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干货 | 电动汽车电控系统参数匹配及优化

2018-06-13 11:05 来源: CST三交产研-汽车

导读:

为了提高纯电动汽车的动力性设计指标,研究了纯电动汽车电控参数在设计过程中,电机系统和电池系统参数匹配选择的基本原则和整车控制策略,并利用ADVISOR软件对所匹配出的动力参数进行仿真优化验证,最终使"电池+电机+电控"三电系统集成达到最优状态,从而提高了电动汽车的动力性能。同时也为纯电动汽车设计初期的动力参数选型匹配提供了基本数据。

近年来,随着大气污染的日益严重、全球石油资源供应紧张及环保意识的增强,传统的燃油汽车面临着巨大的挑战,纯电动汽车越来越受到人们的青睐。实现电动汽车替代传统汽车的关键是纯电动汽车的整车动力性是否满足人们的需要。解决整车动力性能的关键因素在于如何实现电池质量小且储存能量大、提高电机的性价比及优化电驱动控制策略。通过选择动力系统参数,使得电机、电池及电控更好地集成到一起,是现阶段提高纯电动汽车整车动力性的重要方法之一。文章通过研究匹配电机、电池参数及整车控制器参数的基本原则,为纯电动汽车初期设计动力匹配提供了理论依据及基础数据,对新产品的开发提供了指导作用,大大缩短了开发周期。

1 纯电动汽车整车动力系统设计流程和需求

纯电动汽车动力系统由整车控制器、电机控制器、永磁同步电机、电池管理系统及动力电池等构成,整车动力系统的基本架构,如图1所示。纯电动汽车动力系统开发过程可采用“V”模式,如图2所示。定义好各个环节的功能需求,按照开发流程进行新产品的动力系统开发,文章针对具有单速比和永磁同步电机的纯电动汽车的参数匹配展开研究。

干货 | 电动汽车电控系统参数匹配及优化

干货 | 电动汽车电控系统参数匹配及优化

纯电动汽车的电机控制器(MCU)响应整车控制器(VCU)的控制和输出的扭矩值,负责驱动电机的控制并对电机状态进行实时检测,电池管理系统(BMS)对电池的荷电状态(SOC)、电压、电流及温度等参数进行测量,VCU通过采集、接收MCU及BMS等信息实现整车驱动模式控制、能量优化控制及制动回馈控制等功能。因此,纯电动汽车的整车动力性主要依赖于驱动电机、动力电池组、传动系统及电控系统的参数匹配。在电动汽车动力系统设计初期,汽车的续航里程、加速性能、最高车速及爬坡能力等能够反应系统的动力性,可根据动力系统指标选择合理的电机参数和动力电池参数等,以满足整车的动力需求。

2 驱动电机参数的选择和匹配

电机是纯电动汽车的核心功能模块,它将电能转变为机械能,并通过传动系统将能量传递到车轮来驱动汽车行驶。合理地选择电机参数能够更合理的使用动力电池的储存能量,从而提高汽车续航里程等性能。电机和MCU组成了纯电动汽车的驱动系统。MCU是一种能将动力电池输入的电能转变为适合于目标电机运行需求的另一种电能形式的电能转化装置。因此,整车的动力性能主要取决于MCU选择的合理性。可以根据动力系统设计需求目标匹配电机的峰值功率、额定功率、最高转速、额定转速及最大扭矩等参数。

2.1 驱动方程

根据汽车的驱动力和行驶阻力之间的力学平衡关系,估算电机的基本性能。汽车的驱动力-行驶阻力平衡关系的方程,如式(1)所示。

干货 | 电动汽车电控系统参数匹配及优化

纯电动汽车传动系统传动比与效率、车轮半径、空气阻力系数、迎风面积及汽车的质量等性能指标确定后,可确定汽车的驱动力-行驶阻力平衡关系方程组,如式(2)所示。

干货 | 电动汽车电控系统参数匹配及优化

将式(2)代入式(1)可得汽车的驱动力-行驶阻力平衡关系方程,如式(3)所示。

干货 | 电动汽车电控系统参数匹配及优化

通过式(4)计算纯电动汽车在平衡状态下的功率大小,为后续电机功率选择提供基础数据。

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