純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)匹配技術(shù)研究.pdf

1、純電動(dòng)汽車具有高效、節(jié)能、終端零排放等特點(diǎn)，是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要途徑。但電動(dòng)汽車受電池能量密度和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的限制，續(xù)駛里程短，充電時(shí)間長，制約了純電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用。因此，對動(dòng)力總成系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行選型和匹配，確保這些部件高效區(qū)域與電動(dòng)汽車頻繁運(yùn)行區(qū)域之間的合理匹配，并開發(fā)合適的控制策略，能夠提高車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作效率，有效延長純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。
　　 圍繞純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)的匹配技術(shù)，本文開展了以下研究工作：

2、
　　 1.純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)
　　 為測試純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成關(guān)鍵部件及動(dòng)力總成系統(tǒng)的性能，評價(jià)動(dòng)力總成系統(tǒng)的匹配效果，驗(yàn)證電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各控制單元的有效性，建立了由電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、測功機(jī)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)構(gòu)成的純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)臺(tái)；試驗(yàn)臺(tái)集成的各設(shè)備分別采用了CAN總線、485總線或232總線等不同的通信方式，為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)的集中采集及對試驗(yàn)臺(tái)各設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，以英飛凌

3、XC164CM單片機(jī)為核心，開發(fā)了基于CAN總線的信息采集及通信方式轉(zhuǎn)換信息單元，將各設(shè)備通信方式統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為CAN總線通信方式，構(gòu)建了試驗(yàn)臺(tái)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)所要實(shí)現(xiàn)的功能，參考SAE J1939協(xié)議，對試驗(yàn)臺(tái)各CAN節(jié)點(diǎn)源地址進(jìn)行了分配，并定義了各節(jié)點(diǎn)的CAN報(bào)文內(nèi)容，制訂了試驗(yàn)臺(tái)CAN通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，構(gòu)建了試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架，實(shí)現(xiàn)了所需的通訊、控制功能。論文以智能型放電儀為例，對數(shù)據(jù)采集及控制過程

4、的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，并討論了試驗(yàn)臺(tái)的報(bào)警及保護(hù)機(jī)制。動(dòng)力電池組的放電試驗(yàn)和基本城市循環(huán)工況下動(dòng)力總成系統(tǒng)性能的測試結(jié)果表明，開發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)測試所需的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
　　 2.純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成關(guān)鍵部件特性分析
　　 對車輛動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配和控制策略開發(fā)時(shí)，需充分了解動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵部件的效率特性。為此，在試驗(yàn)臺(tái)上，以320V/100A·h磷酸鐵鋰電池組為研究對象，對

5、電池組開路電壓、容量效率及電壓性效率等特性進(jìn)行了測試研究，結(jié)果表明磷酸鐵鋰電池組在不同充、放電電流下的容量效率達(dá)99％以上；電壓性效率隨電池組工作電流和SOC而變化，電池組在充電電流較小和SOC處于20％～80％時(shí)充電效率較高，達(dá)92％以上；在放電電流較低且SOC較高時(shí)，電池組放電效率較高?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了電池組充、放電效率模型，用以描述電池組效率與充、放電電流及SOC之間的關(guān)系，利用實(shí)車測試的電池組工作電流對建立的電池組效率模型進(jìn)行

6、了驗(yàn)證，結(jié)果表明，模型計(jì)算值與實(shí)測值的最大相對誤差為0.57％，表明建立的模型是有效的。
　　 以32kW交流異步電機(jī)為研究對象，在試驗(yàn)臺(tái)上對驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)常用工況范圍和高速弱磁范圍內(nèi)的效率特性進(jìn)行了測試分析。指出，在不同工況點(diǎn)，電機(jī)系統(tǒng)效率相差很大，在低速或低負(fù)荷時(shí)電機(jī)系統(tǒng)效率很低；在電機(jī)輸出功率0.3Pe≤P≤1.4Pe的中等轉(zhuǎn)速及中等轉(zhuǎn)矩區(qū)域內(nèi)效率較高，維持適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)負(fù)荷率可顯著提高電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率；在電機(jī)輸出功率存在較大過

7、載時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)效率急劇降低?；趯?shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建了驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率模型；利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩下部分工況點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：模型計(jì)算值與實(shí)測值的最大相對誤差為3.4％，建立的模型是有效的。
　　 對電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量回饋效率特性和驅(qū)動(dòng)效率特性進(jìn)行了測試分析，結(jié)果表明，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效區(qū)域主要集中在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速附近的中等負(fù)荷區(qū)域?；趯?shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量回饋和驅(qū)動(dòng)效率模型，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。

8、
　　 3.濟(jì)南市道路工況下車輛動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域測試分析
　　 不同城市的車輛行駛工況具有不同的特點(diǎn)，通過構(gòu)建濟(jì)南市車輛行駛工況，統(tǒng)計(jì)得到車輛實(shí)際行駛過程中電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常用工作區(qū)域，可為動(dòng)力總成系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)以及控制策略的優(yōu)化開發(fā)提供依據(jù)。本文開發(fā)了車載信息單元，通過車輛CAN總線獲取車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將有效數(shù)據(jù)打包，通過GPRS遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)采集。考慮車道數(shù)量、道路坡度及車流密度

9、等因素，選擇了濟(jì)南市典型道路，利用純電動(dòng)微型客車連續(xù)進(jìn)行了15天的數(shù)據(jù)采集，獲得了260萬條有效數(shù)據(jù)。本文提出了基于車輛能耗狀態(tài)構(gòu)建濟(jì)南市道路行駛工況的思路，對道路坡度、瞬時(shí)比功率、車速及車輛加速度等反映車輛能耗狀態(tài)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析，定義了27個(gè)參數(shù)反映運(yùn)動(dòng)學(xué)片段特征；運(yùn)用主成分分析、快速聚類分析等方法，構(gòu)建出候選工況，并綜合考慮相關(guān)系數(shù)、相對誤差及關(guān)鍵參數(shù)概率分布，選出了代表性行駛工況，即濟(jì)南市車輛行駛工況。通過對濟(jì)南市車輛行駛工

10、況的統(tǒng)計(jì)分析，得到車輛行駛工況點(diǎn)主要集中在車速為10km/h～40km/h、車輪轉(zhuǎn)矩為-200N·m～300N·m、需求功率為-2kW～3.5kW的區(qū)域內(nèi)。
　　 4.動(dòng)力總成系統(tǒng)軟件在環(huán)仿真分析
　　 開發(fā)了純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)軟件在環(huán)仿真系統(tǒng)，用于進(jìn)行動(dòng)力總成系統(tǒng)參數(shù)匹配研究。以MATLAB/Simulink為基礎(chǔ)，搭建了包括道路工況描述模塊、車輛行駛動(dòng)力學(xué)模塊、整車控制器模塊、動(dòng)力總成關(guān)鍵部件選型模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模

11、塊、電機(jī)控制器模塊以及動(dòng)力電池組模塊在內(nèi)的動(dòng)力總成系統(tǒng)在環(huán)仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果以及與ADVISOR仿真結(jié)果的對比表明，建立的軟件在環(huán)仿真系統(tǒng)是有效的?；谒⒌姆抡嫦到y(tǒng)，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)和底盤測功機(jī)試驗(yàn)，對一輛純電動(dòng)轎車動(dòng)力總成系統(tǒng)中電池組、電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了選型匹配，實(shí)現(xiàn)了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效區(qū)域與車輛實(shí)際道路行駛工況點(diǎn)密集區(qū)域相吻合。對匹配額定功率7.5kW電機(jī)，192V/100A·h磷酸鐵鋰電池組，傳動(dòng)比6.18的車輛實(shí)測

12、結(jié)果表明，車輛40km/h勻速行駛時(shí)的續(xù)駛里程達(dá)169km；在基本城市循環(huán)工況下百公里能耗為12.01kW·h，續(xù)駛里程達(dá)160km。
　　 5.電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制單元及控制策略開發(fā)
　　 基于Infineon TC1782F微控制器和Hybrid PACK1功率模塊開發(fā)了電機(jī)控制單元，并基于矢量控制算法開發(fā)了電機(jī)控制策略，控制策略包括坐標(biāo)變換、轉(zhuǎn)子磁通角計(jì)算、電壓空間矢量扇區(qū)定位、電壓矢量作用時(shí)間計(jì)算等模塊。針對純電動(dòng)汽

13、車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)，分析了電機(jī)控制器直流母線電壓波動(dòng)、電機(jī)溫升引起的轉(zhuǎn)子電阻變化、電機(jī)高速弱磁控制、轉(zhuǎn)速控制環(huán)的PI參數(shù)整定及供電電源電壓和放電電流對電機(jī)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，并在試驗(yàn)臺(tái)上通過轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)和電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制試驗(yàn)，驗(yàn)證了電機(jī)控制系統(tǒng)的有效性。
　　 對車輛運(yùn)行模式進(jìn)行了劃分，并利用Matlab軟件中的Simulink、Stateflow建立了驅(qū)動(dòng)模式識(shí)別和轉(zhuǎn)換控制模型。設(shè)計(jì)開發(fā)了純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制策略，對加速踏板

14、信號進(jìn)行了抗干擾、防抖動(dòng)及濾波處理；車輛在穩(wěn)態(tài)模式下，采用基于車速偏差的增量式PID控制；在瞬態(tài)模式下，按照效率最優(yōu)路徑進(jìn)行控制；在失效模式下，限制電機(jī)輸出功率。為了最大限度地提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，提出了基于動(dòng)力總成系統(tǒng)效率模型實(shí)現(xiàn)車輛變工況下轉(zhuǎn)矩軌跡最優(yōu)的控制策略。模型仿真分析和實(shí)車測試結(jié)果表明，開發(fā)的驅(qū)動(dòng)控制策略是有效的。
　　 在試驗(yàn)臺(tái)上，以交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)及LiFePO4/C鋰離子電池組為研究對象，測試分析了電機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)轉(zhuǎn)

15、矩、電池組SOC及電池組溫度對能量回饋效率的影響規(guī)律；討論了電機(jī)溫度對能量回饋?zhàn)畲笾苿?dòng)轉(zhuǎn)矩的限制；針對滑行能量回饋，開發(fā)了基于動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測控制算法的滑行能量回饋控制策略，參考傳統(tǒng)車輛滑行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的阻力和電動(dòng)汽車能量回饋效率模型，確定滑行能量回饋時(shí)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩參考軌跡，在確保司機(jī)駕駛舒適性的前提下，有效回收車輛滑行時(shí)的能量；制動(dòng)能量回饋時(shí)，考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的限制，基于滑動(dòng)率合理分配機(jī)械制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力，確保車輛制動(dòng)安全性。<

16、br>　　 實(shí)測結(jié)果表明，純電動(dòng)汽車行駛過程中，駕駛特性對車輛能耗的影響很大。利用濟(jì)南市區(qū)實(shí)際運(yùn)行的純電動(dòng)物流用車，對比分析了不同司機(jī)駕車行駛時(shí)的能耗及其影響因素；對車輛加速度、車速、制動(dòng)減速度及電機(jī)過載特性等對車輛能耗的影響進(jìn)行了測試分析；在保證車輛性能指標(biāo)的前提下，通過增加電機(jī)極限參數(shù)控制模式降低了車輛能耗對駕駛特性的敏感度。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后車輛的能耗較原車最高可降低34.9％。
　　 6.匹配車輛性能的試驗(yàn)驗(yàn)證

17、>　　 對匹配開發(fā)的車輛進(jìn)行了底盤測功機(jī)試驗(yàn)和實(shí)車道路驗(yàn)證試驗(yàn)。在底盤測功機(jī)上的測試結(jié)果表明，車輛最高車速滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)ua>80km/h，城市工況下的百公里能耗為10.71kW·h，續(xù)駛里程為177km。實(shí)車道路試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)矩限值為120N·m時(shí)，車輛0～60km/h加速時(shí)間為10.88s，滿足車輛設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。對驅(qū)動(dòng)模式管理系統(tǒng)功能測試結(jié)果表明，車輛運(yùn)行模式識(shí)別準(zhǔn)確，模式間切換平穩(wěn)，整車控制策略達(dá)到了預(yù)期的效果。在底盤測功機(jī)上對動(dòng)力