纯电动汽车的设计与开发.pdf.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流纯电动汽车的设计与开发.pdf.精品文档.·设计·计算·研究·纯电动汽车的设计与开发王钲强 宋书全（天津一汽丰田汽车有限公司）【摘要】基于某平台的纯电动汽车试制样车开发，选择满足汽车最高车速、最大爬坡度和加速时间要求的电机； 综合考虑动力电池的选择原则和方法，选择美国 A123 公司的 26650 圆柱形磷酸铁锂电池作为动力电池输出；合理 匹配动力总成；对车身和其他系统进行了小规模改造；对续驶里程、放电电流等整车性能进行了验算。主题词：纯电动汽车样车试制 电机 电池 动力总成中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：10003703（2013）02002603Design and Development of Pure Electric VehicleWang Zhengqiang, Song Shuquan（Tianjin FAW TOYOTA Motor Co.,Ltd）【Abstract】This article deals with the selection of electric motor which satisfies the requirement of maximum vehicle speed, maximum gradeability and least acceleration time based on the development of an pure electric vehicle prototype; In consideration of selection principle and method of power battery, 26650 cylindrical lithium iron phosphate battery from A123 Inc. of the US is selected as power battery output; appropriate adaption of powertrain; small transformation is made to body and other system; vehicle performance, like driving range, discharge current, etc., are checked.Key words：Pure Electric vehicles, Prototyping, Motor, Battery, Powertrain1 项目简介根据国际和国内各个汽车厂家的新能源汽车发展状况， 进行了基于某平台的纯电动汽车试制样车开发，就纯电动汽车主要特征系统进行了介绍。1.1 项目开发设想根据汽车平台的特征， 选择适合的电机和动力电池匹配动力总成， 对车身和其他系统进行小规模改造，试制纯电动汽车样车。1.2 具体实施内容具体实施内容包括设定技术目标、 制定技术方案、设计试制、整车检验等。2 总布置2.1 整车定义2.1.1 主要目标参数整车质量：原车质量和主要变更系统质量之和。最高车速：参考同级别车型进行设定，对电机功率和动力系统强度进行预判断。续驶里程：根据电池电量和整车质量估算得出。2.1.2 主要变更系统a. 电机取代发动机，取消进、排气系统。b. 改造动力总成、空调系统、制动系统和仪表等。c. 增加了整车、电机、电池的操控系统等。2.2 电池箱型式2.2.1 整体式电池箱为一组，多布置在地板底部，用螺栓和地 板连接。优点：a. 各组电池的环境条件相对稳定， 能使电池 保持更好的一致性，便于实现电池快速更换、加热和 冷却等统一管理，有利于提高电池性能。b. 质量分配趋于合理， 不会造成质量过度集 中而对其他部件造成局部破坏。c. 线路更简单，装配时方便使用机械装备。d. 提高了车身刚度，保持了行李箱的原有空间。动机，2010，8（4）:2327.（1）:610.6熊庆辉，张幽彤，苏海峰，等.基于 MOSA 算法的压电堆执（责任编辑 晨 曦）行器多目标优化仿真研究. 小型内燃机与摩托车，2011，2修改稿收到日期为 2012 年 10 月 20 日。 26汽车技术·设计·计算·研究·e. 电池箱与乘员室分离，提高了乘员安全性。 能适用，否则要进行局部结构修正。缺点：2.4.5 控制系统a.对电池箱的整体强度要求更高。整车 ECU、车身控制系统和电池管理系统之间b. 对电池箱和车身的安装尺寸要求更严格， 需要建立通讯协议，并与原车系统兼容。车身改动较大，降低了离地间隙。c.更换损坏的电池单体时需要将整个电池箱拆下。2.2.2 分体式电池箱为多组，多布置在座椅底部、行李箱和前 机舱，用螺栓和车身连接。优点：a. 充分利用了车辆的剩余空间。b. 调节轴荷分配。c. 相对整体式而言具有一定的灵活性。缺点：a. 各个电池箱的工作环境有区别， 不利于保 持电池的一致性和电池的统一管理， 由于电池箱质 心偏高，会对固定点产生一定的惯性扭矩。b. 对于电池的加热和冷却， 需要针对每个电 池箱进行维护。c. 线路相对复杂，并占去了行李箱的空间。d. 装配时，人工搬运环节增多。e. 难以实现快速更换。2.3 动力总成2.3.1 连接方式 电机和输入轴之间可以根据改动量的大小选择齿轮副、轴套或联轴器进行连接。变速器可以通过对原有的变速器进行改造实 现，或保留其中一对合适的齿轮，但要进行验证。2.3.2 强度校核 强度校核方式与汽油机相同。2.4 各系统的定义2.4.1 冷却系统确定原散热器是否留用，若留用，会对空间和冷 却能力造成浪费。 重新设计小型散热器时需考虑成 本和必要性。2.4.2 制动系统 采用电动真空系统为制动系统提供负压， 以代替原发动机的该项作用。2.4.3 空调系统电动空调代替原车的机械空调， 增加电子加热 器进行制热。2.4.4 润滑系统由于变速器的更改， 应检查原润滑系统是否仍2013 年 第 2 期2.4.6充、放电系统要求同时实现快速和慢速充电， 对电池放电进行平衡控制，对电池状态进行监测。2.4.7 显示系统能够反映电机和电池的工作状态， 以及车辆除了发动机以外的其他原有状态。2.4.8 安全警报系统增加电池工作温度、 电压和电量的安全预警监测系统， 整车强电和弱电以及通讯系统的安全信息反馈。2.5 车身构建方式电机、电池的搭载确定电机的安装方向， 固定方式可以沿用原车发动机的固定点。2.6 检验方式检验方式包括动力总成的台架试验、 整车静态检测、整车空载运转、实车实地试验和电池的充放电实际检测。3 总成方案3.1 电机选择方法3.1.1电机功率的确定纯电动汽车的功率全部由电机提供， 所以电机功率的选择需满足汽车最高车速、 最大爬坡度和加速时间（起步加速时间和超车加速时间）的要求。a.满足最高车速时电机需提供的功率当汽车以最高车速 Vmax 匀速行驶时， 电机所提 供功率至少为：2m·g·f+（Cd·A·V）/21.15maxP=·Vmax（1）3 600·式中， 为整车动力传动系统效率 （包括主减速器、驱动电机和其他轴承连接部件工作效率）， 取 0.88；m 为汽车总质量 （改装后预计总质量+乘员质量）；g为 重力加速度， 取 9.8 m/s2；f 为滚动阻力系数，取 0.015；Cd 为空气阻力系数，取 0.27；A 为电动汽车的 迎风面积；Vmax 为最高车速。b. 满足爬坡性能时电机需提供的功率根据整车定义要求的性能指标计算车辆在爬坡状态下电机所需提供的功率。车辆通过 4%坡度的最高车速不低于 70 km/h；车辆通过 12%坡度的最高车速不低于 40 km/h。 27 ·设计·计算·研究·车辆以车速 Vslope、 爬坡度 行驶时电机所提供的功率至少为：2m·g·sin+m·g·f·cos+（Cd·A·V）/21.15slopeP2=·Vslope（2）3 600·3.1.2 电机扭矩的确定扭矩的选择主要影响最大爬坡度和080 km/h 加速时间， 满足最大爬坡度 （ 爬坡速度 Vslope 为 0.6 km/h 下通过23%的坡道 ） 时电机所需提供的扭矩为：Cd·Vslope2·AT = G·f·cos+G·i·sin+·r/i / （3）tq !21.15"0式中，G 为汽车重力；i 为坡度；r 为车轮半径；i0 为主 减速器传动比。3.1.3 性能验证a. 电机扭矩的验证在选择变速器挡位后，车辆最大爬坡度变化为：DImax-f·姨1-DImax2+f 2max=arcsin 姨姨（4）21+f式中，D 为动力因数，D= Ttq·i·gi0· ；ig 为变速器传r·G动比。b. 加速时间050 km/h 起步加速时间 T1 为：50关； 作为整车控制器与电机变频器的信号桥梁直接控制变频器，通过接收 HCU 的工况信号，依据事先设定好的动力输出策略， 令变频器改变电机的输出功率；通过接收整车控制器信号，控制变速器自动换挡电机进行换挡动作。3.4 电池3.4.1 选择原则和方法目前国际、国内使用的动力电池多为镍氢、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料电池等。其中，日本主要使用镍氢和锰酸锂电池， 中国及美国多使用磷酸铁锂和 三元材料电池。需综合对比纯电动汽车体积、载质量的限制，在动力电池选择上需要考虑比能量、 成组一致性、形 状、单体电压、10C 以上的大电流放电性能、性价比等因素。在相同条件下， 使用能量型电池可以提高车辆 的续驶里程， 使用功率型电池则可以满足电机更大 的输出功率需要。3.4.2 动力电池数量计算以及串并联形式设计1·mT1=dU（5）3.6乙Ft-Fw-Ff0式中，Ft 为驱动力；Fw 为空气阻力；Ff 为滚动阻力。080 km/h 加速时间 T2 为：501·mT2=2dU （6）乙3.6Cd·Ua·A0T ·i·i·/r-G·ftq0 g21.15式中， 为旋转质量换算系数，取 =1.08。5080 km/h 超车加速时间同 T2。 c. 机械极限校核主减速器最大扭矩极限。安装配合时， 通常在原悬置和电机之间增设过渡支架，将电机和减速机安装成总成后，再安装在整车上。3.2 电机变频控制器电机变频控制器功能是通过逆变器将动力电池 的直流电转换成电机驱动所需的交流电， 并能够通 过矢量控制法精确控制电机的输出扭矩。 在制动能 量回收阶段， 将电机产生的交流电通过正变器转换 成直流电，直接为动力电池进行充电。3.3 数字信息控制处理器数字信息控制处理器功能： 作为 CAN 通信网 28 需求参数： 电机变频控制器额定电压650 V；电机变频控制器允许使用电压范围 300750 V； 电池最优 SOC 放电区间为 10%95%，SOC 充放电区间为85%；因为电机变频控制的额定电压为650 V，根据所选择的电池额定电压和布置形式， 将动力电池串联至 640 V。a、当车辆以 60 km/h 匀速行驶时 ，所需电机提供的功率为：21Cd·A·V60P =·V（7）60!m·g·f+"603 600 21.15b. 根据设计要求，车辆以 60 km/h 匀速状态下行驶 80 km 时所需电池电量为：S/1/0.85Q60=P60·（8）V60式中，Q60 为需求电池应有电量；S 为性能定义续驶 里程，取 80 km；V60 为续驶里程试验要求车速，取 60 km/h；P60 为车辆以 60 km/h 车速匀速行驶时所需电 机提供的功率；1 为变频器电压转换效率+电机效率 ，取 0.85。c. 电池组需求总容量为：（下转第 55 页）汽车 技 术·试验·测试·参 考 文 献2001-03.1甘海云，POST J W，等 .斯太尔重型 CNG 发动机电控单5罗峰，孙泽昌 .汽车 CAN 总线系统原理、设计与应用 .北元的开发.汽车工程，2007，29（12）：10291031.京：电子工业出版社，2010.1.190191.2SAE J1939 Standard.SAE J1939/21 Data Link Layer -6MC9S12XDP512 Data Sheet. Freescale Semiconductor.July2001-04.2007.3SAE J1939 Standard.SAE J1939/71 Application Layer -（责任编辑文 楫）2001-06.修改稿收到日期为 2012 年 8 月 27 日。4 J1939 Standard.SAE J1939/73 Application Layer-Diagnos-（上接第 28 页）Q60·1 000C60=（9）U式中，C60 为需求电池组总容量；U 为电池组总电压。d. 电池组参数要求如下。总容量 C：C>C60；总电压 U：大于电机变频控制器额定电压。e. 串并联形式。 根据总容量要求确定电池成 组串并联形式。f. 电池组总放电电流。 应考虑电池组总放电 电流能力对电机功率发挥的影响。综 上所述，选择美国 A123 公司的 26650 圆柱形 磷酸铁锂电池作为动力电池输出， 具体参数如 表 1 所列。表 1 A123 公司动力电池参数电池类型磷酸铁锂电池电池型号26650 圆柱形电池单体电池尺寸（直径×长度）/mm×mm26×65电池单体电压/V3.3单位容量/A·h2.3串并联形式9 并 20 串电池组电压/V660电池组总容量/A·h20.7电池组总电量/kW·h13.7电池组冷却形式风冷最大输出电流414A3.5 性能验算3.5.1 续驶里程验算S=Q60×0.85×V60×1/P60=85.89 km>80 km可知，性能目标设定满足要求。式中，Q60 取 13.66 kW·h。3.5.2 放电电流最大放电电流 I=C·n=414 A>300 A， 满足放电2013 年 第 2 期电流需要。式中，I 为电池组最大放电电流；C 为电池组总容量，取 C=20.7 A·h；n 为电池组最大放电倍数，根据电池特性取 n=20。3.5.3 使用空调后续驶里程验算空 调制冷、制热原理如图 1 所示，参数输入如 表 2 所列。转换效率转换效率冷凝器输入电源 DC/DC变频器压缩机9085空调压缩机总成图 1空调制冷系统表 2空调参数输入kW空调制冷压缩机输入变频器输入空调系统输入功率功率功率功率5.64.375.155.72在空调使用制冷功能的条件下， 对电动汽车续驶里程的影响：S60=Q60×0.85×V60×1/（P60+P4）=49.17 km S1=S-S60=80-49.17=30.83 kmS2=S60-S60=85.89-49.17=36.73 km式中，P4 为压缩机输入功率；S 为性能目标设定续驶 里程，设定 S=80 km；S60为仅使用空调制冷的续驶里 程；S1 为使用空调后续驶里程与性能目标设定续 驶里程的差值；S2 为使用空调后续驶里程与未使 用空调时续驶里程的差值。参考 文 献1 余志生. 汽车理论. 北京：机械工业出版社，2005.2 Steve Dallas. Canadians working together for ElectricMobility. 2010，9.3 陈世全，朱家琏，田光宇. 先进电动汽车技术. 北京：化学工业出版社，2007.4 王淑芳. 电机驱动技术. 北京：科学出版社，2008.（责任编辑 帘 青）修改稿收到日期为 2012 年 12 月 1 日。 55