純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池匹配技術(shù)的研究

田偉

摘要：為了使汽車能夠在各種路況下安全勻速行駛，采用磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力源，通過ADVISOR對(duì)純電動(dòng)汽車中電池與整車系統(tǒng)進(jìn)行研究。同時(shí)，利用國(guó)外UDDS與NEDC對(duì)匹配度進(jìn)行仿真分析，在符合汽車動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，采用多種方案對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，最終獲得一套較為完善的與所研究電動(dòng)汽車相匹配的方案。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)；汽車動(dòng)力；電池匹配技術(shù)

引言：

現(xiàn)階段，我國(guó)新能源汽車層出不窮，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2015年新能源汽車的銷售總量已經(jīng)大于70萬，在全球新能源汽車市場(chǎng)中居于首位。目前，新能源汽車主要為電動(dòng)汽車，但是在動(dòng)力性能與續(xù)航能力方面存在一定的缺陷與不足，因此在符合汽車動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上，采用何種匹配方式能夠節(jié)省大量能源消耗屬于新的研究課題。

1.整車數(shù)學(xué)模型的建立

在本文的研究中，針對(duì)某種純電汽車模型，建立整車數(shù)學(xué)模型，將電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)作為傳動(dòng)系，車輛行駛過程中的狀態(tài)方程可以表示為：

式中，Tc代表的是電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Cd代表的是風(fēng)阻系數(shù)；ig代表的是汽車變速箱速比；i0代表的主減速比；代表的是傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)效率；A代表的是車輛在正向行駛的過程中，迎風(fēng)部分總面積；代表的是質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。通過上述公式能夠得出車輛在行駛過程中的狀態(tài)通用方程：

Pa≥1/

其中1/的計(jì)算方式為：

式中，Pa代表的是車輛在行駛的過程中所需要花費(fèi)的功率；f代表的是汽車輪胎滾動(dòng)過程中產(chǎn)生的阻力系數(shù)；ua代表的是汽車行駛速度；g代表的是重力加速度；m代表的是整車質(zhì)量；代表的是道路的坡度大小。在上述公式中，主要計(jì)算的是車輛在行駛的過程中，針對(duì)電機(jī)輸出功率建立的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)功率數(shù)值得到充分滿足之時(shí)，才能夠使電動(dòng)汽車的動(dòng)力需求得到充分滿足。

在對(duì)整車動(dòng)力性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，車輛的最高車速屬于關(guān)鍵指標(biāo)，能夠充分體現(xiàn)車輛的加速性能。對(duì)于純電動(dòng)汽車來說，其動(dòng)力主要來源于電機(jī)，當(dāng)處于高速狀況下時(shí)，電機(jī)在恒功率的狀態(tài)下，將會(huì)輸出轉(zhuǎn)矩。因此，對(duì)于電機(jī)來說，其最大功率應(yīng)與路況相結(jié)合，以在理想道路狀況的情況下，車輛勻速行駛的過程中，產(chǎn)生的阻力來決定，表達(dá)公式為：

Pm≥1/

式中，Pm代表的是最大輸出功率；Umax代表的是車輛在行駛中的最大速度。

當(dāng)車輛處于行駛過程中時(shí)，車速受電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制較為明顯，并且最高轉(zhuǎn)速應(yīng)與最高車速相對(duì)應(yīng)，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算時(shí)，公式為：

Nm≥i0ihumax/0.337r

在本文的研究中，純電動(dòng)汽車的主要參數(shù)為：整車質(zhì)量M0為1400/kg；，滿載質(zhì)量M的數(shù)值為1780/kg；風(fēng)阻系數(shù)Cd的數(shù)值為0.30；迎風(fēng)面積A的數(shù)值為2.1/m2；滾動(dòng)半徑r的數(shù)值為0.432/m；主減速比i0的數(shù)值為5.926；滾動(dòng)阻力系數(shù)f的數(shù)值為0.021；通過上述公式的計(jì)算后可以得出電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，在充分符合整車動(dòng)力的基礎(chǔ)上，采用交流永磁同步電機(jī)的方式作為整車電機(jī)，具有體積小、質(zhì)量輕等特征，與本車電機(jī)的使用需求充分符合[1]。

2.磷酸鐵鋰電池的功率匹配

在純電動(dòng)汽車的行駛過程中，電池輸出功率要高于輸入功率與車載設(shè)備輸入功能的總和。對(duì)于不同路況進(jìn)行分析以后，在最大車速狀態(tài)下，在純電動(dòng)汽車工作過程中，電機(jī)產(chǎn)生的需求最大，這時(shí)整車電器功率為1.5kw，輸入功率為70.31kw，輸出功率為71.81kw；當(dāng)?shù)退倥榔逻^程中，坡度為20%時(shí)，電機(jī)應(yīng)輸出較大的轉(zhuǎn)矩，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算可以得出電機(jī)輸入功率為65.95kw，這時(shí)整車電器功率為1.5kw，輸出功率為65.45kw；在車輛啟動(dòng)和處于高速行駛狀態(tài)下時(shí)，電機(jī)工作處于額定功率上下，此時(shí)磷酸鐵鋰電池的輸出功率為47.55kw，模型表達(dá)式為：

Pa≥Pv+Pm

式中，Pa代表的是磷酸鐵鋰電池輸出的總功率大?。籔m代表的是車輛電機(jī)的輸入功率大小；Pv代表的是車輛電器系統(tǒng)中的輸入功率；按照相關(guān)理論計(jì)算研究可知，與電池保護(hù)相結(jié)合后，能夠使車輛的動(dòng)力性能得到充分滿足；當(dāng)SOC的數(shù)值小于0.1時(shí)，對(duì)車輛進(jìn)行保護(hù)，使車輛難以正常啟動(dòng)，并且勻速行駛；當(dāng)SOC的數(shù)值出于0.1到0.6之間時(shí)，需要對(duì)車輛的行駛速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過調(diào)查分析后能夠得出，磷酸鐵鋰電池輸出功率的最佳范圍在于4.75-71.81kw[2]。

3.整車與動(dòng)力電池的仿真分析

3.1整車模型構(gòu)建與仿真

在ADVSOR仿真界面中，選取純電動(dòng)汽車模型，然后在仿真界面中進(jìn)行分析。按照該電動(dòng)汽車的需求，選擇Vehicle選項(xiàng)，對(duì).m文件中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，包括風(fēng)阻系數(shù)、質(zhì)量等。在對(duì)整車進(jìn)行仿真時(shí)，在相應(yīng)頁(yè)面中來完成，將#of cycle的循環(huán)次數(shù)設(shè)置成12次，仿真步長(zhǎng)為1s，為了對(duì)車輛的動(dòng)力性能進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，在爬坡與加速測(cè)試的過程中，坡度應(yīng)為20%，并且得出在設(shè)定的各項(xiàng)是指基礎(chǔ)上，整車的仿真參數(shù)。將UDDS與NEDC兩種背景下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下，UDDS路況下電池的續(xù)航能力更有優(yōu)勢(shì)，但是在NEDC路況下，與最大車速相比來看，路況優(yōu)勢(shì)更加明顯。在加速度與怠速時(shí)間方面幾乎相同。

3.2動(dòng)力電池仿真

在對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行匹配以后，UDDS與NEDC兩種路況進(jìn)行分析以后，通過研究結(jié)果可知：在NEDC路況中，0-800s范圍內(nèi)，加速效率的發(fā)展趨勢(shì)較為穩(wěn)定，以50km/h的速度浮動(dòng)，在最后400s之內(nèi)，對(duì)特定的路況實(shí)施加速，并且當(dāng)最高時(shí)速超過120km/h時(shí)，將達(dá)到最為理想的計(jì)算效果，這將充分說明在NEDC路況下時(shí)，動(dòng)力電池與整車之間的匹配效果最為良好；在UDDC路況下時(shí)，0-200s范圍內(nèi)，車輛的速度在50km/h左右，當(dāng)200-300s范圍時(shí)，對(duì)最高車速進(jìn)行測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果作為良好，然后車速將始終以50km/h的速度浮動(dòng)，使仿真效果一直處于理想狀態(tài)，由此可見，在UDDS中動(dòng)力電池的匹配性良好。

結(jié)論：

綜上所述，在本文的研究過程中，采用ADVISOR的方式構(gòu)建整車模型，與匹配需求相結(jié)合后，建立數(shù)學(xué)模型，并且在UDDS與NEDC兩種工況下對(duì)整車進(jìn)行分析，通過測(cè)試結(jié)果顯示，磷酸鐵鋰電池能夠與電動(dòng)汽車之間產(chǎn)生良好的匹配性，充分滿足用戶的使用需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]武仲斌. 考慮電動(dòng)空調(diào)能耗的純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配[D]. 重慶大學(xué)，2015.

[2]吳雪. 純電動(dòng)轎車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法研究[D]. 吉林大學(xué)，2015.

[3]張方強(qiáng). 增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真優(yōu)化研究[D]. 浙江大學(xué)，2017.