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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.22　No.6

2002年

12月JournalofBeijingInstituteofTechnologyDec.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

BJD61002EV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

:

U46312　　　文献标识码

:

A

AStudyontheMatchingDesignofElectricVehicles

HEHong2wen,　YUXiao2jiang,　SUNFeng2chun

（SchoolofVehicleandTransportationEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China>

Abstract:

Influenceofbatterypack’sparametersontheperformanceandrangeofelectricvehicles

isdiscussed.Amethodtoselectbatterypack’sparametersreasonablyisputforward,namelya

methodofcombinedevaluationoftheinfluencefactors.Theinfluencefactorofvehicleperfor2

manceandthatofvehicle’sdrivingrangearedefined,andthemethodsofcalculationarelisted.

Twotypicalschedulesofconnectionforthebatterypackarealsodiscussedandevaluated.From

thematchingdesignpracticeofBJD61002EV,thereasonabilityofmethodofmatchingisverified.

Thedesignmethodcanbeusedtoguidethecapacitydesignofelectricvehicles.

Keywords:

electricvehicle。

batterycapacity。

drivingrange。

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

（2002AA501800>

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

Ζ

　第

6期

何洪文等

:

电动车辆设计中的匹配理论研究

CDA2dva

a+D（ma+mb>,

为滚

kW·h·km（1>

-1

21115v316dt

式中　

∑

F为车辆行驶总阻力

N。

mb为电池组

A

动阻力系数。

A为坡道角,（°>。

CD2。

va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。

ma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

vamax、加速时间

t和

最大爬坡度

imax[5]Z

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=（ma+mb>gcosA·f+（ma+mb>gsinA+

车辆最高车速计算

:

Ft（nm>≥∑

F（va>,

nm≤nmmax,

（2>

rnm

va=01377,

io

式中　

nm为主驱动电动机的工作转速

r·min-1。

Ft为主驱动电动机以最大限流工作时车辆获得的

驱动力

N。

nmmax为主驱动电动机的最高工作转速

r·min-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

vamax

Z

车辆加速时间计算

:

v2

1dt

t=dva=

v1dva

316∫

1v2D（ma+mb>

dva,

316∫v1

CDAva2

Ft-（ma+mb>gf

21115

（3>

式中　v1为加速行驶起始车速,km·h-1。

v2为加速

行驶终止车速

km·h-1Z

车辆爬坡度计算

:

CDAva2

Ft

21115

-

i=tanA=tanarcsin

（ma+mb>g

1+f2

arctan（f>

（4>

Z

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

:

EmbWb

s==,（5>

e（ma+mb>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·h·km-1。

Wb为电池

比能量

W·h·kg-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=

vamax或

ND=

t0或

ND=

imax,（6>

vamax0timax0

s

E=

（7>

Ns0

Z

式中　

vamax,t,imax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。

vamax0,t0,imax0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、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

BJD61002EV为计算实例

ZBJD61002EV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

BJD61002EV整车的市

区行驶平均比能耗为

01065kW·h·km-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

35W·h·kg-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

60km·

h-1的时间

Z该车基本参数如表

1,Tmax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Ea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

BJD61002EV能耗特性实测结果

Fig.1　EnergyconsumptionofBJD61002EVwhenrunonurbanroute

（a>vamax与电池组质量

mb（容量

Cb>关系曲线

（b>t与电池组质量

mb（容量

Cb>关系曲线

（c>imax与电池组质量

mb（容量

Cb>关系曲线

（d>s与电池组质量

mb（容量

Cb>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

Fig.2　Resultsofcalculationofbatterypackcapacityanditsweightonvehicleperformance

　第

6期何洪文等

:

电动车辆设计中的匹配理论研究

表

1　BJD6100-EV电动公交车技术参数

[6]

Tab.1　TechnicalparametersofBJD6100-EVtransitbus

尺寸

m主驱动电机

ma

.kg

长宽

.

高

轮胎型号

P.kWnm

.（r·min-1>Tmax

.（N·m>

12442101652150310910100R20216PR75.1252000.25001050

能的综合影响程度

如图

3所示

Z设计目标值

s0=

120km,t0=48s,imax0=20%Z

（a>先并后串

（b>先串后并

图

4　电池组连接方案

Fig.4　Connectionschedulesofbatterypackfor

EVapplication

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

mb（容量

Cb>关系曲线

Fig.3　Curvesofinfluencefactorstobattery

pack’scapacityandweight

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

3568≤mb≤4357,　325≤Cb≤397Z（8>

在

BJD61002EV的设计中

电池组容量取值为

300A·h,电池组总质量为

3290kgZ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

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

BJD61002EV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中的方案

Z

6　结　论

①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

。

②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

。

③通过对

BJD61002EV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

。

④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]　SavageG.

图6　改进随机采样法与原随机采样法引入

（1>:

19-

[2]　SavageG.

北京理工大学学报第

22卷　

Fig.6　

误差功率谱对比

originalrandom2samplingPowererrorcomparisonbetweenimprovedand

谱,引入的误差等效于功率谱密度为

612×10-6g2.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

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