电动汽车电驱动系统理论与设计,王志福 北京理工大学电动车辆国家工程 ：13702447,第三章：电动汽车电驱动系统参数匹配,电动车辆电驱动系统动力需求特性理论 驱动电机的特性 传动装置的特性 电动车辆动力性能分析 电动车辆点驱动系统参数匹配 电驱动系统的特性要求 电机参数匹配 传动装置参数匹配 电动车辆电驱动系统性能评估 汽车行驶工况 电驱动系统评价标准 电驱动系统评估方法,电动车辆电驱动系统动力需求特性理论,驱动电机的特性,电动机受车辆空间的限制，为减小车辆自重，提高车辆有效载荷的要求，电动机应该具有功率密度较大、效率较高的特点； 电动汽车在加速或爬坡时，需要电动机提供45倍的额定转矩； 在电动汽车高速行驶时，电动机应以45倍的最低转速运行； 电动汽车用电动机应根据车辆的驱动特点和驾驶员的习惯设计 电动汽车用电动机应可控性好，稳态精度高； 电动汽车用电动机要安装在行驶的车辆上，应该能够承受多变的气候条件和频繁的振动，在恶劣的环境下能够正常工作电动车辆电驱动系统动力需求特性理论,驱动电机的特性,电动机是纯电动汽车唯一的动力源，通常适用于电动车辆使用的电动机外特性为在额定转速以下，以恒扭矩模式工作；在额定转速以上，以恒功率模式工作。
电动汽车用驱动电动机的机械特性如图3-1所示，分成两个区域：恒转矩区域和恒功率区域电动车辆电驱动系统动力需求特性理论,传动装置的特性,多档或单档传动装置的应用主要取决于电动机的转速转矩特性在给定的电动机额定功率下，若其有大范围恒功率区，则单档传动装置将足以在低速情况下提供高牵引力；否则，必须采用多档传动装置图3-3表明一辆配有x=2的牵引电动机和三档传动装置的电动汽车，其牵引力随车速变化的特性其第一挡覆盖了a-b-c的车速区间；第二挡覆盖了d-e-f的车速区间；第三挡覆盖了g-f-h的车速区间图3-4表明了配置有x=4的牵引电动机和两档传动的电动汽车的牵引力特性其第一挡覆盖了a-b-c的车速区间；第二挡覆盖了d-e-f的车速区间,电动车辆电驱动系统动力需求特性理论,传动装置的特性,电动车辆电驱动系统动力需求特性理论,传动装置的特性,电动车辆电驱动系统动力需求特性理论,电动车辆动力性能分析,与内燃机汽车一样，电动车辆的动力性能用最高车速、爬坡能力和加速能力来评价. 最高车速可由驱动电机的最高转速就得 在衡量车辆的爬坡能力时，认为车辆时匀速形式的，由电动汽车形式方程： 因此，车辆所爬坡的坡度角计算公式为： 在衡量车辆的加速能力时，认为车辆是在水平路面上形式的。
此时，车辆的行驶加速度可以表达为 加速时间,V max = N m max r d 30 i g min i 0,F t = F f + F w + F i + F j,=arcsin F t F w Mg 1+ f 2,dV dt = F t F w F f M,t= 1 3.6 0 V dt dV dV= 1 3.6 0 V M F t F w F f dV,电动车辆电驱动系统参数匹配准则,电驱动系统的特性要求,电动汽车用电动机需要频繁启动和停车，并承受较大的加速度或减速度，而且要求低速大转矩爬坡，高速小转矩运行和运行速度范围宽，电动机是纯电动汽车唯一的动力源，通常适用于电动汽车试验的电动机外特性为在基速以下，以恒转矩模式工作；在基速以上，以恒功率模式工作电动车辆电驱动系统参数匹配准则,电机参数匹配,确定电机的参数主要是确定其额定功率、转矩和转速 选择的电动机的额定功率时，应该保证电动汽车能够在各种工况下运行 电动汽车以最高车速行驶消耗的功率为 电动汽车以某一速度V爬上一定坡度消耗的功率为 电动汽车在水平路面上加速行驶消耗的功率为,P v = 1 ( Mgf 3600 V max + C D A f 76140 V max 3,P i = 1 ( Mgf 3600 V+ C D A f 76140 V 3 + Mgi 3600 V,P j = 1 ( Mgf 3600 V+ C D A f 76140 V 3 + M 3600 dV dt V,电动车辆电驱动系统参数匹配准则,电机参数匹配,驱动电机转矩 M m 的选择要满足汽车起步转矩和最大爬坡度的要求。
在确定驱动电机的最大转矩时，认为车辆匀速行驶，则此时车辆的行驶方程为： 根据上一节的内容，将驱动力和各租阻力的表达式代入，得： 因此，电动机的转矩为：,F t = F f + F w + F i,M m i g i 0 r =fGcos+ 1 2 A f C D (V+ V W 2 +Gsin,M m = fGcos+ 1 2 A f C D (V+ V W 2 +Gsinr i g i 0 ,电动车辆电驱动系统参数匹配准则,传动装置参数匹配,（1）传动系速比的上限：传动系速比的上限由电动机最高转速和最高行驶车速确定 （2）传动系速比的下限：传动系速比的下限由下述两种方法算出的传递系统速比的最大值确定 由电动机最高转速对应的最大输出转矩和最大行驶车速对应的行驶阻力确定传动系速比下限为 由电动机的最大输出转矩和最大爬坡度对于的行驶阻力确定传动系的速比下限为,i 0.377 n max r v max,i= i 0 i g,i F v max r M v max,i F i max r M i max,电动车辆电驱动系统性能评估方法和标准,汽车行驶工况,按照用途来分，行驶工况可分为标准工况和非标准工况。
标准工况是由一个国家或地区通过法规形式确立的用于认证和检测等用途的行驶工况非标准工况则属于一些研究机构和汽车厂商用于特定研究用途的非法规类行驶工况 按表现形式分，行驶工况可分为瞬态和模态工况瞬态工况的速度时间曲线与车辆实际运行过程非常相似，更符合车辆实际行驶特征；模态工况的车速时间曲线主要由一些折线段组成，分别代表匀速、匀加速和匀减速等运行工况.,电动车辆电驱动系统性能评估方法和标准,汽车行驶工况,国内外汽车行驶工况 如今世界上很多国家都以标准、指令和法规等形式提出了不同车型在各种应用条件下的标准行驶工况世界范围内车辆排放测试用行驶工况主要分成三类：美国行驶工况（USDC）、欧洲行驶工况(EDC)和日本行驶工况（JDC） 1. 美国FTP75工况,电动车辆电驱动系统性能评估方法和标准,汽车行驶工况,2.欧洲NEDC工况 如今排放法规则由于更加严格控制车辆排放(考核发动机冷启动排放)，排放采样和运转工况同步，采用完整的运转工况，并称为新欧洲运转工况(简称NEDC)，其持续时间为1180s，平均速度为32.1km/h电动车辆电驱动系统性能评估方法和标准,汽车行驶工况,行驶工况在汽车设计和参数匹配中的应用 1. 确定动力性能指标 根据下表统计分析结果，以北京为例，结合市区道路的特点可以提出北京市区电动公交车的动力性能指标如下：最高车速 V max 70km/h ；050km/h加速时间 t a 25s ；最大爬坡度 i max 15% 。
电动车辆电驱动系统性能评估方法和标准,汽车行驶工况,行驶工况在汽车设计和参数匹配中的应用 2. 整车参数匹配与仿真 在进行电动汽车的整车参数匹配时，首先要以运行工况为基础，根据动力性能指标和部件自身的技术发展水平初步确定电驱动系统的部件性能要求，再根据部件的性能对汽车的动力性能进行校核，从理论上初步评价该方案是否符合设计要求和指标，然后对前面的部件性能进行修正，重复以上过程，直至达到设计目标,电动车辆电驱动系统性能评估方法和标准,电驱动系统评价标准,（二）日本 电动汽车标准的起草和制订单位在日本主要包括了日本自动车研究所（JARI）、日本电动汽车协会（JEVS）、日本电动汽车协会技术导则（JEVA），其制订的标准包括了JEVS Z107-1988 电动汽车电动机及控制器联合试验方法、JEVS Z806-1998 电动汽车术语 电机和控制装置、JEVS Z701-1994电动汽车 电动机及控制器联合驱动测量、JEVS E702-1994电动汽车 车上使用的等效电机的动力测量（扭矩和速度测量） （三）欧盟 欧盟在电动汽车及电驱动系统标准方面制订方面，既有欧盟统一的相关标准，又有各个国家根据自己具体情况而制订的国家标准。
（四）美国 在美国，负载起草和制订电动汽车及其电驱动系统相关标准的单位组织包括美国汽车工程协会燃料电池汽车标准委员会（SAE）、美国国家交通运输安全管理委员会（NHTSA）和美国电动车运输应用协会（ETA）电驱动系统评估方法,电机驱动系统综合性能评价指标,为了在常用循环工况获得较好的使用性能和较高的能量效率，目前有三种途径：通过提高各个动力系统部件各自的效率来实现，但是各个部件效率受技术水平和成本限制的程度不同，并且不同部件的效率对系统能量效率产生的影响是不一样的可能出现提高动力系统部件的效率而整体效率提高不大但成本却大大增加的现象；结合换挡策略和控制策略强制使发动机、电动机在高效率区工作,这只是一种“被动”行为,可能会产生效率提高、油耗增加的异常现象；基于电机/发动机的效率特性，使其高效率区位置和分布与经常使用的循环工况相匹配,可使发动机/电机“主动”工作在高效率区,在高效率区工作输出的功率基本全用于驱动车辆,不会产生多余的功率损失电驱动系统评估方法,电机驱动系统综合性能评价指标,1. 高效区利用率 定义为电机驱动系统效率位于某区间的工作点数量与全部工作点数量的比值，记为 高效区利用率定义为效率大于80的工作点数量与全都工作点数量的比值。
以表3-2所示的国内某混合动力汽车参数为例，结合具体行驶工况进行仿真图3-13为两种典型行驶工况，图3-14为电机驱动系统工作点分布范围电驱动系统评估方法,电机驱动系统综合性能评价指标,1. 高效区利用率 图3-15为不同工况下电机驱动系统的效率区间利用率NEDC工况下电机驱动系统效率高于80的约占87.84，效率高于90%约占21.38，FTP75工况下电机驱动系统效率高于80的约占80.66,效率高于90约占24.65从效率区间来看，FTP75工况下效率属于90, 92的百分比大于NEDC工况约为6，而80, 90的百分比小于NEDC工况约为10电驱动系统评估方法,电机驱动系统综合性能评价指标,2. 效率利用指数 为了能定量评价电机驱动系统在某一工况下的工作情况，针对不同效率区间对电机驱动系统效率发挥程度的影响，提出效率利用指数 行驶工况的特性直接影响着效率区间的利用率，分析行驶工况在不同车速区间的速度频数得到车速直方图，利用仿真得到的效率分布可以求出效率的时域响应，定义电机驱动系统伪加权效率为： 伪加权效率根据不同行驶工况下速度区间的分布情况，反映了处于不同速度区间的工作效率分布对于效率区间利用率的影响,,,,,,电驱动系统评估方法,电机驱动系统综合性能评价指标,2. 效率利用指数,,,,,,（a）NEDC行驶工况 （b）FTP75行驶工况 图3-17 电机驱动系统效率时域响应,电驱动系统评估方法,电机驱动系统综合性能评价指标,3. 系统匹配指数 将“车辆-行驶工况”作为一个系统考虑，结合效率利用指数，定量表述电机驱动系统、发动机和行驶工况的匹配程度，提出了混合动力系统匹配指数 式中： 为混合动力系统的动力混合程度； 为发动机效率利用指数； 为蓄电池效率； 为电机驱动系统效率利用指数； 为传动系效率。
电驱动系统评估方法,电机驱动系统综合性能评价指标,3. 系统匹配指数 (1) 发动机效率利用指数,,,,,,,（a）NEDC行驶工况 （b）FTP75行驶工况 图3-18 发动机系统效率时域响应,电驱动系统评估方法,电机驱动系统综合性能评价指标,3. 系统匹配指数 (2) 动力蓄电池的效率分布 库仑效率定义为动力电池的输出电量和输入电量的比值能量效率定义为输入能量和输出能量的比值 (3) 传动系的效率分布 (4) 混合动力传动系统混合程度,,,,,,,。