下的受力情况和能量转换设计电机参数。 3 . 1 确定电机最大功率 (1)最高车速工况 整车力平衡方程: F = F + F (1) t fw 汽车驱动力:F; t 滚动阻力: F = m?g?f ; f 2 空气阻力: F w = CAV/ 21.15， d 风阻系数: C ， d 汽车车速: V ， 迎风面积: A ， 滚动阻力系数:f。 汽车以最高车速行驶所需要的电机功率: P= F?V (2) t tmax (2)最大爬坡工况 整车力平衡方程: F = F + F + F (3) t f wp 坡道阻力: F = m?g?sinα p 2 P = F?V (4) 2 tb 3.2 确定电机最高转速 需要先选择传动系统总传动比:i。 n max = V?I /(0.377× r) (5) 车轮半径: r。 3. 3 确定电机转折转速 转折转速对应电机恒转矩工况向恒功率工况转换时的车速，即对应于恒转矩 工况时的最大转速。 3. 4 校核加速时间 加速过程通常分为恒转矩和恒功率两个阶段。 恒转矩阶段整车驱动力:F = T/ V t1max b 转折转速时的车速: V b 恒功率阶段整车驱动力:F= W/ V t2b 因此整车加速时间: 4 选择储能电池 通常按照以巡航车速完成所要求行驶里程所需要的能量来确定储能电池电量。 作为纯电动汽车动力电池的常见类型为铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池、锂电池、磷酸铁锂电池等。其中磷酸铁锂电池也是一种锂电池，其比能量不到钴酸锂电池的一半，但是其安全性高，循环次数能达到2000 次，放电稳定，价格便宜，因此通常选择磷酸铁锂电池作为电动汽车的动力电池。 5 选择Range – Extender 通常可选择的增程器类型为小型发电机或者燃料电池。基于尽量避免使用燃油和争取实现零排放的初衷，建议选用蓄电池或燃料电池作为Range-Extender。 根据动力电池的充电电压和车辆行驶里程的要求可以确定Range-Extender 的输出电压和储电量。 6 实例分析 假设开发一辆场馆车，整车参数如表1。 表1 整车参数(新能源汽车聚焦网制表) 参数名称 数值 纯电动续航里程 60 续航里程(km) Extended Range 60 总续航里程 120 空载质量(m/kg) 495 1 满载质量(m/kg) 570 2 车轮半径/mm 222.4 风阻系数 0.35 2迎风面积(m) 1.96 滚动阻力系数 0.015 传动效率(n) 0.95 t 根据其使用目的和常用工况可以选择动力性能指标如下。 最高车速:V = 40km/h; max 爬坡能力:以V = 10km/h 车速爬15%的坡道; b 加速能力:0-30km/h 用时小于5s; 巡航车速:V = 30km/h。 n 6 . 1 计算电机参数 根据式(2)和式(4)确定其最大功率为其最大爬坡工况，计算出最大功率为2.68kW。 电机额定功率通常是巡航车速工况的功率，按式(2)代入巡航车速可得额定功率为0.99kW。 选择的驱动形式为四轮轮毂电机驱动，因此传动比为1，根据式(5)得出n=480(1/min)。 max 转折转速即为最大爬坡车速时对应的电机转速，根据式(5)得出:n=120b(1/min)。 根据式(6)得出加速时间为3.464s，满足性能要求。 6. 2 计算动力电池参数 以巡航车速30km/h，行驶60km 所需能量: 磷酸铁锂电池放电电压在2.5V~3.5V 之间， 故可选用20 个放电电压为3V 的磷酸铁锂电池 串联。考虑安全系数可选择电池参数如下: 电池电压为60V，容量为80Ah; 希望SOC:0.2~0.9; 校核电池能量: E = 60 × 80 ×(0.9 - 0.2)= 3.36(kW)(8) 满足需求。 6 . 3 选择Range - Extender 参数 要求Range-Extender 提供可供该车行驶60km的能量，考虑蓄电池充电效率，Range-Extender 的储电量应比蓄电池的4.8kW?h略大，可取5kW?h。磷酸铁锂电池充电电压在3.5V~4V之间，故选择增程器输出电压为80V。为实现零排放的初衷，在此选择小型燃料电池作为Range-Extender。 7 文中介绍了Range-Extender 这个在国内比较新颖的概念，并详细说明带Range-Extender 的纯电动汽车动力系统设计过程，最后辅以实例。希望能在电动汽车动力系统设计方面起到抛砖引玉的作用。 下面是“十个小故事大道理”不需要的朋友可以下载后编辑删除～～～谢谢～～～ 小故事1、《扁鹊的医术》 魏文王问名医扁鹊说:“你们家兄弟三人，都精于医术，到底哪一位最好呢? 扁鹊答:“长兄最好，中兄次之，我最差。 文王再问:“那么为什么你最出名呢? 扁鹊答:“长兄治病，是治病于病情发作之前。由于一般人不知道他事先能铲除病因，所以他的名气无法传出去;中兄治病，是治病于病情初起时。一般人以为他只 能治轻微的小病，所以他的名气只及本乡里。而我是治病于病情严重之时。一般人都看到我在经脉上穿针管放血、在皮肤上敷药等大手术，所以以为我的医术高明， 名气因此响遍全国。 大道理:事后控制不如事中控制，事中控制不如事前控制。 小故事2、危险的森林里 一个人在森林中漫游时，突然遇见了一只饥饿的老虎，老虎大吼一声就扑了上来。他立刻用最快的速度逃开，但是老虎紧追不舍，他一直跑一直跑，最后被老虎逼到了断崖边。 站在悬崖边上，他想:“与其被老虎捉到，活活被咬死，还不如跳入悬崖， 说不定还有一线生机。” 他纵身跳入悬崖，非常幸运地卡在一棵树上。那是长在断崖边的梅树，树上结满了梅子。 正在庆幸之时，他听到断崖深处传来巨大的吼声，往崖底望去，原来有一只凶猛的狮子正抬头看着他，狮子的声音使他心颤，但转念一想:“狮子与老虎是相同的猛兽，被什么吃掉，都是一样的。” 刚一放下心，又听见了一阵声音，仔细一看，两只老鼠正用力地咬着梅树的树干。他先是一阵惊慌，立刻又放心了，他想:“被老鼠咬断树干跌死，总比被狮子咬死好。” 情绪平复下来后，他看到梅子长得正好，就采了一些吃起来。他觉得一辈子从没吃过那么好吃的梅子，他找到一个三角形的枝丫休息，心想:“既然迟早都要死，不如在死前好好睡上一觉吧!”于是靠在树上沉沉地睡去了。 睡醒之后，他发现黑白老鼠不见了，老虎和狮子也不见了。他顺着树枝，小心翼翼地攀上悬崖，终于脱离了险境。原来就在他睡着的时候，饥饿的老虎按捺不住，终于大吼一声，跳下了悬崖。 黑白老鼠听到老虎的吼声，惊慌地逃走了。跳下悬崖的老虎与崖下的狮子展开激烈的打斗，双双负伤逃走了。 励志大道理:生命中会有许多险象丛生的时候，困难危险像死亡一样无法避免。既然无法避免不如放下心来安享现在拥有的一切，无意中就会享受到生命的甜果。 小故事3、老人与黑人小孩子 一天，几个白人小孩在公园里玩。这时，一位卖氢气球的老人推着货车进了公园。白人小孩一窝蜂地跑了上去，每人买了一个气球，兴高采烈地追逐着放飞的气球跑开了。白人小孩的身影消失后，一个黑人小孩怯生生地走到老人的货车旁，用略带恳求的语气问道:“您能卖给我一个气球吗?” “当然可以，”老人慈祥地打量了他一下，温和地说，“你想要什么颜色的?” 他鼓起勇气说:“我要一个黑色的。” 脸上写满沧桑的老人惊诧地看了看这个黑人小孩，随即递给他一个黑色的气球。 他开心地接过气球，小手一松，气球在微风中冉冉升起。 老人一边看着上升的气球，一边用手轻轻地拍了拍他的后脑勺，说:“记住，气球能不能升起，不是因为它的颜色，而是因为气球内充满了氢气。” 大道理:成就与出身无关，与信心有关。这个世界是用自信心创造出来的。有自信，积极的面对自己所拥有的一切，这种积极和自信会帮助人登上成功的山顶。 小故事4、囚禁的章鱼 一只章鱼的体重可以达70磅。但是，如此庞大的家伙，身体却非常柔软，柔软到几乎可以将自己塞进任何想去的地方。 章鱼没有脊椎，这使它可以穿过一个银币大小的洞。它们最喜欢做的事情，就是将自己的身体塞进海螺壳里躲起来，等到鱼虾走近，就咬断它们的头部，注入毒液，使其麻痹而死，然后美餐一顿。对于海洋中的其他生物来说，它可以被称得上是最可怕的动物之一。 但是，人类却有办法制服它。渔民掌握了章鱼的天性，他们将小瓶子用绳子串在一起沉入海底。章鱼一看见小瓶子，都争先恐后地往里钻，不论瓶子有多么小、多么窄。 结果，这些在海洋里无往不胜的章鱼，成了瓶子里的囚徒，变成了渔民的猎物，变成人类餐桌上的美餐。是什么囚禁了章鱼?是瓶子吗?不，瓶子放在海里，瓶子不会走路，更不会去主动捕捉。囚禁了章鱼的是它们自己。它们向着最狭窄的路越走越远，不管那是一条多么黑暗的路，即使那条路是死胡同。 大道理:工作生活中，我们经常会遇到许多羁绊和束缚，对于它们，我们毫无办法。殊不知囚禁我们的不是别人，而是自己，是我们不健康的心态和偏激的态度。 小故事5、摔碎的牛奶瓶 十几岁的桑德斯经常为很多事情发愁。他常常为自己犯过的错误自怨自艾;交完考试卷以后，常常会半夜里睡不着，害怕没有考及格。他总是想那些做过的事，希望当初没有这样做;总是回想那些说过的话，后悔当初没有将话说得更好。 一天早上，全班到了科学实验室。老师保罗•布兰德威尔博士把一瓶牛奶放在桌子边上。大家都坐了下来，望着那瓶牛奶，不知道它和这堂生理卫生课有什么关系。 过了一会，保罗•布兰德威尔博士突然站了起来，一巴掌把那牛奶瓶打碎在水槽里，同时大声叫道:“不要为打翻的牛奶而哭泣。” 然后他叫所有的人都到水槽旁边，好好地看看那瓶打翻的牛奶。 “好好地看一看，”他对大家说，“我希望大家能一辈子记住这一课，这瓶牛奶已经没有了–你们可以看到它都漏光了，无论你怎么着急，怎么抱怨，都没有办法再救回一滴。只要先用一点思想，先加以预防，那瓶牛奶就可以保住。可是现在已经太迟了，我们现在所 能做到的，只是把它忘掉，丢开这件事情，只注意下一件事。” 大道理:不要为打翻的牛奶而哭泣，相信船到桥头自然直，积极的去面对 下一件事情。 小故事6、四个字 有一位精神病学家，执业多年，获得了很大的成功，在精神病学界享有很高的声誉。他数年前将要退休时，发现在帮助自己改变生活方面最有用的老师，是他所谓的“四个小字”.头两个字是“要是”.他说:“我有许多病人，把时间都花在缅怀既往上，后悔当初该做而没有做的事，‘要是我在那次面试前准备得好一点„„’或者‘要是我当初进了会计班„„’” 在懊悔的海洋里打滚是严重的精神消耗。矫正的方法很简单:只要在你的词汇里抹掉“要是”二字，改用“下次”二字即可。应该向自己说:“下次如有机会我应该如何做„„” 大道理:最浪费时间的莫过于懊悔。千万不要老是惦念已往的过错，当你又在后悔既往时便对自己说:“下次我不会再做错。” 小故事7、丢失了两元钱的车 罗森在一家夜总会里吹萨克斯，收入不高，然而，却总是乐呵呵的，对什么事都表现出乐观的态度。他常说:“太阳落了，还会升起来，太阳升起来，也会落下去，这就是生活。” 罗森很爱车，但是凭他的收入想买车是不可能的。与朋友们在一起的时候，他总是说:“要是有一部车该多好啊!”眼中充满了无限向往。有人逗他说:“你去买彩票吧，中了奖就有车了!” 于是他买了两块钱的彩票。可能是上天优待于他，罗森凭着两块钱的一张体育彩票，果真中了个大奖。 罗森终于如愿以偿，他用奖金买了一辆车，整天开着车兜风，夜总会也去得少了，人们经常看见他吹着口哨在林阴道上行驶，车也总是擦得一尘不染的。 然而有一天，罗森把车泊在楼下，半小时后下楼时，发现车被盗了。 朋友们得知消息，想到他那么爱车如命，几万块钱买的车眨眼工夫就没了，都担心他受不了这个打击，便相约来安慰他:“罗森，车丢了，你千万不要太悲伤啊!” 罗森大笑起来，说道:“嘿，我为什么要悲伤啊?” 朋友们疑惑地互相望着。 “如果你们谁不小心丢了两块钱，会悲伤吗?”罗森接着说。 “当然不会!”有人说。 “是啊，我丢的就是两块钱啊!”罗森笑道。 励志大道理:换一个角度，就能得到快乐。丢掉生活中的负面情绪，要有一种认识挫折和烦恼的胸怀。 小故事8、借锤子 有一个人想挂一张画。他有钉子，但没有锤子。邻居有锤子。于是他决定到邻居那儿去借锤子。 就在这时候他起了疑心:要是邻居不愿意把锤子借我，那怎么办?昨天他对我只是漫不经心地打招呼，也许他匆匆忙忙，也许这种匆忙是他装出来的，其实他内心对我是非常不满的。什么事不满呢?我又没有做对不起他的事，是他自己在多心罢了。要是有人向我借工具，我立刻就借给他。而他为什么会不借呢?怎么能拒绝帮别人这么点儿忙呢?而他还自以为我依赖他，仅仅因为他有一个锤子!我受够了。 于是他迅速跑过去，按响门铃。邻居开门了，还没来得及说声“早安”,这个人就冲着他喊道:“留着你的锤子给自己用吧，你这个恶棍!” 大道理:消极的思想造成错误的行为，积极的心态可以避免一切不必要的麻烦和错误。 小故事9、烦恼人 一个人被烦恼缠身，于是四处寻找解脱烦恼的秘诀。 有一天，他来到一个山脚下，看见在一片绿草丛中，有一位牧童骑在牛背上，吹着悠扬的横笛，逍遥自在。他走上前去问道:“你看起来很快活，能教给我解脱烦恼的方法吗?” 牧童说:“骑在牛背上，笛子一吹，什么烦恼也没有了。” 他试了试，却无济于事。于是，又开始继续寻找。 不久，他来到一个山洞里，看见有一个老人独坐在洞中，面带满足的微笑。 他深深鞠了一个躬，向老人说明来意。老人问道:“这么说你是来寻求解脱的?” 他说:“是的!恳请不吝赐教。” 老人笑着问:“有谁捆住你了吗?” “„„没有。” “既然没有人捆住你，何谈解脱呢?” 他蓦然醒悟。 大道理:由于我们的心态没有调整好，烦恼也就一个跟着一个而来，实际上，大多数烦恼都是无中生有。把心态调整好，问题会变得很简单，烦恼也就不驱而散。 小故事10、老先生与服务生 老先生常到一家商店买报纸，那里的服务生总是一脸傲慢无礼的样子，就连基本的礼貌都没有。做事追求效率固然重要，可是缺乏礼貌一定会流失客人，没有了客人服务速度再快，又有什么用? 朋友对老先生说，为何不到其他地方去买? 老先生笑着回答:“为了与他赌气，我必须多绕一圈，浪费时间，徒增麻烦，再说礼貌不好是他的问题，为什么我要因为他而改变自己的心情? 大道理:不要因为别人的不好而影响了自己做事情时候的心情，也不要因外界的不如人意而影响了一生的幸福快乐。想想美好的一面，心情也会是很快乐的。