电动汽车动力系统需求定义和分解方法指南 | 动力系统的性能解析

文摘   汽车   2024-12-03 06:53   上海  

- 原创文章,作者Mr.H

- 原文主体写于2019年,用于培训,现将其整理成文

- 本篇为知识星球节选,完整内容已在知识星球发布

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导语:为了提高纯电动汽车(Electric Vehicle,EV)的电驱动系统的匹配度,根据整车设计规范(Vehicle Technical Specification, VTS),从动力性经济性舒适性三个维度出发,研究了EDS在设计开发初期,回答了系统需求的定义方法和相关参数的匹配原则是什么?并从电机、控制器、减速器三方面,回答如何对系统需求进行平衡和分解?从而为子系统结构设计、齿轴系统参数的选择、电机外特性目标定义、电磁方案设计、冷却系统的设计等提供理论依据。


目录
1. 整车设计规范与车辆信息
2. 动力性分析
  • 2.1 行驶需求
    • 2.1.1 额定功率P_e
    • 2.1.2 最高转速和速比
    • 2.1.3 最高转速下额定功率P_(e,nmax)
    • 2.1.4 轮端打滑扭矩限制 T_(φ,max)
  • 2.2爬坡能力
    • 2.2.1 峰值功率P_max
    • 2.2.2速比
  • 2.3 加速性能(知识星球发布)
    • 2.3.1 峰值功率
    • 2.3.2 转矩宽度
  • 2.4 冷却性能 (知识星球发布)
    • 2.4.1 系统散热
    • 2.4.2 系统发热
  • 2.5 速比的选择i (知识星球发布)
  • 2.6 反电动势的选择E_0 (知识星球发布)
3. 经济型分析 (知识星球发布)
  • 3.1 系统效率
    • 3.1.1减速器效率
    • 3.1.2电机效率
    • 3.1.3 控制器效率
  • 3.2 功率密度
4. 舒适性分析 (知识星球发布)
  • 4.1 电磁噪声
  • 4.2 机械噪声
  • 4.3 磁固耦合噪声
5. 结论

注:本文节选以上内容,完整内容知识星球发布(点击文末"阅读原文")


01
整车设计规范与车辆信息
随着大气污染的日益严重、全球石油资源供应紧张及环保意识的增强,传统的燃油汽车面临着巨大的挑战,纯电动汽车(Electric Vehicle, EV)越来越受到人们的青睐。电驱动系统(Electric Drive System, EDS)作为能量转化的中枢和驱动的“心脏”,主要由电机、电机控制器、减速器三部分组成(本文章仅对单级减速器做论述),在电动汽车中发挥着至关重要的作用。
为了更好的满足纯电动汽车的匹配需求,需要对整车设计规范(VTS)进行分析。VTS大致可以分为如下五类:动力性、经济性、舒适性、操纵性、可靠性,某款纯电动汽车 VTS主要参数如表1所示。

表1 某纯电动汽车VTS主要参数信息

图片来源:SysPro系统工程智库

本文针对某整车厂EV参数,如表2所示,对其VTS指标进行分析、分解,从动力性、经济性、舒适性三个维度,对EDS的SSTS进行定义,并从电机、控制器、减速器三方面,对系统需求进行分解,从而为子系统结构设计、齿轴系统参数的选择、电机外特性目标定义、电磁方案设计、冷却系统的设计等提供理论依据。
表2 某纯电动汽车整车主要参数信息

图片来源:SysPro系统工程智库


02
动力性分析
EDS作为电动汽车的动力源,直接反映了整车的行驶需求、爬坡能力、加速性能和冷却性能。与动力性相关的电驱系统逻辑关系如图示1所示。

图1 动力性相关的电驱系统逻辑关系

图片来源:SysPro系统工程智库


2.1 行驶需求
2.1.1 额定功率Pe
根据汽车的驱动力-行驶阻力平衡关系方程,如式(1)所示:
由功率的基本公式P=Tn/9550,代入(1),可得到EV功率平衡方程,如式(2)所示:
其中,Pe 为EV的平衡功率,kW。
根据整车最高稳定车速要求、坡道稳定车速要求,通过式(2)计算EV在平衡状态下的额定功率Pe 的大小。

2.1.2 最高转速和速比
纯电动汽车最高车速是指在没有风速和路面平坦的条件下电动汽车所能达到的最高行驶速度,即加速度为零、行驶阻力与驱动力平衡时的速度。最高车速作为评价汽车动力性的重要指标,电机的转速nmax减速器的速比i 定义至关重要。
μa=0.377 (rdn)/i可知,EV最高车速计算公式如(3)所示:
其中,nmax为电机最大转速,r/min;i为减速器速比。

2.1.3 最高转速下额定功率Pe,nmax
驱动电机的功率Pm应不小于最高车速时对应的功率,另外由于电机不能长时间在最大功率下运行,那么最高车速时对应的功率需是额定功率
电机的额定功率要满足最高转速要求,即:
其中,Pe,nmax为最高转速下额定功率,kW;μmax 为最高车速,km/h。

2.1.4 轮端打滑扭矩限制 T_(φ,max)
根据表2所示车辆参数信息,可以获得该款EV的轮端打滑扭矩,如式(5)(6)所示:
其中, L为轴距,mm;φ为路面附着系数;r为车轮滚动半径,mm;m为车辆计算用打滑质量,kg;a为车辆质心到前轴距离,mm;hg车辆质心高度,mm;α道路坡度角,%;amax车辆最大纵向加速度,m/s2Tφ,max车辆轮端最大打滑扭矩,Nm。
因此,为保证动力的正常输出,驱动电机的最大扭矩Tmax速比i的选择要满足轮端打滑扭矩限制,即:

2.2 爬坡能力
2.2.1 峰值功率P_max
根据功率平衡方程,电机的峰值功率要满足整车爬坡度要求,即:
其中,Pmax为驱动电机峰值功率,kW;αmax为最大爬坡度,rad;μc 最大爬坡度时对应的车速,km/h;λ为电机过载系数。

2.2.2速比
此外,电动汽车在最大爬坡度与最大速比的定义相关,根据式(5),可获得减速器的最大速比要求。
其中,Tmax为电机最大输出扭矩,Nm。

2.3 加速性能 (知识星球发布)

2.3.1 峰值功率...
2.3.2 转矩宽度...

2.4 冷却性能  (知识星球发布)
电机冷却性能的好坏直接关系电机的功率极限,间接影响了整车的持续行驶需求、爬坡需求和加速需求。同时,永磁电机的性能随着温度上升而衰减,为了防止永磁体可逆和不可逆退磁,低的转子工作温度是延长永磁和绝缘材料的策略之一。
为使系统获得较优的冷却性能,从散热产热两个维度分析...
2.4.1 系统散热...
2.4.2 系统发热...
2.4.3 前舱环境和冷却液参数...

2.5 速比的选择i (知识星球发布)
...

2.6 反电动势的选择E_0 (知识星球发布)

...


03 经济性分析 (知识星球发布)

3.1 系统效率...
3.1.1减速器效率...
3.1.2电机效率...
3.1.3 控制器效率...
3.2 功率密度...

04 舒适性分析  (知识星球发布)
新能源纯电动汽车相对于传统汽车,对驱动系统提出更高的NVH性能要求,这主要是因为如下几点原因:...
EV车的NVH问题主要有如下特点:以电机阶次为主、PWM脉宽调制引起的高频啸叫、电磁噪声、传动系的啸叫击问题突出。如图(6)所示为传统汽车与纯电动汽车的典型噪声图谱...
4.1 电磁噪声...
4.2 机械噪声...
4.3 磁固耦合噪声...

05 结 论
本文根据整车设计规范,从动力性、经济性、舒适性三个维度出发,研究了点驱动下在设计开发初期,系统需求的定义方法相关参数的匹配原则,并从电机、控制器、减速器三方面,对系统需求进行平衡和分解,从而为子系统结构设计齿轴系统参数的选择电机外特性目标定义电磁方案设计冷却系统的设计等提供理论依据。

后 记

文章主体写于2019年,彼时旨在为内部培训,将其整理成文。重新回顾这部分内容有很多不成熟和考虑欠缺的地方,后续会对其进行完善,力求更加贴合当前技术发展的脉搏。
回望这些年,国内电驱动技术领域经历全方位的迭代、提升,从最初的探索与尝试,到如今各类尖端技术手段和高效解决方案的层出不穷,每一步都凝聚着每位电驱工程师的不懈努力与智慧结晶,我们值得为自己感到骄傲,相信未来会更好!

以上是关于《电驱动系统需求的定义和分解》(节选)完整版报告与解读在知识星球 [SysPro|电驱动系统性能解读] 专栏发布 (全文7300字),欢迎阅读学习,希望能有所帮助!后续,也会对上述所涉及的内容制作一张计算表:"电驱动系统需求分解表.xls",辅助小伙伴们在工程实践中快速地迭代计算,并得到想要的结果。

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2024年12月3日

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