如何合理确定微型纯电动车动力系统设计参数？.pdf

如何合理确定微型纯电动车动力系统设计参数？如何合理确定微型纯电动车动力系统设计参数？卢兰光 1，欧阳明高 1 1汽车安全与节能国家重点实验室，清华大学，北京 100084 E-mail:L 摘要 目前由于没有电动车性能设计标准，市场上的电动车性能（最高车速、续持里程）各有不同。由于目前的动力电池性能（比能量、比功率、耐久性及成本）还不是很理想，如何确定纯电动车动力系统的设计指标才能满足出行需要，同时又兼顾成本、可靠性和耐久性？本文以奇瑞公司生产的微车 QQ3（汽油机版）为原型，进行微型纯电动车的性能匹配（包括驱动电机、电池容量选型等等）与仿真研究。在研究过程中考虑了以下因素的影响：（1）行驶路况；（2）驱动电机最高效率区；（3）整车最大的载重能力；（4）日出行里程；（5）居民家庭的配电容量；（6）电池耐久性；（7）电池的初始投资成本等等。关键词：微型纯电动车；设计指标；续持里程；最高车速 How to determine the electric car design specifications?Languang Lu 1,Minggao Ouyang 1 1State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,PR China E-mail:L Abstract Currently,as there are no formal standard for EV specification designing,the range and the maximum speed of many electric cars are different.As the performances(specific energy,specific power,durability and cost)of current batteries are not perfect,how to determine the EV design specifications so that it can take cost,availability,reliability and durability into account?In this paper,based on the internal combustion engine micro-car QQ3,a micro-EV was matched(included selecting the traction motor and the capacity of the battery)and simulated,while the following factors are taken into account:(1)Driving cycles;(2)The high efficiency zone of the traction motor;(3)Vehicle carry weight capacity;(4)Daily mileage;(5)Charge capacity of the family house;(6)The durability of battery;(7)Battery initial investment.Keywords Micro Electric car,Design specifications,Range,Maximum speed目前，由于没有电动车性能设计标准作为参考，许多电动车的设计续持里程和最大车速都相差较大，例如日本 Eliica电动车的设计最大续持里程和最高车速分别为 320km和 400km/h；比亚迪的 E6 电动车设计续持里程和最高车速分别为 300km和 160km/h；而SMART for-two 电动车设计里程与最高车速只有115km和 100km/h。由于当前的动力电池性能（比能量、比功率、耐久性和成本）还不是很理想。如何设计电动车的性能指标才能兼顾适用、成本、可靠性和耐久性？本文基于 QQ3 为原型，以满足 I级城市需要为设计目标，进行了微型电动车的匹配与仿真研究。1.基本参数确定基本参数确定 由于参数的确定是基于车辆的行驶工况来确定的，因此必须首先对驾驶循环和车辆行驶的道路设计规范进行充分的了解。乘用车城区和快速路况循环工况如图1、图2所示1，平均车速在2060km/h，最高车速为118.43km/h。根据“城市道路设计规范”2规定的各类各级道路的计算行车速度如表1示。城市的道路被分为4类，除了快速路外，每类道路按照所占城市的规模、设计交通量、地形等分为 3个级别（I、II、III级），大城市应采用各类道路中的I级标准，中小城市按II标准；小城市应采用III级标准。中国城市各级道路允许的最大坡度和最长斜坡长度分别为9%和600m，见表2和表3。中国其他的公路设计的最大坡度也9%，见表4。车库允许的最大坡度15%，见表5。考虑到电动车一般在城市中运行，因此电动车的基本设计指标如表6示。图 1:乘用车城区道路循环工况 图 2:乘用车城市快速道路工况 表 1:各类各级道路计算行车速度 道路类别 快速路 主干路 次干路 支路 道路级别 I II III I II III I II III 计算行车速度(km/h)80,60 60,50 50,4040,3050,4040,30 30,2040,30 30,20 20 注:条件许可时，宜采用最大值表 2:城市道路最大纵坡度 计算行车速度(km/h)80 6050 40 3020最大纵坡度推荐值(%)4 5 5.5 6 7 8 最大纵坡度限6 7 8 9 值(%)注:(1)海拔 30004000m 的高压城市道路的最大纵坡度推荐值按表列数值减小 1%；(2)积雪寒冷地区最大纵坡度值不得超过 6%。表 3:城市道路纵坡限制长度 计算行车速度(km/h)80 60 50 40 纵坡度(%)5 5.5 6 6 6.57 6 6.57 6.5 7 8 纵坡限制坡长(m)600 500 400400350300350300250 300 250200 表 4:中国各级公路的坡度技术指标汇总 公路等级 高速公路 一 二 三 四 地形 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 计算行车速度(km/h)120 80 100 60 80 40 60 30 40 20 最大纵坡(%)3 5 4 6 5 7 6 8 6 9 表 5:汽车库内通车道的最大坡度 直线坡道 曲线坡道 百分比(%)比值 (高:长)百分比(%)比值(高:长)微型车、小型车 15 1:6.67 12 1:8.3 轻型车 13.3 1:7.50 10 1:10 中型车 12 1:8.3 大型客车、大型货车 10 1:10 8 1:12.5 铰接客车、铰接货车 8 1:12.5 6 1:16.7 表 6:微型纯电动车设计指标 城市类型 具有快速路况的大城市 大城市 中等城市 小城市 最高车速(km/h)80 60 50 40 通道形式 坡度 车型 最大爬坡度(%)20 20 20 20 050km/h 加速时间(s)10 12 15 28 21 16 15 电机持续功率(kW)23 15 11 8 最大功率运行时间(s)27 24 25.2 27 3.2 根据经验选取 汽车基本的动力参数统计如表 10 示3，由于 QQ3微型纯电动车总车重为 1.255t，根据表 10，电机的最大 功 率 应 在 2363kW 之 间（原 车 最 高 功 率 为38kW）。表 10:轿车发动机功率统计表 车辆种类 最高车速(km/h)比功率(kW/t)微型 90120 1850 轻型 120170 3664 中型 130220 4372 高级 140190 50108 3.3 根据运行工况计算根据运行工况计算 在选择牵引电机的额定功率时，还可以将乘用车典型工况的统计数据作为一个重要的参考依据，以此作为参考依据有两个好处：一是可以选择较小的牵引电机额定功率，二是可以提高经济性。在乘用车城区工况下（参见图 1），电机工作点、分布密度图、能量密度分布分别如图 6、图 7 和图 8 示。可见在城区工况下，电机最大功率不大于38kW，且大部分工作点在 15kW 以下。根据城区工况计算的平均功率约为 3.25kW。同样地，也可以获得快速工况下电机工作点、分布密度图、能量密度分布。分析得出电机最大功率约为 45kW，且大部分工作点在 20kW以下。快速路况平均功率为 9.14kW。0500100015002000250030003500400045005000050100150200250300电 机 转 速）(rpm电机转矩（）N.m5kW10kW15kW20kW25kW30kW35kW40kW45kW50kW 图 6:乘用车城区工况下电机工作点分布情况 电机转速（）r/min电机转矩(Nm)0500100015002000250030003500400045000501001502002505kW10kW15kW20kW25kW 图 7:乘用车城区工况下电机工作点分布密度 电机转速（）r/min电机转矩（Nm)0500100015002000250030003500400045000501001502002505kW10kW15kW20kW25kW30kW35kW40kW45kW50kW 图 8:乘用车城区工况下电机工作点能量分布密度 一般永磁电机系统的最高效率区域在额定转速及最高功率的 4070%之间，转速低时效率会特别低。典型的永磁电机效率 Map 如图 9 示。图 9:2004 Prius 永磁电机/逆变器效率 MAP 图 4 综合上述分析，对具有快速路况的大城市，电机最大功率选取 30kW，持续功率选取 23kW。从电机城区工况可见大部分工况点落在转速 5002500rpm之间（图 6、7、8），转矩大部分小于 250Nm。快速工况下，电机大部分工况点落在转速 15003000rpm之间，转矩在 200Nm以下。由于微型纯电动车主要路况为城区，如果选用最高转速为 6000rpm的电机，为了使电机大部分工作点位于最高效率区，必须配备电机减速器，本文设减速比为 1.37。本文研究中所用的电机效率 MAP是根据图 9按转矩、转速比例缩小而成，如图10 示。787878787878797979797979808080808081818181818181828282828282828383838383838384848484848484858585858585858686868686868687878787878788888888888889898989899090909090919191919292电 机 转 速（rpm)电机转矩（）N.m10002000300040005000600020406080100120140160180 图 10:本课题研究采用的驱动电机效率 Map图 3.4 电机工作电压选择电机工作电压选择 工作电压高，驱动电机体积小，工作电流小，效率有所提高。一般功率大的驱动电机采用高电压方案。Prius电机额定 30kW，最大 50kW的电机，电压为 200-500V（蓄电池电压 201.6VDC，通过逆变器与母线电压配）4。2005款雅阁混合动力驱动电机5最大功率 12.5kW，工作电压为 144V。因为选择的电机最大功率为 30kW。因此，电压可以在 144500 之间考虑。目前在市场上电压为 300V 左右，如上海电驱动公司生产的额定 30kW（最大 70kW）电机电压为320V6。4.整车动力性核算整车动力性核算 根据上述牵引电机，对整车的动力性指标进行核算，看是否能够达到预定技术指标。4.1 整车的最高速度及爬坡性能整车的最高速度及爬坡性能 根据选择的电机、电机减速器及车辆匀速运行阻力特性曲线，可得图 11。020406080100120050100150200250车 速（km/h)不同坡度下汽车匀速行驶电机需求转矩（）N.m 坡 度0%坡 度5%坡 度9%坡 度15%坡 度20%坡 度36%5kW10kW15kW20kW25kW30kW 35kW40kW45kW50kW 图 11:匀速情况下电机需求转矩与等功率线 可以得知:(1)如果电机的最高转速为 6000rpm，电机减速比为1.7，车辆主减速比为 4.412，理论最高车速达到100km/h。根据选用的电机，最高车速也可达到100km/h。(2)电机最高转矩为 180Nm 时（电机减速器 1.7、主减速器 4.412），最大爬坡度可达 30%左右。(3)具有减速器的电机在城区工况和快速工况下的工作点效率高（相对于没有减速器的电机）。除了车速超过 100km/h 外（可以通过采用两档变速箱解决高速问题），加速和车速基本能够达到工况要求。4.2 整车的加速时间整车的加速时间 加速性能可以根据 2.2 章节中的公式计算。计算得到满载时 0-50km/h 的加速时间约为 8s，满足表6 的设计要求。5.系统仿真分析系统仿真分析 模型是基于 Matlab Simulink 来建立的，见图 12。所有的部件模型都是基于 MAP来建成。全文仿真中采用的重量除特别说明外，均以满载计算（总重均为1255kg）。空调不开时，附件平均功率取 0.3kW（Focus电动车附件平均功率 0.6kW，prius附件平均功率为 0.7kW，本田 insight附件平均功率 0.2kW，数据来自 advisor软件）。空调开启时，附件功率除了考虑 0.3kW 外，还考虑根据不同外界环境下空调平均功耗，取为 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4（QQ汽车采用南京奥斯佳 WXH-066-E空调压缩机轴功率为1.4kW）。图 12:系统仿真模型框图 5.1 电池总功率需求计算电池总功率需求计算 可通过下式来计算电池的需求总功率 max_max_max_auxmotmotbatPPP+=式中：max_batP为电池需求的最大功率；max_motP为电机最大功率；mot为电机效率；max_auxP为整车辅件最大功率。假设电机能量效率为 85%，电机最大功率为30kW，因此需要的电池总功率为 38kW左右。5.2 匀速行驶车速、附件功耗与电耗的关系匀速行驶车速、附件功耗与电耗的关系 匀速行驶车速与电耗关系呈鱼钩状，见图13。车速在20-60km/h之间电耗较低。最低电耗点随附件功率增加逐渐从20km/h 移至 40km/h。由于低速时附件功率占的比例较大，因此附件在低速时对电耗影响大。而高速时，由于附件功率占总功率的比例小，因此高速时，附件功率对电耗的影响较小。图 13:车速与电耗的关系 5.3 城市工况、附件功率与电耗关系城市工况、附件功率与电耗关系 电量的消耗受到附件功率的影响。在城市城区工况下，附件功率与电耗关系如图 14 示。附件功率每增加 100W，电耗增加约 3.5%，回馈制动可以节电约3kWh/100km，经济性提高约 20%左右，续持里程达到设计里程（以 40km/h 匀速行驶里程）的 80%。在城市快速工况下，附件功率每增加 100W，电耗增加约1%，回馈制动可以节电约 2kWh/100km，经济性提高约 12%左右，续持里程达到设计里程（以 40km/h 匀速行驶里程）的 65%。图 14:附件功率与电耗关系图（城区路况）5.4 车重与电耗关系车重与电耗关系 车重增加会导致电耗的增加。每增加 100kg重量，在匀速工况、城区工况和快速工况下的电耗分别增加 0.5kW/100km,0.670.95kWh/100km（见图 15）和 0.550.74kWh/100km，相当于增加总电耗的 36%,68%和 5%。图 15:车重与电耗的关系（城区路况）5.5 电池容量的确定电池容量的确定 系统电池容量的确定必须考虑以下几个因素：（1）设计续持里程；（2）路况；（3）电池组一致性；（4）最低允许的荷电状态；（5）电池寿命；（6）每天的行驶里程；（7）家庭充电的配电容量等等。通常续持里程一般以 40km/h 匀速行驶的距离来确定。根据车重与电耗关系，重量每增加100kg，40km/h 匀速行驶的电耗增加约 5%。在城区与快速路况下，具有回馈制动的电动车持续里程只能达到设计里程的 80%和 65%。假设：?电池能量密度为 100Wh/kg（磷酸铁锂电池）。?目前电池单体之间组装后，电池单体存在容量不一致，导致电池组的可用容量只达到单体的额定容量的 90%。?纯电动车电池荷电状态（SOC）使用范围为10020%（考虑预留 20%的余量）。?电池寿命定义为容量衰减到其初始容量 80%。电池容量与设计里程、承载能力和电池放电倍率的关系如表 11 示。可以得到如下结论：（1)随设计续持里程增加，车辆载重能力减小，当设计续持里程增加到 200km 时，如果车辆不经过特殊改装，可承载重量只有 1 人，已经不具备实际意义。以可承载重量衡量，设计续持里程 200kg。（2)设计续持里程不能太小，因为设计里程小，电池放电倍率变大，不利于电池耐久性。设计续持里程80km 比较合理，此时持续电池放电倍率1.5C，最高放电倍率80km，才可能满足 70%人群的需要（见图16）。图 16:轿车日行驶里程统计 根据住宅设计规范7，四类套型房屋（使用面积68m2），用电负荷标准不能低于 4kW，目前新建住宅，江苏、上海等地方标准中已将三类住宅（使用面积 56m2）每户负荷提高到kW、四类住宅每户负荷提高到kW8。如以每户平均用电负荷 5kW 计，夜间可用于充电的电功率约 3kW 左右。如果按 3 小时充电（约 0.3C），最大可接受充电的电池容量应9kWh；如果按 6 小时充电（约 0.2C），最大可接受充电的电池容量应18kWh；如果按 10 小时充电（约 0.1C），最大可接受充电的电池容量应30kWh。6.结论结论 根据上述对城市道路工况、电池容量计算分析，要满足 I 级城市车辆（以 QQ 车为原型）的需求，有以下结论：?微型车配备峰值功率为 30kW，持续最大功率为 23kW 的驱动电机就可以满足大城市出行需要。?最大爬坡度大于 20%就可以满足大部分道路的需要。?最大车速 100km/h 即可满足大型城市的出行需要。?匀速行驶，电耗与车速呈鱼钩状，车速在 20-60km/h 之间电耗最低。?回馈制动在城区和快速路况下分别可以节省约20%和 12%的能量。?城市城区工况下，车辆持续行驶里程约为设计里程的 80%。?城市快速路况下，车辆持续行驶里程约为设计里程的 65%。?车辆附件功率对电耗影响大。?增加车辆重量会导致电耗增加。?随着设计里程的增加，车辆的承载能力会降低。设计里程不宜超过 120km，否则车辆承载能力会低于 200kg。?考虑微车电池耐久性，设计里程不应低于80km。?根据日人均出行里程统计，设计里程大于80km，可以满足 70%人群日出行的需要。?根据家庭房屋的配电能力，设计里程不宜大于120km。通过上述的分析，转换为可接受度的概念，可以画出图 17的对比图。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91设计续持里程40km设计续持里程40km设计续持里程80km设计续持里程80km设计续持里程120km设计续持里程120km设计续持里程160km设计续持里程160km设计续持里程200km设计续持里程200km 图 17:不同设计续持里程可接受度分析图 可见，综合日行程、可承载重量、初始投资成本、电池放电倍率、电池充电时间等因素，建议微车的设计指标为：?里程在 80120km（即电池容量 1118kWh）?最高车速 100km/h?最大爬坡度 20%7.参考文献参考文献 1 国家发展和改革委员会，QC/T 759-2006汽车试验用城市运转循环（2006-07-26），http:/ 2城市道路设计规范CJJ37-90，http:/ 3林宁 主编，汽车设计，机械工业出版社，1999，12-13页 4 Mitch Olszewski,Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System，U.S.Department of Energy，FY 2006 5 Mitch Olszewski,EVALUATION OF 2005 HONDA ACCORDE Hybrid Electric Drive System，FY 2006 6 http:/ 7 中华人民共和国国家标准，住宅设计规范 GB50096-1999 8 毛洪山，新建住宅小区的用电负荷计算。http:/ 8.作者作者 卢兰光，卢兰光，博士，高级工程师，清华大学汽车工程系。研究方向:新能源动力系统集成与控制，电池管理。Email： 欧阳明高欧阳明高，博士，教授，清华大学汽车工程系。主要研究领域为节能与新能源汽车。研究工作包括：1.内燃动力系统与控制（尤其是柴油发动机电子控制系统与混合发动机）；2.混合动力系统与控制（尤其是多能源混合动力系统与新能源城市客车）；3.电池动力系统与控制（尤其是智能电动四轮驱动系统与小型纯电动轿车）；4.汽车能源动力系统分析（尤其是车用替代能源与动力系统技术转型战略）