電動汽車概論—第五章 電動汽車關(guān)鍵技術(shù)

1、第五章電動汽車關(guān)鍵技術(shù)一、動力電池技術(shù)是目前制約電動汽車發(fā)展的瓶頸，具體體現(xiàn)在以下四個方面：1. 電池成本2. 能量密度3. 功率密度4. 循環(huán)壽命二、電機及其控制技術(shù)是目前影響電動汽車性能的關(guān)鍵因素。主要影響以下性能：1. 動力性（最高車速、加速性能、爬坡性能）2. 經(jīng)濟性（效率）3. 成本4. 壽命與可靠性。三、電動汽車電控技術(shù) 影響汽車的協(xié)調(diào)控制能力、車內(nèi)通訊能力以及系統(tǒng)可靠性。四、電動汽車輕量化技術(shù) 影響汽車的運行經(jīng)濟性和續(xù)駛里程。五、電動汽車動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配與集成技術(shù) 影響汽車的動力性、經(jīng)濟性、平順性、可靠性、成本等性能。（一）AVL 整車性能模擬分析軟件介紹AVL 公司是一家在

2、世界汽車、發(fā)動機行業(yè)擁有極高知名度的高科技公司。AVL 的先進模擬技術(shù)部門致力于開發(fā)動力總成及整車的設(shè)計分析軟件平臺，并負責該平臺上各個軟件在全球的銷售、技術(shù)支持，以及小型的計算項目（此類項目的計算工作以客戶為主，AVL 工程師為輔，著力于培養(yǎng)客戶工程師）?，F(xiàn)在國內(nèi)汽車、發(fā)動機行業(yè)內(nèi)擁有近300 個正式用戶。AVL 公司的先進模擬技術(shù)部門充分認識到軟件只是一個工具，我們的客戶更需要源源不斷的專業(yè)技術(shù)支持。因此，我們的技術(shù)專家不但能夠熟練地操作軟件，更具備深厚的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗。這是AVL 軟件部門在國內(nèi)同行中最具競爭力同時也得到客戶廣泛認可的方面.下面就以下幾個方面對AVL 整車分析軟件CRUIS

3、E 進行介紹:產(chǎn)品技術(shù)說明AVL CRUISE 軟件是用于車輛系統(tǒng)動力學仿真分析的高級軟件，可以輕松實現(xiàn)對復(fù)雜車輛動力傳動系統(tǒng)的仿真分析，通過其便捷通用的模型元件，直觀易懂的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及基于工程應(yīng)用開發(fā)設(shè)計的建模流程和軟件接口，AVL CRUISE 軟件已經(jīng)成功的在整車生產(chǎn)商和零部件供應(yīng)商之間搭建起了溝通的橋梁。1) CRUISE-車輛基本性能的分析和評價工具AVL CRUISE 軟件界面友好，用戶容易理解、使用和掌握，結(jié)果分析直觀，易懂。便捷的建模方法和模塊化的建模手段使得不同項目組可以對模型進行方便快捷的整合。可以快速搭建各種復(fù)雜的動力傳動系統(tǒng)模型，可同時進行正向或逆向仿真分析；主要物

4、理模型及算法AVL CRUISE 軟件采用拖拽式建模方法，可以方便的按照用戶的需求搭建所需要的模型，CRUISE 內(nèi)置元件庫由以下部分組成：車輛元件庫（Vehicle Library）：包含普通車輛，半掛車，全掛車，可以實現(xiàn)對所有車輛模型的快速建模；發(fā)動機元件庫（Engine Library）：包含了普通發(fā)動機，與AVL BOOST 軟件接口發(fā)動機斷缸熄火控制發(fā)動機等元件，可以實現(xiàn)對發(fā)動機特性的仿真分析；離合器元件庫（Clutch Library）：包含干式離合器，硅油離合器，液力變矩器，自動離心式離合器等元件，可實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)離合器部分的精確仿真；變速箱元件庫（GearBox Library

5、）：包含變速箱，單級齒輪傳動機構(gòu)，差速器，行星齒輪系，雙離合器變速箱（DCT），自動變速器（CVT）等元件，可實現(xiàn)對變速系統(tǒng)的仿真分析；電氣附件元件庫（Electric Library）：包含附件電動機，發(fā)電機，電池組，電阻，電氣終端等元件，可以仿真車輛的電氣附件；混合動力元件庫（Hybrid Library）：包含混合動力電機（電動/發(fā)電），動力電池組，超級電容器，DC/DC 轉(zhuǎn)換器等元件，可實現(xiàn)對純電動汽車，混合動力電動汽車以及燃料電池電動汽車的仿真分析；控制元件庫（Control Library）：包含離合器控制程序，變速箱控制程序，AMT 控制，DCT控制，發(fā)動機起?？刂?，發(fā)動機斷缸控

6、制，制動控制，CVT 控制，驅(qū)動防滑控制，PID 控制，可以實現(xiàn)模型中主要元件的系統(tǒng)控制；制動元件庫（Brake Library）：包含制動器和緩速器，可實現(xiàn)對車輛制動工況的仿真分析；附件元件庫（Auxiliary Library）：包含風扇和油泵，可實現(xiàn)對發(fā)動機外載附件系統(tǒng)動力消耗的仿真分析；特殊元件庫（Special Library）：包含駕駛室（Cockpit），跟Matlab 的接口（API，DLL，Interface），跟Excel 的接口，監(jiān)視器，跟KULI 的接口，跟Flowmaster 的接口，跟AVLDRIVE 的接口，跟標準C 語言的接口（BlaceBox），函數(shù)（Func

7、tion），圖表（Map）等23 個元件，主要提供了CRUISE 跟第三方軟件的接口程序；車輪元件庫（Wheel Library）：提供車輪元件；宏元件庫（Marco Library）：給用戶提供了自定義元件庫的可能。AVL CRUISE 設(shè)計了大量的內(nèi)置計算任務(wù)和不同的計算方法，這些任務(wù)和方法都是為汽車工程專門設(shè)計的。根據(jù)計算任務(wù)的不同，可以采用不同的計算模式。在CRUISE 中，不同的計算任務(wù)采用不同的計算模式。（1）靜態(tài)計算模式（Stationary Calculation）靜態(tài)計算模式用于不考慮時間影響的性能分析。在靜態(tài)計算中，每一個步長都是穩(wěn)態(tài)條件下的計算，即對于每一個步長加速度均為

8、零。舉例來說，這樣你可以計算每個發(fā)動機轉(zhuǎn)速和擋位下的最大爬坡度（結(jié)果表示為與車速的關(guān)系，其中考慮了比如輪胎滑移等影響因素）。（2）準靜態(tài)計算模式（Quasi-stationary Calculation）該計算模式用于與時間相關(guān)的計算分析，比如循環(huán)工況計算（Cycle Run）等。準靜態(tài)計算模式（也可以稱為“逆向工程”）中，目標值是準確定義的，需要的驅(qū)動工作點是可計算的。在準靜態(tài)計算中，其穩(wěn)態(tài)條件與靜態(tài)計算模式相同。與靜態(tài)計算模式相比，可以存在加速度，但是被固定為某一定值。這樣就可以計算循環(huán)工況和滿負荷加速工況。車輛的運動變量（比如，行駛循環(huán)中的車輛加速度）是預(yù)先定義好的。計算中沒有控制器，計

9、算是非常高效的。（3）仿真計算模式（Simulation）與準靜態(tài)計算模式相比，仿真模式更真實地模擬了模型的實際響應(yīng)。對于仿真實際的行駛循環(huán)，仿真模式采用了一個駕駛員模型來形成控制環(huán)。在這種情況下，模塊之間的鏈接可以是剛性的，也可以是彈性的。典型應(yīng)用a. 循環(huán)工況分析該任務(wù)的主要作用是計算循環(huán)工況（如，NEDC、FTP72 等）中油耗和排放的情況。常用的行駛循環(huán)在軟件中已經(jīng)預(yù)先定義。如需定義其他的行駛循環(huán)，可以通過圖形編輯器方便地定義。行駛循環(huán)可以是時間相關(guān)的，也可以是路程相關(guān)的。b. 爬坡性能分析該任務(wù)用于計算車輛的最大爬坡度。不同擋位下的最大爬坡度也可以得到。此外，可以定義不同的測量點，用

10、于輸出在該車速下的計算結(jié)果。c. 穩(wěn)態(tài)行駛工況分析該任務(wù)用于計算穩(wěn)定行駛時車輛的燃油消耗和排放性能。該任務(wù)計算每一檔位下，整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)車輛的性能。另一個功能是計算理論和實際最高車速，這是通過改變主傳動比實現(xiàn)的，在結(jié)果中也輸出了獲得理論最高車速的傳動比變動系數(shù)。d. 滿負荷加速性能計算該任務(wù)包括三項子任務(wù)：最大加速度計算: 計算每一個檔位下，發(fā)動機整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大加速度。原地起步加速性能：計算連續(xù)換擋條件下，車輛原地起步的加速性能。通過定義測量點，結(jié)果可以輸出，如原地起步從0 加速到100km/h 時的加速時間或從0 加速到一定里程的加速時間。測量點可以是速度相關(guān)、距離相關(guān)或時間相關(guān)

11、的。對于每一各測量點，輸出結(jié)果都包括：加速時間、實際擋位及發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速等。超車加速性能：從一定的起始車速，在一定的擋位加速到給定的目標車速時的加速性能。如果把目標車速定義為測量點，則可以同時計算目標車速的超車加速性能（起始車速相同）。e. 最大牽引力計算該任務(wù)可用來繪制驅(qū)動力行駛阻力平衡圖、功率平衡圖等。該計算任務(wù)與爬坡性能計算類似。計算任務(wù)在每一個檔位下，發(fā)動機整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)計算。f. 巡航行駛工況巡航行駛工況與循環(huán)工況計算非常相似。主要差別在于：巡航行駛工況的行駛規(guī)范中定義的是與距離相關(guān)的速度限制，且不允許超速。循環(huán)運行的行駛規(guī)范中定義的速度是行駛的目標速度。另一個不同點是巡航行駛工況

12、計算中車輛的加速度不能超出定義的最大加速度和最大減速度。巡航行駛工況計算可設(shè)定兩城市間的行程（有路段限速、高度變化等）進行計算，并可計算總體燃油消耗。g. 制動/滑行/倒拖該任務(wù)用于計算車輛制動性能。計算中需要定義是否換擋和實際制動力。通過改變某些參數(shù)也可進行車輛滑行分析，以檢驗汽車模塊中行駛阻力的設(shè)定是否正確。2) CRUISE-車輛傳動系統(tǒng)的匹配及參數(shù)優(yōu)化平臺借助于CRUISE 內(nèi)置的Matrix Calculation 和Components Variation 功能，可方便的根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動力性、經(jīng)濟性或排放性指標，可以對模型中的參數(shù)進行快速優(yōu)化組合，并可以對動力傳動系統(tǒng)進行匹配優(yōu)化（

13、DOE 參數(shù)化研究和多動力總成匹配研究）；典型應(yīng)用a. 動力總成匹配基于CRUISE 的Components Variation 功能，可以對多發(fā)動機，變速箱，主減速器，輪胎等總成元件進行匹配，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動力，經(jīng)濟和排放性指標在匹配結(jié)果上進行合理選型。b. 參數(shù)優(yōu)化匹配基于CRUISE 的Components Variation 功能，可以對多發(fā)動機，變速箱，主減速器，輪胎等總成元件進行匹配，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動力，經(jīng)濟和排放性指標在匹配結(jié)果上進行合理選型。3) CRUISE-概念新車的分析評價平臺內(nèi)置混合動力模塊，在基于傳統(tǒng)車輛模型的基礎(chǔ)上可以快速搭建純電動汽車（EV）或混合動力車輛（HEV

14、）模型，并可通過與Matlab（API，DLL，Interface）或C（BlackBox）語言的接口實現(xiàn)整車控制策略的設(shè)計開發(fā)；內(nèi)置能量分配管理監(jiān)測功能EFG，可方便的實現(xiàn)基于控制策略的能量分配和管理特性的研究；內(nèi)置Function 函數(shù)，兼容C 語言的程序格式，使用戶在不需要第三方程序的前提下便捷的進行相關(guān)控制策略的設(shè)計和開發(fā)；4) CRUISE-先進動力傳動系統(tǒng)的分析評價平臺針對乘坐舒適性的提高及新能源汽車的逐步推廣，新型動力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用及其控制策略的研究也日益廣泛，目前國內(nèi)的汽車廠家大多是對AT 和AMT 進行研究，而DCT 的研究也在慢慢展開，而摩托車行業(yè)中CVT 的應(yīng)用也較為廣泛

15、；CRUISE 軟件獨有的GSP（Gear ShiftingProgram）模塊是內(nèi)置于AVL CRUISE 軟件中的用于自動變速箱換擋規(guī)律生成以及優(yōu)化功能的高級模塊，CRUISE GSP 功能可以幫助整車及零部件廠家實現(xiàn)自動變速箱車輛前期預(yù)開發(fā)階段對動力總成的合理選型，以及在開發(fā)后期的傳動系統(tǒng)控制單元（TCU）的標定區(qū)域的劃分。CRUISE GSP包含以下兩部分內(nèi)容：GSP Generation：自動變速箱換擋規(guī)律的生成功能，該功能基于CRUISE 環(huán)境中已有的車輛模型，可以對車輛所有可能運行的工作區(qū)域進行分析，考慮檔位、油門開度、路面坡度、液力變矩器的狀態(tài)等一系列參數(shù)；同時考慮經(jīng)濟性駕駛需

16、求、經(jīng)濟性和動力性駕駛需求、動力性駕駛需求、強動力性駕駛需求。GSP Optimization：自動變速箱換擋規(guī)律的優(yōu)化功能，該功能基于CRUISE 環(huán)境中已有的車輛模型，可以對車輛所有可能運行的工作區(qū)域進行分析，考慮檔位、油門開度、路面坡度、液力變矩器的狀態(tài)等一系列參數(shù)；同時考慮經(jīng)濟性和排放性的指標要求，可根據(jù)不同的工況特性進行變速箱換擋特性的優(yōu)化，其自動生成的K 因子可以讓用戶方便的實現(xiàn)經(jīng)濟性和排放性的平衡需求。5) CRUISE-復(fù)雜條件下車輛性能的分析評價平臺（從SIL 到HIL）可以與硬件系統(tǒng)（如：AVL In-Motion，dSPACE，ETAS 等）進行聯(lián)合仿真，滿足用戶對于車輛

17、系統(tǒng)動態(tài)實時（Real Time）仿真分析的需求；可對動力總成及其相關(guān)聯(lián)的ECU 控制策略進行分析和調(diào)試，實現(xiàn)車輛動力學的快速原型開發(fā)（RCP）和硬件在環(huán)仿真功能（HIL），極大的提高了開發(fā)效率并縮短了開發(fā)流程；a. 動力總成的分層建模提出了動力總成分層建模的方法，可以將動力總成的不同元件搭建在用戶自己設(shè)定的不同層中，使得建模過程更加直觀和便捷，可獨立對動力總成中某一部件進行仿真分析（無須搭建整個車輛模型），極大的降低了對于車輛建模所需參數(shù)的要求；可根據(jù)用戶自定義的目標參數(shù)，對駕駛員模型進行系統(tǒng)優(yōu)化分析；b. 混合動力系統(tǒng)總成測試􀂗制動系統(tǒng)性能評價(如：能量回收制動)

18、48727;制動穩(wěn)定性測試(對開路面,彎道測試)􀂗操縱穩(wěn)定性測試(ABS & ESP)􀂗驅(qū)動防滑控制(ASC,扭矩動態(tài)分配)􀂗用戶自定義測試(按照相關(guān)測試規(guī)范進行)c. 動力總成延伸性分析􀂗復(fù)雜路況下的燃油經(jīng)濟性分析􀂗換檔品質(zhì)評價􀂗行駛平順性分析6) 軟件的后處理及接口特性6.1) 軟件的后處理AVL CRUISE 軟件有完善的后處理系統(tǒng)，針對不同的計算任務(wù)提供了與之相對應(yīng)的計算結(jié)果，計算結(jié)果可以采用ASCII，GIDAS，MAT 或EFG 格式保存，方便用戶對計算結(jié)果進行二次后處理。CRUISE 的計算結(jié)果有文本和圖形兩種表示方式：文本計算結(jié)果：圖形計算結(jié)果（Cycle Run 為例）􀂗富裕度示意圖（Abundance）：發(fā)動機工作點示意圖􀂗聚合度示意圖（Condensation）：發(fā)動機14 工況測試圖􀂗工作點萬有特性分布圖（Driving Time Distribution）：工作點分布比例