电池供电的电动汽车动力总成匹配方法
NING Guobao, XIONG Lu*, ZHANG Lijun, and YU Zhuoping
同济大学清洁能源汽车工程中心，上海201804，2012年6月7日；
2013年3月4日修订
摘要：目前电动汽车动力总成的匹配方法还利用纵向动力学，无法实现最大限度车载储能单元的容量，也不能达到最低的当量燃油消耗量。另一个匹配方法的重点考虑合理布局的车辆对车载储能装置的额定能量容量的改善，它可以保持纵向动力学性能几乎不变，但不能达到最低的燃油消耗。考虑驱动电机的特性，利用传统的纵向动力学方法对驱动系统进行动力匹配，并提出了一种由传统的轿车改装而成的节能型储能系统的方法。通过结合车辆空间的利用，有助于提高车载能量，车辆纵向性能要求，车辆当量燃油消耗水平，被动安全要求和最大驱动距离要求，综合电池供电电动汽车电动动力总成的最佳匹配方法。在仿真中，车辆模型和匹配方法是建立在Matlab / Simulink上，和环境保护署（EPA）城市测功机驱动计划（UDDS）被选择作为测试条件。仿真结果表明，这相对于传统方法增加2.62%的再生能源和2%的能源储存效率。研究结论为电动汽车动力总成提供了理论和实际的解决方案，现代电池供电的电动汽车的匹配，特别是对那些从传统汽车转换来的，并进一步提高电动汽车动力。
关键词：电池供电的电动汽车，电动动力总成，电动驱动系统，储能系统，优化设计
1引言
环境和能源安全问题正在推动交通运输部门投资开发替代燃料和动力总成。动力总成受到政府和工业界的高度重视世界各地，并加上磷酸铁锂电池技术的进步，电动动力总成的可靠性改进，在中国不久的将来，电池-动力电动汽车或纯电动汽车成为简单和可靠性的最有利的科学技术[ 1 ]。但由于相对低能量密度，高价格，驱动范围小，电动汽车被封锁在他们的商业化进程。
典型的电动动力总成系统如图1所示。整个系统由电动驱动系统组成（包括驱动电机及电力电子），能量存储系统（包括电池、高压安全装置和电池管理系统）、辅助系统（包括电液助力转向、电动真空泵升压过程制动、电动空调、低的DC-DC转换器的转换高电压依赖于系统定义为低于12伏电压，CAN信号转换器（网关，为了有一个CAN用于车载传统汽车的车载系统和另一个CAN用于电动动力总成），汽车热管理系统，外部充电端口），CAN和车辆控制单元（VCU）。
研究表明，对传统汽车，制动系统所消耗的能量总计占内燃机传动系统所提供的总驱动能量的30% [ 2 ]。由于电动汽车的动力总成及其快速响应，再生制动功能可实现电池供电，所以驱动系列电池供电电动汽车的能源容量取决于能源存储系统，真实驱动循环，电动动力总成的效率和整车特性（包括额面积，质量等），同时受制动情况期间能量回收量的影响[ 3，4 ]。
再生的能力取决于驱动电机的特性，比如转速和最大转矩或功率特性，再生速度范围和电机效率图，车辆控制算法需要考虑车辆的总体安全，驾驶习惯等[ 5 ]。通常，更多系统的驱动电机的峰值功率一体化，驱动电机就有越强恢复能力。驱动电机效率越高，驱动电机就有更大的恢复容量。
许多研究集中在匹配方法。ZENG，等[ 6 ]，基于车辆性能要求，利用车辆控制器去匹配动力总成的参数。HUBBRAD，等[ 7 ]，建立每一个动力总成部件的详细模型来描述关键的瞬态和稳态操作。
图1. 动力总成系统和辅助部件的拓扑结构
对于电动汽车，匹配电动动力总成系统最流行的的匹配方法是提到传统纵向动力学理论与切割车载储能系统方法。整个电控线路图过程如图2所示。
图2. 基于传统纵向动力学理论和削减和尝试方法的电动传动系统匹配图
主要实现步骤如下：（1）根据驾驶性能确定了驱动电机的功率和转矩。（2）基于工程经验的储能系统设置系统额定电压，电压工作范围和容量。（3）计算和验证在汽车上可能的全部能量储存装置。（4）模拟并得到根据选定的驾驶循环的理想驱动范围。（5）如果驱动范围不能实现对象或有没有办法组装汽车上所有的关键部件，例如电动驱动系统，储能系统，再跳返回到步骤1，重置驾驶性能指标，然后再计算和验证。根据这一方法和全部各种情况下，很难找到一个完美的解决方案，产生一个妥当的驾驶性能和驾驶范围。
对于剪切和尝试的方法，有一些缺点：一是考虑回收能量不够如果仅仅考虑制动恢复。意思是被动地计算有多少能量可以调理在制动过程中，基于车辆的整体控制混合制动系统的算法，而忽略了所设计的电机峰值功率对制动的影响调理，由于电机的峰值功率的确定是通过驾驶性能指标，不考虑制动过程[ 8 ]。另一个缺点是整个空间动力总成系统不能被有效利用。为了进一步提高汽车的驾驶速度范围，一个命名为最大额定能量的新方法被提出来实现储能系统的最大能量存储。此外，实现多目标优化、全方位匹配纯电动乘用车的方法来考虑驾驶性能要求，整体车辆设计与布局的特点，制动能量回收。
2.基于汽车纵向动力学的动力总成匹配
2.1电池供电的电动汽车纵向动力学原理
类似于传统的ICE车的原则[ 9 ]，电池供电的纵向驱动动力学汽车被列为式（1）.其中考虑到传动齿轮电驱动系统的效率和容量，滚动阻力，空气阻力，加速阻力和坡度阻力等
, (1)
在旋转质量当量系数；为汽车质量；是汽车速度；是由电驱动系统产生的行驶阻力；是滚动阻力；空气阻力；是斜坡阻力，这是爬坡时的阻力。它们的表达方式描述如下：
, (2)
, (3)
, (4)
这里，-电机的输出转矩，
-变速器传动比，
-传动效率，
-主减速器传动比，
-最终降低效率（包括最终还原差等），
-效率（只包括传动轴传动，半轴及其关节），
-轮胎半径，单位m,
-滚动阻力系数，
-坡角，弧度，
-风阻力系数，
-迎风面积，，.
-汽车宽度，m，
-汽车高度，m，
-空气密度，这里.
-重力加速度，.
2.2电动驱动系统的匹配方法
在电动汽车动力力总成的关键原理图确定后，由电动驱动系统的主要步骤匹配，确定额定车速和最高车速，额定功率和峰值功率[ 10，11 ]。
根据车辆的总体指标，如最高车速Um，动力总成的传动比是确定的，其组成由齿轮传动比或变速器传动比和主减速器传动比，估计传动系效率，最高车速总结为
. (6)
基于最高车速选择电机额定功率，我们确定
. (7)
电机最大转矩的计算是根据公路坡度加速度：
(8)
根据最常见的驾驶条件，确定电机的额定转速，然后电机额定转矩的计算是通过额定功率、额定转速和额定速度：
. (9)
电机最大功率的确定通过求电动机的最大转矩好额定转速：
. (10)
验证电机的最大转矩要确定加速时间是足够的，例如，0-100km/h加速时间的计算公式如式（6），如果结果不能达到目标Tacc ，然后调整电机的额定转速：
， （11）
这里
2.3驱动电机和电力电子的特点
电动驱动机不考虑动态响应性能的理想输出特性概述如下。
（1）该电机具有优越的四组特性，驱动和能量回收机组具有相同的功率和转矩特性。
（2）电机输出恒转矩与转速小于额定转速。
（3）电机输出恒功率与转速在额定转速与最大值之间的定位转速。
（4）该电机分别具有长时间的输出性能和短时间输出特性。
为了满足车辆的总体目标，电动驾驶系统必须具有如下功能。
（1）用于每一个驾驶循环，以满足目标纵向驾驶性能。
（2）在电动动力总成匹配过程中，重量的增加应考虑电动驱动系统和能量存储系统，因为较高的电机功率会导致更多的能量再生，这将花费要多的燃料，然后恶化汽车的燃油经济性。
（3）考虑到更多的能量再生制动周期，这将汽车的降低功耗，提高燃油经济性。
（4）混合电动制动系统包括刹车系统和机电制动系统要综合考虑车辆控制算法集，比较这两个系统行动的优先级，现有的电动制动系统是机械制动系统，机械系统会失效如果电动制动系统不能给汽车提供足够制动力[ 12 ]。
（5）全电动动力总成体积的整体布局是受电动驱动电机的功率测定的影响。
（6）充放的最大电流应考虑电池组，因为电池的最大充放电性能必须大于最大电机本身的充电/放电电流，忽视其他辅助系统的影响电流和电池充电/放电板上电子设备的电流[ 13 ]。
电动电机的性能测试确定后，电池输出的峰值功率电驱动系统的收入要求有平衡的前提，与此同时，考虑到驾驶范围，切断和尝试理论被用来估计动力总成的系统电压，然后计算能量存储系统的能力，并完成动力总成的匹配可行性分析。
切割和尝试方法没有考虑到制动能量回收提高燃料当量经济的影响，它不能充分利用现有的空间，不能实现储能系统的最大额定能量，这缩短了汽车的行驶距离，不能实现了燃油经济性的优化。
3.基于总体车辆布局的电池容量匹配
储能系统的容量Eb直接影响驱动范围RV，储存能量系统的重量将使汽车更重，然后在驾驶过程中消耗更多的燃料，这会消耗更多的额外燃料。虽然能源储存系的重量估计大约
占10%到25%的汽车总重量，甚至更多的电池安装在车内，额外的燃料由于额外的电池重量引起的消费较低的幅度相比，提高了额外的储能系统容量，所以考虑当前技术的限制储能系统的能量密度有限，我们应该以尽可能多的储能单元，如电池组该车实现最大额定能量，提高了驾驶范围[ 14 ]。
这里有很多能量存储系统被电动汽车使用，磷酸铁锂电池是最流行的一个，由于其有较高的能量密度，更高的安全性。典型的锂离子电池列出如下表1.
在电池供电电动汽车发展过程中，实现模块化管理（包括基于力学的，控制的基础上，提高维修电池的能力，电池组，和所有一组电池单元被集成在一个模块中，基于模块，电池包的进一步设计考虑到碰撞安全[ 15 ]，热管理能源储存系统等统计资料。根据电池单元相应的规范，模块虚拟机的体积能量密度和模块毫米的重力能量密度可以表示为
(12)
是电池体积模块的系数，考虑到风冷却系统的通道电池模块，=0.6-0.7；是电池组件的重量能量系数，=0.75-0.8.
同样地，电池组的体积能量和电池组的重量能量可以根据相应的电池模块规范制定，
(13)
是电池组的体积能量系数，考虑风冷却系统的通道电池模块，和电池组的结构件体积，通常=0.55-0.65. 是电池组的重量能量系数，=0.7-0.8. 如果=0. 电池组几乎可以达到近似50g加速度在崩溃瞬间。
考虑汽车碰撞安全性和重心，电池组可用空间如图3所示。考虑汽车碰撞安全性和重心，电池包可用空间如图3所示。可用空间包括：1）位于主干的空间靠近后排座椅是首选，比如A节，空间对于传统汽车的燃料箱，比如B段、中央通道
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