第四章-电动汽车驱动系统设计

第四章 电动汽车动力驱动 系统设计 EV Configuration 电动车动力系统构成 电 动 汽 车 动 力 系 统 构 成 (1)VCU or HCU - Provides proper control signals. VCU或HCU-提供合适的控制信号。 (2) Power Converter - Transforms electric energy，such as DC-DC converter. 功率转换器-电能转换，如DC-DC转换器。 (3)Electric Motor 一 Converts electric energy to mechanical. 电机一把电能转换成机械能。 (4)Transmission -Transforms mechanical energy. 变速器一机械能转换。 (5)Energy Storage - Stores electric energy，such as battery. 能量储存一储存电能，如电池。 (6)Energy Management Unit - Manages power flow. 能量管理单元 一 管理能量流。 第一节 电动汽车动力系统设计基础 据估算：汽车行驶所需功率为30kW左右，是人类正常行走所需功 率的500倍，疾速奔跑的100倍，马儿疾速奔跑的50倍。由于人类或 马儿赛跑时都能有一种拼刺的激发力，但发动机没有，而电机同样具 有相当的短时过载(通常数分钟内可达额定值的3倍以上)能力。 电动汽车电机功率不能照搬相应汽车发动机功率，须充分发挥电机 驱动应有的多种技术优势。 电机功率增大即会经常行驶于低效率的负荷区，同时增加车载质量 而影响动力性和成本， 现代轿车发动机功率：几十~上百kW，不少轿车发动机功率大于 100kW。 现已研发的电动轿车电机功率有选用数kW至几十kW ，甚至也有上 百kW的，相差悬殊。 应合理选择电机功率以提高电动汽车性价比来促其产业化！ (1)根据最高车速指标确定电机额定功率及恒功率调速区的最高转速 通常，电机自额定转速(基速) 以上均为恒功率调速。根据uamax、车轮半径 r、传动比igi0，按式ua=0.377rn/(igi0)即可求得电机在恒功率调速区的最高转 速nmax。其中传动比可先由估算值代入，如设igi0=10，然后按后述(3)内容确 定后再重新校核计算。 我国高速公路允许最高车速为120km/h，考虑电动汽车能量特点，uamax不宜 定得太高，如轿车设uamax=125km/h。 电机额定功率： ，设爬坡度i=0， 加速度du /dt =0，即忽略式中后两项，设所要求的最高车速 uamax 为式中ua，将 传动系效率ηT、车载总重量G、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、滚动阻力 系数 f(货车按 f =0.0076+0.000056ua、轿车按 计算 可得电动汽车以最高车速uamax行驶所需功率，再略留余量作为汽车在高速 公路长期稳定运行中电机所需额定功率Pe。      t umuGiuAuCGfuP d d 36003600761403600 1 aa 3 aDa T e   4 a 4 a 10 100100      ufufff 一、电机及传动系统参数确定 (2)按电机调速范围及其最高转速确定电机的额定转速ne 通常，电机的调速范围用最高转速nmax与基速ne(即额定转速)之 比，即转速因子x=nmax/ne表示。 根据所选电机的转速因子x和前已确定的最高转速nmax，即可 求得电机的额定转速ne 转矩计算式T=9550 P/n，根据所确定的额定功率Pe和额定转速 ne可求得额定转速ne以下按恒转矩调速的额定转矩Te。 一、电机及传动系参数确定 (3)根据汽车主要运行区车速和电机额定转速确定传动系传动比 现有电机的调速范围均能满足汽车行驶工况对车速要求，可设档位数为1，即ig=1使igi0=i0。 根据汽车主要运行区车速ua(如按城区运行工况设ua=45km/h)、已确定的电 机额定转速ne，按照车速尽可能运行于电机额定转速附近以提高电机效率的 原则，利用公式i0=0.377r ne／ua确定传动比，其中ua为行驶车速、n为动力输 出转速、r为车轮半径。 只有当最大爬坡度指标难以满足、或电机调速范围很窄、汽车运行于较低 车速使电机效率很低时才需增加变速档。即通过较大减速比以增大转矩，以 满足爬坡度要求；或通过多档切换来扩大变速范围。 注意：换档操作即需增添离合器，且经齿轮减速虽可增加转矩，但功率则 因增加损耗而下降。而省去换档操作过程还有利于车控平顺性和舒适性。 若需增加档位数可按等比级数分配法确定。如设各档传动比为ig i ，则级数 比 ，其中最高档ig1=1，即igi0=i0，为直接档，以满足 汽车最高转速nmax 要求来设定；最低档通常以满足汽车的最大爬坡度αmax 及 最低稳定车速uamin(如设uamin=15km/h)要求来设定。  13 2 g2 g1 gi gi g g i i i i i i q 一、电机及传动系参数确定 (4)根据最大爬坡度指标校核电机的峰值功率和过载能力 注意：车速 ua设为电机额定转速ne时对应的车速，即ua= 0.377r ne /i0；将传动系效率 ηT、车载总重量G、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、滚动阻力系数 f、总传动比 igi0=i0、最大爬坡角度αmax=arctanimax相关参数均代入上式，可求得汽车在最大爬坡 度imax的坡道上以相应车速行驶所需电机转矩Td。将该值Td与电机所测得低速时可 输出的最大过载转矩相比较，即可校核电机能否满足最大爬坡度imax指标。 由式 ，根据所设计汽车的 最大爬坡度imax指标，设加速度du /dt =0，即忽略式中最后一项。 dt dumaGuACGf r iiT a Dg   sin 15.21 cos 2T0d 一、电机及传动系参数确定 (5)根据加速性能指标校核电机的峰值功率和过载能力 根据所设计汽车加速性能指标，按低速恒转矩调速区加速时间tT和高速恒 功率调速区加速时间tP确定：  21aa0 1aa T 2/)(15.2115.21 )(21.15 6.3 uuArCrGfiT uurmt eDTdGe e              )( )( 2/)(15.2115.21 )(21.15 6.32 1 1aa a2a 2 2aa0 a2a P uu uut uuArCrGfiT uurmt e e T eDTdG e   确定起始车速ua1、终止车速ua2；电机额定转速ne对应车速uae=0.377r ne/i0； 对应ua2的电机转速na2；按照关系式TL=9550PL/n和电机的 过载倍数，可分别求得对应ne、na2的过载转矩TdGe、TdG2，及其平均过载 转矩TdG=(TdGe+TdG2)/2。再将汽车的旋转质量换算系数δ、车载总重量G、 质量m=G/g、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、滚动阻力系数f、传动系 效率ηT、传动比i0、车轮半径r各相关参数代入上述两式，即可求得汽车 从初速度ua1加速到末速度ua2所需时间t=tT+tP。与设计所要求的加速 时间比较，来校核电机的过载能力是否满足汽车所要求的加速性能指标。 一、电机及传动系参数确定 按照所需额定转速时最大过载转矩，利用关系式TL=9550PL/n计算所要求电机相应峰值功率 PeG=TdGne／9550(kW)。然后除以电机及其驱动控制器效率ηmc，再加上汽车所需的空调、照明等辅 助装置用电功率，并略留余量确定汽车电源系统所要求的功率。 得到电机额定功率和转速后，应根据国家标准推荐的电机功率等级5.5kW、7.5kW、11kW、 15kW、18.5kW、22kW、3OkW、37kW、45kW、55kW、75kW、90kW、110kW、132kW、 150kW、160kW、185kW、200kW及以上，和有关GB/T4772—1999旋转电机尺寸与输出功 率等级的要求，按略留余量来选定电机额定功率。 最后，还需要确定动力储能装置的电压等级、能量利用率、续驶里程所需蓄电池能量、车载储 能装置寿命等。 一、电机及传动系参数确定 sun 注释框 二、动力储能装置参数的确定 为提高汽车的动力性，要求蓄电池具有较大的功率密度，能瞬 时提供大电流、大功率给驱动电机；同时为满足续驶里程要求， 希望蓄电池有较高能量密度。 根据电动汽车的不同类型，车载能源可采用各类蓄电池、超级 电容、高速飞轮及燃料电池等。以蓄电池为例。 (l)动力系统电压等级的确定 电压的确定还应参照国标对电动汽车电机推荐的电源电压等级：120V、144V、168V、192V、 216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384 V、408 V等来选取。标准要求电机及控制 器必须在所选电源的120％额定电压值下能安全承受最大电流；并在电源电压降为额定值的 75%时，电机仍能在最大电流下运行(不要求连续运行)。因此，比较稳妥的是保证电源电压不 低于电机额定电压的80％。 动力系统的电压等级通常为电机的额定电压，即由所选电机的结构参数决定，随电机输出 功率加大而增高。 电压的升高有利于提高运行效率。应尽可能采用合理的高电压设计，减小电机逆变器的成本 和体积。但电压过高易引起对功率开关器件的较大冲击，即也受到IGBT最高允许电压的限制。 luobencheng 高亮 以磷酸铁锂电池为例：单体电压为3.2V，乘以系数即电压应用范围为2.6～3.8V；而单体 电池容量有多种规格，常见的为20Ah，蓄电池的串并联方式，从可靠性考虑应采用先并后串， 厂家通常将单体电池按需并联成电池组经封装后提供，如 4个单体电池并联的电池组容量为 80Ah。若选该电池组120个串联，可使电源系统的标称电压为384(=3.2×120)V；容量仍为 80Ah；即使总电能为30.7kWh；按标准要求电机即能在312～456V的电压应用范围内运行。 依据续驶里程指标确定车载蓄电池能量后，要求电压越高所需串联的电池组数越多，但并联 的单体电池相应减少。对于电源系统的标称电压及电压应用范围，需按所选电池类型确定标称 电压；根据蓄电池允许放电终止电压和电池耐过充能力下的充电最高电压，乘以约0.8～1.2的 系数来确定电压应用范围。 (l)动力系统电压等级的确定 (2)概略确定动力系统在几种特定车速工况下的能量利用率Н 在良好水平路面上按照所需确定的特定车速uai匀速行驶，实测行驶中所耗功率， 或行驶1小时所需消耗电能，将所测值除以行驶车速uai即得该特定车速uai行驶 时能量利用率Н(kW·h/km)。注意行驶中升降速及电能回馈引起的测量误差。 1）按参数计算法 ， 设爬坡度i=0，加速度du /dt =0，即忽略式中后两项。并指定几种需确定的特定车速uai，如uai分别 为20、60、120km/h，将传动系效率ηT、车载总重量G、滚动阻力系数f、空气阻力系数CD、车身迎 风面积A及其uai相关参数代入计算，所得值即为电动汽车以特定车速uai行驶所需消耗功率，再除 以电机及其驱动控制器效率ηmc，并加上汽车辅助装置用电功率，所得值除以相应的行驶车速uai 即为在该几种特定车速uai行驶时的能量利用率Н(kW·h/km)。      t umuGiuAuCGfuP d d 36003600761403600 1 aa 3 aDa T e   2）行驶测试法 (3)按续驶里程指标确定车载蓄电池能量 1）按能量利用率Н计算法。考虑到蓄电池荷电状态SOC的应用范围一般为10％～90％，需按蓄 电池可放出总能量的80%计算。利用前述所得相应车速行驶时的能量利用率Н(kW·h/km)，乘 以所要求的续驶里程数后，再除以0.8即为所要确定的车载蓄电池能量(kW·h)。 2）实际行驶估算法。即携带预估所需能量的蓄电池，充满电后按所设定的车速工况行驶，将 达到的最大里程数与所定续驶里程数之比进行折算。考虑到蓄电池增减使车载质量变化而影响 续驶里程，应乘适当修正系数。 续驶里程有两种指标：分别是以特定车速（如60km/h）匀速行驶、综合工况行驶所能达到的里 程数。显然综合工况下的续驶里程较低，通常约为60km/h等速行驶所能达到续驶里程的60%～ 80%。考虑到新旧蓄电池等因素，需进行适当的冗余设计，通常将所得值再增加10％～30％的 冗余量。确定满足设定续驶里程指标所需车载蓄电池能量可采用如下两种方法： (4)按驱动时最大放电电流和发电回馈时瞬间 充电电流校核车载储能装置的充放电能力 必要时需在该特殊工况下测试充放电电流与蓄电池允许值比较。并按需采用第一章所述的与超 级电容或高速飞轮组合使用的复合储能装置。 可按蓄电池厂家提供的电池充放电工作循环次数和使用寿命， 结合前述续驶里程即为一次充满电可行驶里程数，来估算所配 蓄电池最多能行驶的里程数，即为车载储能装置的寿命。 在制动或下坡时经电机发电回馈，会以瞬间大电流向蓄电池充电；而在上坡道起步时，电机 极大的起动电流也相应增大蓄电池放电电流。即需充分预估蓄电池在此特殊工况的充放电能 力以免损坏而降低寿命等。 (5)按蓄电池的充放电循环寿命等估算车载储能装置寿命 (6)按所选电池的比能量等估算车载储能装置附加的载重 将所配蓄电池的总能量除以所选电池的比能量，即可估算车载储能装置所附加的载重。 如该值与前述确定动力性参数时，给定车载总重G为其所留的余量出入较大，则需修 正后再重新计算。 蓄电池经分组后即可作为配重物，采用适当分散安放也利于通风散热，所蓄电池在悬架安装位置， 应尽可能按降低车辆质心高度等要求来布局，如安置于座位下面等。同时也需考虑到便于散热、 更换、维护等要求。 (7)按车辆动力学对汽车质心的要求等确定蓄电池的分组数及其布局 按车辆动力学对汽车质心的要求，希望车身的质心高度越低越有利于汽车行驶的平稳性、附着 利用率等；而质心至前、后轮轴距对前、后轮驱动方式的附着率，以及通过性等也均有影响。 (8)按电池组允许工作温度范围等确定其散热、温控及其电源管理 电池组的工作温度范围主要取决于蓄电池类型，如磷酸铁锂电池的工作范围为-20～60℃；锰酸锂 电池的工作范围为-20～50℃；Ni/ MH镍氢电池的温度范围一般在- 20～55℃。低温时电源系统应 能满足车辆起步所要求的电机启动电流。正常使用工况中应估算车辆行驶过程发热引起的温升。 而充电过程中蓄电池本身会产生较多热量，尤其在快充时产热量更大。 按不同情况采取相应散热方式，如正常行驶中产热不大，可利用车身前方底部吹入的风散热； 而充电中需有停车充电的固定散热或温控设施。 电源管理系统 BMS 功能主要包括检测电池各性能参数、信息采集、数据运算处理分析、充放 电能量管理、电池温度热管理控制、安全管理、状态数据显示和故障诊断报警等。使电池工作 在合理的电压、电流、温度范围及荷电状态 SOC 等下，必要时通过限流控制避免蓄电池过充放 电，以确保电池组安全有效运行，在最大发挥能量的同时，延长电池循环使用寿命。 第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例 为具体说明课堂所讲授电动汽车动力系统参数的设计，下面分别以纯 电动公交客车和四轮直驱电动轿车为例，从设计要求、驱动电机所需 的动力参数确定、车载储能装置所需总能量确定三个方面介绍。 纯电动公交客车的动力系统设计实例 表4-1 纯电动公交客车的基本参数 参数 数值 参数 数值 整车满载总质量m(kg) 18000 滚动阻力系数f 0.0076+0.000056ua 给蓄电池预留的附加载重mB(kg) 3000 空气阻力系数CD 0.7 电机调速的转速因子x=nmax/ne 3 迎风面积A(m2) 7.95 电机额定转速时5min内过载倍数ke5 2 旋转质量换算系数δ 1.29 电机额定转速时1min内过载倍数ke1 2.5 预估传动系统总效率ηT 0.92 车速50km/h时电机在1min内过载倍数ka1 2 车轮滚动半径rr(m) 0.475 最高车速要求uamax(km/h) 80 经常行驶车速(km/h) 26.8 0～50km/h加速时间要求t(s) 12 最大爬坡度要求imax(%) 12 车速26.8km/h时续驶里程要求S(km) 200 空调等辅助装置功率Pk(kW) 8 1、整车设计要求 为使公交客车在城区常行驶的低速工况运行于电机额定转速附近以获得较高效率，同时满足 公交客车的最高车速要求，选择调速范围较宽的交流变频调速异步电机，按该类电机的转速 因子x=nmax/ne通常可达4，在此设为3。如此即可采用仅一档齿轮减速，预估电机在不同转速和 过载时间内的转矩过载倍数如表所示。 选公交车常用轮胎型号为275/70R22.5，即该轮胎无载荷时的自由半径为 22.5×25.4/2+275×70%=478.25mm=0.47825m，由于轮胎载荷时变形减小，所选取车轮滚动半径 rr为0.475m。 车轮滚动半径rr由所选轮胎型号确定，即按图示计算轮胎直径为轮辋直径×25.4+2×轮胎断面宽 度×扁平率百分数。 速度级别：以字母顺序B～G、J～N、R～U、H、V、W、Y分别表示车速为50～300km/h 负荷指数：用数字62～114表示，随数字及胎内气压增加，可受负荷增大 轮辋直径(in)：即轮胎内径，有10吋、12～18吋、20～32吋等规格 轮胎结构：字母R表示子午线结构；斜交结构用“-”表示 轮胎扁平率：轮胎断面高度与宽度之比，轮胎宽度×扁平率百分数=轮胎高度 轮胎断面宽度（mm）：有125～165、175、185、195、205～285等尺寸 245/45　R　18 80 H 图4-1 轮胎型号规格表示法 纯电动公交客车的动力系统设计实例 2、驱动电机所需的动力参数确定 按国家标准推荐的电机功率等级，以偏大值选驱动电机额定功率Pe为110kW。 (1)确定电机的额定功率Pe及其最高转速nmax  功率 ，设爬坡度i=0，加速度 du /dt =0，代入表4-1中相关数据，其中车速为所要求的最高车速uamax=80km/h， 重量G为重力加速度g(=9.8)与质量m乘积，得功率Pe为：      t umuGiuAuCGfuP d d 36003600761403600 1 aa 3 aDa T e   kWP 15.92 76140 807.950.7 3600 80800.0000560.00769.818000 0.92 1 3 e      ）（ 将uamax=80km/h、车轮滚动半径rr=0.475m、预设总传动比igi0=17.4， 求电机恒功率调速区最高转速 。 按计算值略留余量，选取电机最高转速nmax=7800r/min。 min/7773 475.0377.0 4.1780 377.0 0amax max rr iiu n r g   纯电动公交客车的动力系统设计实例 (2)确定电机的额定转速ne和额定转矩Te 由表4-1给出的公交车经常行驶车速uae=26.8km/h，为提高该车速时电 机运行效率，可求得车速uae对应于电机额定转速ne的传动比 i0=0.377rr ne／uae=0.377×0.475×2600／26.8=17.373，对其四舍五入后正 好选择i0=17.4。 按所选电机调速范围所能达到的转速因子x=nmax/nbase=3，可求得对应于 基速ne的额定转速ne=nmax/x=7800/3=2600r/min。 求得对应的额定转矩 。m n PT e e  N0442600 00011055.99.55 e (3)确定采用一档齿轮减速的传动比i0 纯电动公交客车的动力系统设计实例 (4)校核最大爬坡度imax要求 按电机额定转速时5min内过载倍数ke5=2、预估传动系总效率ηT=0.92、 车轮滚动半径rr=0.475m，及所求得额定转矩Te=404N•m、传动比i0=17.4。 得电机额定转速时5min内过载转矩传输至驱动轮相应的 过载驱动力 27230N0.475 0.9217.4240405e temax  r Te r ikTF  由表4-1中相关数据，求得对应车速uae=26.8km/h时的空气阻力 189N 21.15 26.87.957.0 15.21 22 ae  AuCF Dwe 计算对应uae=26.8km/h时的5min过载动力因数 1533.0 8.918000 18927230max max   mg FFD wetee 纯电动公交客车的动力系统设计实例 所得值0.146是26.8km/h车速在5min内可达爬坡度，即当坡度i=14.6%， 以uae=26.8km/h车速可爬坡长为2233米。而随速度降低或过载时间缩短， 过载倍数还能相应增加，即可使爬坡度加大。大于表4 - 1中所要求 的最大爬坡度imax=12%，说明满足该项指标。 计算uae=26.8km/h时滚动阻力系数fe=0.0076+0.000056×26.8=0.0091， 将Demax=0.1533代入前述最大爬坡角 ， 求得最大爬坡度 2 22 max1max1 max 1 1 arcsin f fDfD   146.0 0091.01 1533.00091.010091.01533.0arcsintan 2 22 max          i 纯电动公交客车的动力系统设计实例 (5)校核加速性能指标 根据表4-1要求0～50km/h加速时间t=12s；电机额定转速时1min内过载 倍数ke1=2.5；车速50km/h时电机在1min内过载倍数ka1=2。 将车轮半径r=0.475、传动比igi0=17.4代入相关公式求得车速ua=50km/h 时的电机转速n50=uaigi0/(0.377r)=50×17.4/(0.377×0.475)=4858r/min， 求得电机转速n50时的转矩T50=9.55Pe/n= 9.55×110000/4858=216N•m，相应 的过载转矩TdG2=216×2=432N•m； 按电机额定转速ne=2600r/min，额定转矩Te=404N•m，求相应的过载转矩 TdGe=404×2.5=1010N•m；两个过载转矩平均值TdG=(1010+432)/2=721N•m。 前已得电机额定转速时车速uae=26.8km/h，对应滚动阻力系数fe=0.0091， 而车速ua=50km/h时滚动阻力系数fa=0.0076+0.000056×50=0.0104。 纯电动公交客车的动力系统设计实例 求汽车0～50km/h加速时间t=tT+tP=5.34+5.7=11.04s，小于要求值12s， 即恰满足指标。 先分别计算tT中间项21.15rGf=21.15×0.475×18000×9.8×0.0091=16127； tP中间项21.15rGf=21.15×0.475×18000×9.8×0.0104=18430。然后再将所 得值和相关数据代入计算如下：   5.342/26.87.950.70.475161270.9217.4101015.21 )026.8(0.47521.15 6.3 180001.29 2T  t   5.726.8 23.25.34 2/)26.850(7.950.70.475184300.9217.472115.21 )26.850(0.47521.15 6.3 180001.29 2 1 2P        t  21aa0 1aa T 2/)(15.2115.21 )(21.15 6.3 uuArCrGfiT uurmt eDTdGe e              )( )( 2/)(15.2115.21 )(21.15 6.32 1 1aa a2a 2 2aa0 a2a P uu uut uuArCrGfiT uurmt e e T eDTdG e   将上述所求得值及表4-1中相关数据代入前述的如下低速恒转矩调速区 加速时间tT和高速恒功率调速区加速时间tP两个公式中： 纯电动公交客车的动力系统设计实例 (6)确定电源系统所要求的总功率 将所得电机额定转速时最大过载转矩TdGe=1010N•m， 计算电机所需峰值功率PeG=TdGene /9550=1010×2600/9550=275kW。 考虑电机及其驱动控制器预估效率ηmc=90%，再加上表4-1中的空调等辅助装置功率Pk=8kW，求 得: 275/0.9+8=314kW，略留余量确定汽车电源系统所要求的总功率P总为320kW。 纯电动公交客车的动力系统设计实例 3、确定蓄电池组所需总能量和校核续驶里程 参照国标对电动汽车电机推荐的电源电压等级，选取电压U=384V。所要求最大电流I=320000／ 384=833A，略留余量选取I=840A。 选择磷酸铁锂LiFePO4蓄电池，按前述单体电池电压为3.2V，单体电池容量为20Ah，如此采用 840／20=42个单体电池并联成电池组容量为840Ah，再由120个该电池组进行串联。 (l)确定电源系统标称电压和总能量 由此可确定电源系统的标称电压为384V；蓄电池总容量为840Ah；总电能 EB=384×0.84=322.56kWh；电压应用范围为312～456V。 纯电动公交客车的动力系统设计实例 (2)校核车速26.8km/h时的续驶里程 计算汽车在良好水平路面上以26.8km/h匀速行驶所需功率Pe为： 考虑到新旧蓄电池等因素，蓄电池以总电量的放电量系数q=0.8；预估蓄电池平均放电效 率ηq=95%；及已定的ηT=92%、ηmc=90%；代入蓄电池总电能EB=322.56kWh；和车速26.8km/h 平路匀速时所需功率Pe=13.357kW，一次充满电以车速26.8km/h平路匀速行驶可达续驶里程 s按下式计算: 大于表4-1中所要求车速26.8km/h时的续驶里程S=200km，满足要求。 kWfGuPPP aawfe 13.35776140 26.87.950.7 3600 26.89.8180000091.0 76140 AuC 3600 33 D  km uEq s amcTBq 407 13.357 26.80.900.9256.32295.00.8 Pe   纯电动公交客车的动力系统设计实例 由上述设计参数可见，基本利用了电机的调速范围和过载能力，使汽车在车速26.8km/h平路匀 速行驶时每公里的能耗仅为0.5kW(13.357/26.8)。 磷酸铁锂蓄电池比能量SE=100Wh/kg，所需蓄电池总电能EB=322.56kWh，估算车 载储能装置附加载重mB=EB/SE=322560/100=3225.6kg，超出表4-1中mB=3000kg。 但由于在爬坡、加速时利用了电机过载能力，需要车载电源提供较大的电流，使所需蓄电池容 量及其附加载重均有较大提高，且没有考虑制动或下坡时由电机回馈发电向蓄电池以瞬间大电 流充电计算在内。 按照磷酸铁锂蓄电池循环寿命为2000次，计算得到所配蓄电池最多所能行驶的 里程数为407×2000=814000公里。 (3)校核车载蓄电池附加载重和循环寿命内的行驶里程 若采用与超级电容组合的复合型储能装置，如此将50%的蓄电池成本用于超级电容；附加载重 也减少约50%，约为1612kg，即有利于改善动力性；续驶里程还能为200km，基本为每天所需行 驶里程数。 纯电动公交客车的动力系统设计实例 电动机可单独驱动汽车行驶，在市区实现零排放运行； 电动机在汽车启动、加速、大负荷运行时可以与发动机共同驱动汽 车； 在减速制动时以再生模式工作，回收制动能量，与发电机功能相同。 二、HEV中电动机的功用 第三节 混合动力电动汽车驱动系统设计 二、HEV中电动机的功用 电动机辅助型混合动力汽车，其特点是电动机 在汽车启动时实现零排放，汽车加速时起助力作用； 在减速制动时起能量回收作用。 电动机辅助型混合动力汽车 混联式混合动力系统中的电动机 1. 设计指标：主要包括：发动机功率、电动机功率，电源峰值功率及能量/容量，传 动装置以及电驱动系统的控制策略。 2. 设计任务： 1）满足要求的性能指标，如爬坡能力、加速性能和最高车速等，此外，还有经济性 指标、排放指标等； 2）实现系统的高效率运行； 3）在高速公路和市区行驶期间，保持蓄电池组荷电状态 在适当的电平，而不必从车 辆外部予以充电； 4）具有再生制动回收系统，且能够回收尽可能多的制动能量。 第三节 混合动力电动汽车驱动系统设计 牵引电动机的额定功率 在串联式HEV中，电动机的额定功率完全取决于车辆加速性能要求、电动机特性和传动装置特 性。在设计的初始阶段，可按照加速性能估算电动机的额定功率。 3. 设计原理 第一项表示用以加速车辆质量的功率；第二项和第三项分别表示克服轮胎滚动阻力和空气阻 力所需的平均功率。 （11） 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 下图是配置有两档传动装置的牵引力和牵引功率与车速的关系。Vb1 Vb2 加速时，若以低速档起步，牵引力按迹线a-b-d-e-f变化。在点f处，电动机达到最大转速，为 进一步加速传动装置应切换到高档。此时，车辆的基速为Vbl。 当应用单档传动装置时，即仅高速档可供应用时，牵引力按迹线c-d-e-f-g变化，且Vb =Vb2 对加速期间给定的终速，如位于点e处的100km/h，配置两档传动装置的车辆加速时间短，主 要是因为在低速时用低档，按a-b-d变化的牵引力, 将大于高档时按c-d变化的牵引力。 3. 设计原理 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 下图是某电动机额定功率值与转速比之间的关系。其中，转速比定义为最高转速与基速之比 3. 设计原理 上述方法确定的电动机额定功率可以满足加速性能的基本要求，是一个估算值 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 爬坡时牵引功率 在某些特定应用中，例如就越野军用车辆而言，越野运行是首要关注的问题。此时，牵引 电动机必须足够有效地克服越野小径上要求的最大坡度。爬坡时牵引功率可表达为： 3. 设计原理 不同转速比和电动机额定功率下牵引力 与车速的关系曲线 （12） 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 发动机/发电机额定功率 在串联式HEV中，发动机/发电机用于提供稳定功率，以防止峰值电源完全放电。因此，对 于发动机/发电机的设计，应考虑两种驾驶情况： ①长时间采用恒定车速的行驶情况，如在高速公路上的运行和在软路面上的越野行驶； ②采用频繁的停车——起动模式。 3. 设计原理 在平坦路面上恒速行驶时，输出功率为： 可见，在恒定车速时的功率需求小于加速所需的功率. （13） 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 车辆在市区内以停车-起动模式行驶时，发动机/发电机所产生的功率应等于或略大于平均的负 载功率，以保持峰值电源稳定的能量储存。平均的负载功率可表示为 第一项为克服轮胎滚动阻力和空气阻力所消耗的 平均功率；第二项为消耗于加速和减速的平均功 率。当车辆具有回收其全部动能的能力时，消耗 于加速和减速的平均功率为零。 3. 设计原理 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 在发动机/发电机设计中，其功率容量应大于或至少不小于维持车辆恒速 (运行于高速公路） 行驶所需的功率，以及运行于市区时所需的平均功率； 有两种合理的设计方法 ①使发动机的运行点在其 效率最高点处，如 图中的a点所示。但因汽车行驶的大多数工况都不 会用到发动机的最大功率， 故此方法设计的发动 机功率偏大； ②令发动机的运行点为点b，接近最大功率， 以满足加速和爬坡能力的需求。此方法设计的发 动机功率较小，其运行效率低于①，同时也没有 额外的功率供给车辆。 3. 设计原理 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 峰值电源设计 要求在任何时刻均能向牵引电动机提供足够的功率，同时峰值电源必须储存充裕的能量以 防止由于过渡放电而导致功率供应中断的状态。 1. 峰值电源的功率容量 为充分利用牵引电动机的功率容量，发动机/发电机和峰值电源的总功率 应大于或至少等于 电动机的最大额定功率 max / m pps e g m PP P   3. 设计原理 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 峰值电源设计 要求在任何时刻均能向牵引电动机提供足够的功率，同时峰值电源必须储存充裕的能量以 防止由于过度放电而导致功率供应中断的状态。 2. 峰值电源的能量容量 频繁地加、减速驱动模式将导致峰值电源的低荷电状态，从而降低了它的输出功率。为 了正确地测定峰值电源的能量容量，必须得知在某些典型行驶循环中的峰值电源能量的变化。 峰值电源中的能量变化为： Ppps为峰值电源的功率 峰值电源的全部能量容量计算式为： 3. 设计原理 第三节 电动汽车混合动力驱动系统设计 第四节 电动轿车动力系统设计（大作业） 表4-2 电动轿车设计的基本参数 参数 数值 参数 数值 整车满载总质量m(kg) 1300 滚动阻力系数f 0.008+0.00006ua 给蓄电池预留的附加载重mB(kg) 500 空气阻力系数CD 0.4 电机调速的转速因子x=nmax/nbase 4 迎风面积A(m2) 2 电机低额定转速时5min内过载倍数kDe5 2.5 旋转质量换算系数δ 1.38 电机高额定转速时5min内过载倍数kGe5 2 最高车速要求uamax(km/h) 125 电机高额定转速时1min内过载倍数kGe1 2.5 最大爬坡度要求imax(%) 30 车速70km/h时电机在1min内过载倍数ka7 1.8 0～100km/h加速时间t(s) 12 车速100km/h时电机在1min内过载倍数ka10 1.6 车轮滚动半径rr(m) 0.335 车速16km/h时续驶里程要求S(km) 280 经常行驶车速(km/h) 16～32 车速32km/h时续驶里程要求S(km) 300 空调等辅助装置功率Pk(kW) 1 结合计算机有限元仿真所获，预估电机在不同转速、不同过载时间内的 转矩过载倍数如表所示。因采用轮毂直驱，所传动比及效率均为 1。采用轮毂电 机使车轮转动惯量Iw增加较多，所旋转质量换算系数增为δ=1.38； 滚动阻力系数f=0.008+0.00006ua。 为使轿车在城区常行驶的低速工况运行于电机额定转速附近以提高效率，同时满 足高速公路行驶的最高车速，可选择调速范围较宽的开关磁阻电机，其转速因子 x=nmax/nbase通常可达6，在此设为4。 设计要求 作业参考 参考 功率等级 设计要求