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电动汽车翻译作业

时间:2012-08-05


1080110402 陈家兴 测控技术与仪器

电动汽车课程作业

电动汽车设计的基础知识和串联式混合动力汽车动力系的 设计研究

Okan Tur[1] e-mail okan.tur@mam.gov.tr R.Nejat Tuncay[2] e-mail nutuncay@mekatro.com Hamdi Ucarol[3] e-mail hamdi.ucarol@mam.gov.tr [1] Marmara 土耳其国家研究理事会研究中心能源研究所,41470 Gebze,Kocaeli,土耳其 [2]Mekatro R&D, 土耳其国家研究理事会 MRC 技术自由 B 区 号码 1841470 Gebze,Kocaeli, 土耳其

关键词 串联式混合动力汽车 电动车设计 模拟 电源管理 摘要
本文开始时介绍了电动汽车的基础知识技术,然后介绍了串联式混合动力汽车的设计原侧。 我们已经实现了串联式混合动力汽车动力系的设计研究, 现在我们通过使用一种软混合能源 管理策略将一个之前开发的 Matlab/Simulink 模型用以模拟双驱动电动汽车的设计。由此我 们对所有电动驱动方式进行了性能仿真,还将其结果与一台实验车进行了对比。

简介
据了解,最近几十年电动汽车(EV)技术在军用和商用车辆系统中变得越来越重要。和传 统车辆相比,电动汽车的成本较高,但是他们有高能源利用率,低排放量,回热式制动和静 音驱动模式等主要优势。更好的电气牵引性能,更符合未来武器系统发展趋势,隐身模式, 无声观测等等都是军用电动车越来越受关注的部分原因。 本文介绍了电动汽车技术和串联式 混合动力结构的基本设计原则。所设计的车辆性能是通过先前开发的仿真环境获得的。

电动车辆型态
电动车的配置基本上可分为三组。他们是全动力电动车,串联混合动力电动汽车,并联混合 动力电动汽车。如图 1 所示,电池可以作为电能储存系统,飞轮和超级电容器可为所有电动 汽车提供电能补给。在这种结构下,电动汽车的类型是被电能储存装置所限制的。目前,电 能储存装置的重量成为电动汽车研究的最大障碍。

图 1 电动汽车动力系 有两个及两个以上动力驱动系统的车辆类型称为混合动力汽车。串联式混合动力电动汽车 (SHEV)使用的是杂交式供电系统系统[2]。在串联混合动力系统配置中,除了一般电力系 统之外还安置了一个 ICE 式发电机组(图 2) 。这个发电机组可能会作为电能储存系统的充 电状态(SOC)控制器或是主要的动力单元。当它被用作主要电力单元时,它包括了满足正常 电力需求以及电力储存系统峰值负载的电能补给。 在减速和小功率驱动时, 电能储存系统是 由回热制动器或者发电机组来充电的。 并联式混合动力汽车(PHEV)使用的是杂交驱动系统。在并联混合动力汽车中,ICE 式和电 力发动机都可以驱动汽车。例如,在低速时,电力发动机在驱动车时效率更高。在长途旅行 时 ICE 控制驱动则更好。当力矩需求可以仅由 ICE 满足时,电力发动机也可以作为一种为 电力储能装置充电的发电机组。 3 简介了一种并联式混合动力汽车的结构。 图 除了这两种混 合配置,以丰田 Prius 为例,还有一些其他驱动概念像双混合动力汽车,这种驱动概念中涵 盖了 SHEV 和 PHEV 的一些性能。

图 2 串联式混合动力汽车动力系

图 3 并联式混合动力汽车动力系

子系统工艺趋势
一个 HEV 电力系统由能量产生单元,能量储存系统,电机和相关电子电路组成。 目前研究中交流感应电机和永磁体同步电机是两种可选的电子驱动应用电机。 开关磁阻发动 机可能会是另一种有意思的替代品。 直流电机不再受欢迎了, 因为他们需要保养电刷和换向 器。 具有坚固结构,低成产成本,低维护要求,感应电机已成为实验电动车的共同选择。像磁场 定向控制器等现代控制技术恰当地为感应电机提供了必要的速度控制。 永磁同步电机具有较高的效率,低重量,高能量质量比,高速度等潜力。目前为止,在所有 的商用混合动力电动汽车中,永磁电机由于上述优点已经被广泛使用。 燃料电池技术是电力时代最有前景的技术, 因为它可以直接把化学能转化为电能。 当把氢气 作为燃料时,它们只产生热量和水蒸气。虽然有一些不同种类的燃料电池,质子交换膜燃料 电池(PEMFC)几乎是最适合电动汽车驱动程序的选择因为它有相对小尺寸和相对低工作温 度(50-100°C)。 然而,燃料电池有一些严重的不足像高制造成本,氢气成产和储存的高成本。今天,将燃料 电池作为商用电动汽车的能量成产单元还是不可行的。 另一方面,传统的能量产生原理,发电机,是将机械能产生电能。机械动力源可以是柴油发 动机,气体燃料发动机或者是燃气汽轮机。交流感应电机或永磁体电机可以作为发电机。 正如前面提到的,最棘手的问题是能量储存系统。到现在为止,虽然有低储能效率和低储能 量,酸性电池尤其是铅酸电池(PbA)一直占据主导地位。其中一些原因是它们对恶劣条件的 承受能力和较高的可靠性。此外,先进的 PbA 电池技术如螺旋缠绕 AGM(玻璃纤维吸收板) 或者 VRLA(阀控式密封铅酸技术)电池可以提供更高的功率 400W/kg。

镍金属氧化物(NiMH)和锂离子(Li-ion)电池的研究正在进行中。更高的能量效率和功率,回 热制动充电过程中更好的吸收情况和更长的循环寿命等属性是这些先进离子电池技术的部 分潜力所在。在商用混合动力汽车如丰田 Prius 和本田 Insight 中,NiMH 电池已经被广泛应 用。 虽然表 1 已经给出了一些数据, 值得注意的是这些参数只是指示性的, 因为这些数据在制造 不同的电池时有较大的变化范围且这些数据总是随着电池技术的进步而变化。 因为飞轮,机械能储存系统,有高的功率比但是有低的能量比,他们不能用来作为主要的能 量储存设备但可以满足短时间能量需求峰值。 另一个补充峰值负载设备是超级电容器。 然而, 这些系统都会带来成本和可靠性等方面的问题。

动力系设计
正如前面提到,SHEV 的动力系统由牵引电动机,发电机组单元,能量储存系统和相关电子 技术组成。 选择适当的牵引电机和其供应系统是主要的问题。 串联混合动力电动汽车的设计 始于牵引电机的选择。车辆规格如重量,摩擦力,期望标称速度,加速度和爬坡能力会影响 这个选择。被选择的电机需要克服几个力,这些力是车轮的摩擦力(Ft),空气摩擦力(Fr), 边坡抗滑力(Fe)和车辆惯性力(Fa)。从牵引电机所需得到的能量是 施予汽车的力

Ft, 和 Fr 可以用来计算源于电力发动机的电力续航设备而且 Fr 是用来确定加速度产生的 Fe 额外能量。总能量应该被转移到车轮来满足和外力和汽车速度(8)。总车轮力矩(Ttot)是力和 车轮半径乘积的产物。

当选择标准牵引电动机时减速比和机械效率也是需要考虑的。 当使用直接驱动时, 传输效率 可以被忽略。

爬坡能力指标是额定力矩要求的最重要参数之一, 最大电机速度是最大汽车速度的决定性参 数之一。 混合动力汽车的供电系统(Pss)被装配时是考虑到能源管理策略和消费者的功率需要如牵引 发动机,冷却系统(PC)和辅助设备(Paux)(游艇用)。

在发电机和储能设备之间负载是共享的而且总能量的储存是受能量管理系统影响的。 更好的 低噪驱动需要更高的能量储存。 其另一种途径是发电机涵盖了平均负载而且能量储存设备补 充短期峰值功率。

这种已经提出的引领串联混合动力汽车动力系的体系结构在图 4 中陈述。

使用上述(5)到(12)方程,汽车的力学推倒在图 5 中模拟并给出了。使用表 3 的汽车常数,可 以确定牵引电机的规格,输入信号,速度和斜率,并被应用在模型上及其电源速率,力矩速 度绘图的计算中。 直路 25 秒内 0-----90km/h 加速度的输入信号被应用在模型,功率电机角速度和力矩电机角 速度计算并绘图。 Pivme 和 Psabit 分别表现了在加速过程中的功率要求和在匀速过程中的功 率要求。

图 4 串联混合动力汽车电源

图 5 车辆负载模式

图 6 最大功率要求

图 7 最大负载瞬时速度 图 8 图 9 中使用同样的模型在 25 秒内加速到 50km/h,只测绘了前 10%的斜率和输出。 这些图表表明这种电动车的电动发动机在低速时(0—2000rpm)有 250Nm 的最大马力(力矩) 并且此时需要的最大功率为 50-60kW (2000-5000rpm)。 对于 SHEV,其电力供应系统的设计是一个比驱动系统更加复杂的问题。可选的能源管理原 理影响电力供应系统的其它部分。有两种基础的能源管理策略叫软混合动力和能源助力 [3,4]。在第一个策略中,电池组可以作为主要的补给器而且发电机可以被用做电池 SOC 控 制器。 在另一个策略中, 发电机是主要的补给器用来满足平均能量需求而电池是用来补充负 载峰值。

图 8 前 10%功率需求斜率 在这项研究中, 我们选一种软混合体作为能源管理方案。 电池组可以为牵引电动机提供所有 能量。当电池组能量降低到一定限度以下时,发电机开始工作为电池组再充电提供电能。

图 9 前 10%负载斜率 在这种情况下,电池组至少可以供应 60Kw 电量。300V 直流总线,很适合这个能量级别的 电子电路,它可以由 25 个 12V 铅酸电池串联而成。 选择电池组的容量时应该考虑到最大供电量和汽车在无声模式下的驾驶航程。当选择 150 公里的无声驾驶航程以及 50km/h 的平均速度时, 分析计算后, 大概需要总计 18kwh 的电量。 放点率为最大放电量除以总容量结果为 3.3C,这对于先进的铅酸蓄电池是可以达到的。 当 SOC 电量减少到预定义范围时发电机应该为再充电补充电量或是为普通速度驱动牵引力 提供能量。 当选择 9kw 再充电电量作为总电量容量的一半并用 5kw 电量设备为 50km/h 速度 提供能量,则发动机应选择 15kw 的能量等级。 在软混合动力能源管理策略中,电池组的 SOC 等级应被划分为不同的操作模式, 10 中给 图 出。

图 10SOC 操作频段 一般只用 20%---80%SOC 的操作范围。这主要是因为此时电池组有较高内阻。所以,SOC 超过 80%时,回热制动会被省略或禁止来避免充电过量或 SOC 低于 20%,当出现深度放电 时功率限制会被启用。当 SOC 在 60—80%范围时,电量是会被补充的直到 SOC 减至 40%。 此时,发动机开始为直流总线补充电力直到 SOC 达到 60%。然而,走下坡时电池组可以达 到 80%。 使用先前开发的 MATLAB/Simulink 环境进行电动车设计已经被模拟了。第一个驱动循环实 验采用美国的 Urban Dynamometer Drive Schedule(UDDS)程序进行的,附表联邦实验步骤 FTP-75。第二个是采用美国公路循环测试 US06 程序。 在市内驱动实验时,只有电池组为直流总线供电而发电机不工作。在 23 分钟的驱动实验结 束时,电动车以 12km/h 行驶而电池 SOC 电量减至 8%。考虑到牵引发动机能量一般低于 20kw,15kw 的发电机将足以保持电池 SOC 操作频段的要求。 在图 11 中, 给出的市内驾驶模拟结果分别代表驱动周期, 电池组电压, 电池组电流和 SOC。

图 11UDDS 循环模拟结果 在高速驱动周期中,经过 25 公里车程,电池组 SOC 减至 35%左右而且直流总线电压在 250v—360v 之间浮动。

图 12US06 驱动循环模拟结果

仿真和实际案例的性能比较
对于纯电动模型车, 进行了加速和匀速的功耗仿真并与一台实验车进行了对比。 我们将 35kw 以下的能量功率限制和实例进行模拟并对比。图 13 表示模拟车 13 秒内加速到 60km/h。而 实验车加速到相同速度用了 14.4 秒。

图 13 加速到 60km/h 的功率消耗 模拟显示在 50km/h 的功耗是 5kw。在实例中实测功耗 5.9kw。模拟体和实例之间差异的原 因被认为是不确定车的辆参数和模型的使用效率。

图 14

50km/h 的功耗

结论
本文中, 混合动力电动车的技术基础已经陈述。 并对一个串联式混合动力汽车的动力系设计 进行了研究。 现在设计的模型电动车是使用了先前开发的 MATLAB/Simulink 模型。

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