电动车辆设计方案中的匹配理论研究pdf.docx

1、电动车辆设计方案中的匹配理论研究pdf第 22卷第 6期 北京理工大学学报 Vol. 22No. 6 2002年 12月JournalofBeijing InstituteofTechnology Dec. 2002文章编号 : 100120645 (2002 0620704204电动车辆设计中的匹配理论研究影响因子综合评价法Z详细讨论和评价了两种典型的电动车辆用电池组连接方案证了该匹配理论的正确性讨论了电池组容量选择对电动车辆整车动力性和续驶里程的影响,提出了一种合理配备电池组容量的方何洪文 ,余晓江 ,孙逢春 (北京理工大学车辆与交通工程学院 ,北京 100081摘要 :法Z定义了车辆动力

2、性和续驶里程影响因子 ,给出了相应的计算公式 ,建立了相应的匹配原则 Z通过对 BJD 61002EV电动公交车的匹配计算 ,验Z该匹配方法可用于指导电动车辆的设计 ,特别是电池组容量的匹配设计和连接方案的设计 Z关键词 :电动车辆 。电池容量 。续驶里程 。匹配中图分类号 : U 46312文献标识码 :A A Study on theMatchingDesign of Electric Vehicles HE Hong2w en,YU Xiao2jiang,SUN Feng2chun (SchoolofVehicle and Transportation Engineering, Beij

3、ing Instituteof Technology, Beijing 100081, China Abstract: Influenceofbatterypacksparametersontheperformanceandrangeofelectricvehicles isdiscussed. Amethodto selectbatterypacksparametersreasonablyisputforward, namelya method of combined evaluation of the influence factors. The influence factor of v

4、ehicle perfor2 manceandthatofvehiclesdriving rangearedefined, andthemethodsofcalculationarelisted. Two typical schedules of connection for the battery pack are also discussed and evaluated. From thematching designpracticeofBJD 61002EV , the reasonabilityofmethodofmatching isverified. Thedesignmethod

5、canbeused toguide thecapacitydesignofelectricvehicles. Key words: electric vehicle。 battery capacity。 driving range。 matching由于电动车辆使用了可再生能源并且实现了零能量较低 ,使得电池组占整车质量的百分比较大 ,严排放行驶而成为 21世纪的重要交通工具 1 ,但电动重影响到电动车辆的动力性和续驶里程 3, 4 Z实现电车辆至今仍难于推广使用 ,其中的一个重要原因就池组容量选择和整车动力性与续驶里程之间的合理是车载能源问题 2 Z使用高性能的镍氢电池组、锂离匹配成为电动车

6、辆设计中需要考虑的一个重要问子电池组等作车载能源 ,整车质量较小 ,可满足车辆题Z 对动力性和续驶里程的要求 ,但电池组价格过高、技术不成熟 ,而且每个电池单体性能一致性较差 ,严重1电动车辆动力性能计算影响了电池组的使用寿命 Z使用技术比较成熟、价格与普通车辆相似 ,电动车辆的动力性主要用 3 较低的铅酸电池组作车载能源 ,由于电池组自身比收稿日期 : 2002 03 07基金工程 :国家 “863”计划工程 (2002AA 501800作者简介 :何洪文 (1975- ,男,博士生 。孙逢春 (1958- ,男,教授 ,博士生导师 ,长江学者 第 6期 何洪文等 :电动车辆设计中的匹配理论

7、研究CDA 2dva a+ D(m a+ m b , 为滚kW hkm (1 -1 21115v 316d t式中 F为车辆行驶总阻力 , N 。 m b为电池组A动阻力系数。 A为坡道角,(。 CD2。 v a为行驶车速, km h 辆旋转质量换算系数Z为迎风面积 ,m -1。 D为车质量 , kg。 m a为除去电池组的整车质量 为空气阻力系数。, kg。 f3电池组容量选择方面的指标评价 ,即:最高车速 v am ax、加速时间 t和最大爬坡度 imax5Z为体现出电池组对车辆动力性的影响 ,计算过程中对电池组进行单独考虑 Z F =(m a+ m b g co sAf +(m a+ m

8、 b g sinA+ 车辆最高车速计算 : F t(nm F (v a , nm nmmax , (2rnm v a= 01377 ,io 式中 nm为主驱动电动机的工作转速 ,rm in -1。 F t为主驱动电动机以最大限流工作时车辆获得的驱动力 ,N。 nmm ax为主驱动电动机的最高工作转速 , rm in -1。 r为车轮半径 ,m。 i0为主减速器速比 Z满足式 (2的车速最大值即为反映车辆动力性的指标 v am ax Z车辆加速时间计算 : v21d t t=dv a= v1dv a3161 v2 D(m a+ m b dv a,316v1 CDAv a2 F t-(m a+ m

9、 b gf 21115 (3式中v1为加速行驶起始车速,kmh-1。 v 2为加速行驶终止车速 , km h-1Z车辆爬坡度计算 : CDAv a2 F t21115 -i= tanA= tan arcsin (m a+ m b g 1+ f 2 arctan (f (4Z 2电动车辆续驶里程计算续驶里程是反映电动车辆行驶性能的一个重要指标 ,为反映出电池组容量对续驶里程的影响 ,采用如下计算方法 : Em bW b s= ,(5e (m a+ m b e0 式中 E为电池组充满电时的总能量 , kW h。 e为电动车辆单位里程能耗 t-1Z , kW hkm -1。W b为电池比能量 ,W

10、hkg -1。 e0为电动车辆行驶的比能耗 , 电池组容量的选择一方面影响车辆行驶的续驶里程 ,另一方面也影响到车辆的整车质量和行驶动力性 Z为更加直观地反映出这种影响程度 ,定义车辆动力性影响因子 ND和续驶里程影响因子 NE,即: ND= vam ax 或 ND= t0 或 ND= imax , (6 v am ax0tim ax0 s E= (7Ns0 Z 式中 v am ax , t, im ax和 s分别为取不同的电池组容量时车辆的最高车速、加速时间、最大爬坡度和续驶里程。 v am ax0 , t0, im ax0和 s0分别为设计目标中要求的车辆行驶最高车速、允许的最大加速时间、

11、最大爬坡度和续驶里程 Z电池组容量选择应同时满足 NE 1和 ND 1Z 4计算和设计实例以北京理工大学研制开发的电动公交车 BJD 61002EV为计算实例 Z BJD 61002EV选用了两种类型的电池 (锂离子电池和铅酸电池 ,并且在公交线路上进行了运营实验 ,能耗实验结果如图 1Z由图 1的实验结果得到 BJD 61002EV整车的市区行驶平均比能耗为 01065 kW hkm -1 t-1Z作者仅对铅酸电池组的容量选择和配重进行讨论Z铅酸电池比能量取为 35 W hkg -1Z取不同的电池组容量 (或质量 值得到的整车性能指标如图 2所示 ,加速时间取直接挡 ,起步加速至 60 km

12、 h-1的时间 Z该车基本参数如表 1, T m ax为工作转矩最大值 Z由图 2的计算结果知 ,改变电池组的质量和容量对车辆的最高车速影响较小 ,可以不予考虑 ,但对车辆的爬坡度、加速时间以及续驶里程都有较大的影响 Z现采用定义的车辆动力性影响因子 ND和续驶里程影响因子 NE表示电池组质量和容量对车辆性 北京理工大学学报第 22卷(a耗电容量C与行驶里程sa关系曲线(b耗电能量E a与行驶里程sa关系曲线(c单位里程能耗 e与行驶里程 sa关系曲线 (d比能耗 e0与行驶里程 sa关系曲线图 1市区公交线路运营时 BJD 61002EV能耗特性实测结果 F ig. 1Energy cons

13、umption ofBJD 61002EV when run on urban route (a vam ax与电池组质量 m b(容量 C b关系曲线 (b t与电池组质量 m b(容量 C b关系曲线 (c im ax与电池组质量 m b(容量 Cb关系曲线 (d s与电池组质量 m b(容量 C b关系曲线图 2电池组质量 (容量 对车辆性能的影响程度计算 F ig. 2Resultsofcalculationofbatterypackcapacityand itsweightonvehicleperformance 第 6期何洪文等 :电动车辆设计中的匹配理论研究表 1BJD 6100

14、-EV电动公交车技术参数 6 Tab. 1Technicalparametersof BJD 6100-EV transit bus 尺寸 m主驱动电机 m a.kg长宽.高轮胎型号P .kW nm .(rm in-1 T m ax.(N m 12 442 10165 2150 3109 10100R 20216PR 75.125 2 000.2 500 1 050能的综合影响程度 ,如图 3所示 Z设计目标值 s0= 120 km , t0= 48 s, imax0= 20% Z(a先并后串 (b先串后并图 4电池组连接方案 F ig. 4Connection schedules of ba

15、ttery pack for EV application单个电池的损坏会导致其他支路电池的深放电 ,但这种情况可通过电池组能量管理系统来避免 Z另外 ,该连接方式可方便地采用能量管理系统实现对电池组的均衡充电和避免电池组工作过程中的深度放图 3影响因子 N与电池组质量 m b(容量 Cb关系曲线 F ig. 3Curves of influence factors to battery packs capacity andweight由图 3结果知 ,同时满足 NE 1和 ND 1的电池组质量和容量范围即可选择的电池组参数范围为 3 568m b 4 357,325C b 397Z (8在

16、BJD 61002EV的设计中 ,电池组容量取值为 300 A h,电池组总质量为 3 290 kgZ整车具有比较好的动力性能 ,但牺牲了续驶里程 ,这是对车辆总体布置和现有可选择的电池容量综合考虑的结果 Z 5电池组连接方案分析为实现大容量和高电压 ,并兼顾电池的最大允许放电电流 ,需要多个电池以串、并联的连接方式组合作车载能源 Z具体的连接方案对电池的放电能力 ,对电池组的能量管理系统等有显著影响 ,进而影响到电池的使用寿命和电动车辆的续驶里程 Z两种典型的连接方案如图 4Z图 4a所示方案采用先并联后串联的连接方式 ,系统工作的可靠性好 ,即单个电池损坏对整个电池组中其他电池的影响较小

17、Z但由于难于对电池的充、放电进行均衡管理 ,电池组本身的一致性差异在使用过程中会逐渐加大 ,最后导致个别电池过早损坏 图 4b所示方案采用先串联后并联的连接方式 Z, 电Z具体措施为在放电时实时监控电池组单体端电压,若出现电池单体电压低于截止工作电压就给出报警信号 ,提示给电池组充电 Z充电时采用各个串联支路分别充电法 ,并监控各个电池状态 。若出现某个电池过充就自动停止对该电池的充电 ,直至所有电池都完全充满电 。最后采用涓流充电方式均衡电池单体间充电电量间的差异 Z BJD 61002EV电动公交车采用了 32个铅酸电池串联为 1组,3组这样的电池组并联的连接方案 ,即采用了图 4b中的方

18、案 Z 6结论讨论了电池组容量和质量选择对电动车辆动力性能和续驶里程的影响关系 ,得出的结论是 :随着电池组容量取值的增加 ,整车质量增加 ,动力性能下降 ,续驶里程增加 。定义了车辆动力性影响因子 ND和续驶里程影响因子 NE,提出了电池组容量选择和匹配理论 。通过对 BJD 61002EV电动公交车的参数计算 ,得到了电池组容量选择的范围 ,并与实际设计值进行了对比分析 。分析了两种典型的电池组连接方式的优缺点 ,认为采用先串联成组再并联的连接方案便于对电池组实现均衡充电和避免深度放电 Z (下转第 726面 图6改进随机采样法与原随机采样法引入(1 : 19-2 Savage G. 图6

19、改进随机采样法与原随机采样法引入(1 : 19-2 Savage G. 北京理工大学学报第 22卷F ig. 6 误差功率谱对比original random 2samplingPower error comparison between improved and 谱,引入的误差等效于功率谱密度为 61210-6 g 2.Hz的加速度中的白噪声 Z改进的随机采样新方法和原随机采样法一样可以替代原常规高频预补偿算法 ,以消除加速度计二次非线性整流误差 Z新采样法在算法复杂程度和计算量稍有增加的情况下 ,引入的误差是强度更弱的白噪声 ,对导航精度的影响更小 Z作为消除惯导系统部件设计的某些限制条件

20、和进一步降低成本的尝试 ,新随机采样法提供了一种有效而且简单的新思路 Z参考文献 : 1丁赛英 .随机采样技术在惯性导航系统误差补偿中的应用 J .舰船导航 , 1992, 12 (1: 19-25. DingSaiying(inChineseStrapdown . Random samplingmethodsapplication in inertialnavigation J. VesselNavigation, 1992,12 25. inertial navigation integration algorithm design (part 2:Velocityandpositiona

21、lgo2 rithmsJ. JournalofGuidance, ControlandDynam 2 ics, 1998, 21 (2: 208-221. 3李瀚荪 .电路分析基础 .下册 M .北京 :高等教育出版社, 1987. L i Hansun. Circuit analysis (part 2 M . Beijing: Higher Education Press, 1987. (in Chinese 4刘晓光 ,谢玲 ,戴亚平等 .一种新的惯性 .GPS组合导航系统随机干扰处理方法 J .北京理工大学学报 , 2001, 21 (5: 591-595. L iu Xiaoguan

22、g, Xie L ing, Dai Yaping, et al. A new method for processing random disturbance in inertial. GPS integrated navigation system J . Journal of Bei2 jing Institute of Technology, 2001, 21 (5: 591-595. (in Chinese (上接第 707面参考文献 : 1孙逢春 ,张承宁 ,祝嘉光 .电动汽车21世纪的重要交通工具 M .北京 :北京理工大学出版社 , 1997. Sun Fengchun, Zha

23、ng Chengning, Zhu Jiaguang. Electric vehicleImportant traffic tool in 21st cen2 tury M . Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1997. 68-78. (in Chinese 2Chan C C, Chau K T. Modern electric vehicle tech2 nology M . New York: Oxford University Press Inc. , 2001. 165-168. 3李国良 ,初亮 ,鲁和安 .电动汽车续

24、驶里程的影响因素J .吉林工业大学学报 , 2000, 30 (3: 20-23. LiGuoliang, ChuLiang, Lu Hean. Influence factors ofdrivingrangeofelectricvehicleJ. JournalofJilin U niversity of Technology, 2000, 30 (3: 20 -23. (in Ch inese 4陈勇 ,孙逢春 .电动汽车续驶里程及其影响因素的研究J .北京理工大学学报 , 2001, 21 (5: 574-578. Chen Yong, Sun Fengchun. Study on ra

25、nge and its relatedfactorsofelectricvehicle J. JournalofBei2 jing Institute of Technology, 2001, 21 (5: 574-578. (in Chinese 5余志生 .汽车理论 M .北京 :机械工业出版社 , 1990. 2 -15. Yu Zhisheng. Automobile theory M . Beijing: China M achine Press, 1990. 2-15. (in Chinese 6孙逢春 . BJD 61002EV型电动公交车总体设计说明书 R .北京 :北京理工大学车辆与交通工程学院 , 2001. Sun Fengchun. Specification of BJD 61002EV transit busdesignandcalculation R. Beijing: SchoolofVe2 hicle and Transportation Engineering, Beijing Insti2 tute of Technology, 2001. (in Chinese