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这几天漫谈君动力十足，为大家把北京车展的所有车都拍了照片，写成了《2018北京车展最全汽车图欣赏（上）》和《2018北京车展最全汽车图欣赏（下）》（话说这两篇包含了所有车展所有车哟，点击即可阅读），由于车展禁止车模，无赖木有小姐姐压阵，很多朋友就留言说小姐姐们去哪了？今天漫谈君又归位了，不仅要有小姐姐 今天 就和漫谈君一起来看看 新能源汽车动力系统的设计与开发 好消息：汽车大漫谈4群已开通，话说都是汽车研发工程师，每天都在分享技术，有需要进群的童鞋，加漫谈君微信：autotechstudy，备注名称+专业哟，方便邀请进群！ 一、动力系统的构成 动力系统是电动汽车最主要的系统之一。电动汽车运行性能的好坏主要是由其驱动系统决定的。驱动系统构成如下： 二、动力系统的原理 电池组为整个动力系统供电，将电能输送给配电箱，配电箱再将电能输送给各个系统。 首先电机控制器将电能从动力电池中抽取出来输送给轮毂电机，轮毂电机将电能转化为机械能带动车轮旋转，同时减速器可为车轮减速。当制动时，电机停止驱动车轮，发过来回收车轮制动能量，车轮制动时电机产生电量，通过逆变器和限压器将储存到动力电池中。 三、动力系统开发流程 1项目策划阶段 项目策划过程中根据公司规划首先选定的就是车辆的动力系统。 2概念设计阶段 3动力性经济性匹配 4发动机舱和下车身布置 四、整车动力性计算 1整车动力性能指标 电动机是纯电动汽车的唯一动力源，其性能与电动汽车整车性能密切相关，因此，对电动机的选择及参数匹配是研究设计纯电动汽车动力系统的关键之一。
为了高性能地驱动电动汽车，驱动电机在性能上须达到一定的要求，通常要求驱动电机能够频繁起动/停车、加速/减速，转矩控制的动态性能要求高；在低速或爬坡时，转矩要高，而在高速行驶时，转矩要低； 其次，驱动电机的的调速范围要宽，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时在整个调速范围内还得保持较高的运行效率。 2车辆行驶阻力计算
3电机总功率计算 电动机作为纯电动汽车行驶的动力来源，要求其在低速行驶或爬坡时能够提供较大转矩，在加速时输出较大功率，同时需要较大的调速范围。 电动机性能参数匹配主要包括电动机的峰值功率、电动机的额定转速及最高转速、电动机的额定电压的选择。 电机的峰值功率通常根据电动汽车的最高速度Vmax、初速度~末速度的加速时间T（s）和最大爬坡度。 1）最高车速功率
式中： ηi——传动总效率 m——整车整备质量 F——滚动阻力系数 CD——迎风阻力系数 A——迎风面积 2）爬坡性功率计算
式中： Vi--电动汽车爬坡时的行驶速度； A--最大爬坡角度。
3）加速性功率计算
式中： δ--汽车旋转质量换算系数； Iw--车轮转动惯量； If--飞轮转动惯量； R--车轮半径； ig--变速箱传动比； i0--主减速器的传动比。 综上，电动汽车的电机功率应能同时满足汽车对最高车速、加速性能以及爬坡度的要求， 所以电动汽车电机最大功率：
4动力系统技术参数匹配设计 1）车轮转速和扭矩 最高车轮速度出现在最高车速时，故可用车速计算车轮速度
据每个轮子的驱动力和车轮半径可计算扭矩T=Fr
2）电机驱动方式选择 在驱动电机的输出特性一定时，纯电动汽车的动力系统传动比如何选择，依赖于整车的动力性指标要求，即纯电动汽车动力系统传动比的选择应该满足车轮的最高期望车速、最大爬坡度以及对加速度时间的要求。 A.纯电动汽车动力系统传动比上限的计算 纯电动汽车动力系统传动比上限由电动机最高转速和最高行驶车速确定。
B.纯电动汽车动力系统传动比下限的计算
五、电池容量计算 对于电动汽车用铅蓄电池要求的性能，应根据车辆种类及行驶性能的各项目标不同而有各种各样的选择。 除了一些特殊情况外，一般来说，要适应车辆的起动、加速、定速行驶及停车等重复进行的工作，同时对在这样条件下的深放电及其充电的循环应该能够长期耐用。
蓄电池是制约电动汽车发展的关键因素，要使电动汽车能够全面推广，蓄电池作为纯电动汽车重要的储能装置必须满足:高比功率、高比能量、使用寿命长和价格低廉。 目前，铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池是最常见的几种纯电动汽车的动力蓄电池。以下是对各种类型电池的性能评价：
电池组容量选择主要考虑车辆行驶过程中的最大输出功率和消耗的能量，以保证电动汽车对动力性和续驶里程的要求。 1最大功率选择电池组数目 蓄电池携带的能量必须大于或等于电动汽车的最大消耗，如此才能保证电动汽车形式要求，所以要求电池组数目:
其中， Pbmax--单个电池输出的最大功率，取0.7kw； ηe--电动机的工作效率； ηec--电动机控制器的工作效率，取9.5； N--单个电池组所包含的电池数目，一个电池组含10块电池。 2续驶里程计算电池容量
其中， L--续航里程（km）； W--电池能量（kw/h）； V--车辆等速行驶速度（km/h）； P--等速行驶需求功率（kw）。
蓄电池的能量计算可简化公式为：W=C·U·n·DOD 其中， C--单个电池容量（Ah）； U--单电池电压（V）； n--电池数量； DOD--放电深度（%）。 六、热管理系统系统匹配设计
尽管汽车一直在进行热管理优化研究，但这几个热管理系统一直存在一些设计难点。 1）电池热管理设计难点 电池组内部温度均衡度要求高。 2）空调设计难点 冬季冷凝器除霜难及消耗电池能量较多。 3）电机和控制器冷凝系统设计难点 冷却水温度相对较低。 4）热管理控制子系统设计难点 由于每个子系统的工作温度和散热需求不同，以及车辆运行工况的多样性，难点主要在于系统之间的匹配设计和工作时的有效管理。 1空调热管理 空调系统热管理示意图如图所示。
汽车空调制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、鼓风机等部件组成，常用冷媒为R134a。加热系统主要由PTC、鼓风机、风道等组成。 通常情况下，车用空调系统制冷量约5kW左右，采暖量约6kW。电动汽车采用逆变电路控制电机，然后通过电机来驱动电动压缩机制冷：电动汽车用高压PTC加热技术。 2动力电池热管理 1）动力电池热管理系统设计 电动汽车蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池。 近年来镍氢电池以其高能量密度、较高的单体电压、较高的能量效率、放电易检测电池荷电状态等优点，在电动汽车中得到广泛使用。 但镍氢电池也有其弊端，如低温情况下电池充放电性能差：深度放电或在高温下，储存和放电易造成容量不可逆损失。且单体蓄电池的电压和容量都比较小，不能满足车载需要，实际中多以多个电池串联成电池组来用，各个电池充放电时温度可能不一致。因此电动汽车上电池热管理必不可少。 电池热源有反应热Qr，电池极化引起的能力损失Qp，电池内电解液分解和自放电副反应引起的能力损失Qs，电池电阻产生的焦耳热Qj。因此电池总热量Qa可用公式表示为:Qa=Qr+Qp+Qs+Qj。
动力电池热管理系统如上图所示。假设本文中所用电池的工作温度范围为0℃-45℃，动力电池温度控制策略如下表所示
当电池温度T小于0℃需加热，采用加热膜技术； 当T在0-35℃时，不需要加热也不需要冷却； 当T在35-45℃时，主要靠电池散热器散热； 当T>45℃时，需电池包另一散热器辅助散热，可以由空调系统的一个支路提供冷源。 这个过程可以通过一个名为Chiller的辅助散热器实现，Chiller实质上是新能源汽车上专用的紧凑型冷却器装置，类似于空调系统中双蒸发器系统中的一个分支，Chiller中蒸发器被流经动力电池散热板的冷却液包裹，冷媒通过热交换将冷却液的热量带走，起到给电池降温的作用，目前市场上有成熟的产品。 2）电池散热器冷却回流量计算 电池散热器的作用是通过冷却循环将动力电池工作过程中产生的热量带走，使电池保持正常的工作温度范围。 由于电动汽车常用的工况是在平直路面行驶以及爬坡，所以按照平直路面行驶以及持续爬坡过程动力电池的产热量来计算电池散热器冷却回路的流量。 电动汽车的加速过程功率大但是时间较短，所以汽车加速过程中动力电池需要Chiller回路辅助冷却，这一部分只讨论匀速以及持续爬坡过程中冷却回路的流量。
汽车匀速或者匀速爬坡过程中电机的最大持续功率约为80kW，这里我们简单认为动力电池的产热功率为电机驱动功率的8%，即产热功率为6.4kW。以水为冷却介质，假设电池冷却器入口处水温为25℃，出口水温为33℃。由Q=Cm（T1-T2），带入数据得，M=11.432kg/min。 3）动力电池加热回路计算 电池正常的工作温度范围是0-45“C，汽车行驶过程中由于电池自身的产热，所以电池的温度不会低于0℃，这时只需要考虑电池组的散热问题即可。 当汽车冷启动或者是充电过程时，由于电池不产热或者产热量小，这时如果外界环境温度过低会导致电池的温度低于正常工作温度范围，这时需要对电池组进行加热。 由于电动汽车电池组温度低于0℃时电池无法工作，所以冷启动或充电时动力电池的加热需要外接设备实现。
动力电池加热膜的功率由电池温度以及加热时间决定，电池温度越低、加热时间越短，所需要的加热功率就越大。 这里假设电池初始温度为T1=-30℃，目标温度T2=3℃。电池平铺在汽车底部，电池的尺寸2500mm*1600mm*100mm（长*宽*高），电池平均密度ρ=1500kg/m，电池的比热容c=500J/kg.K，加热时间20min，电池对加热膜热量的吸收率0.8。由PΔtX0.8=cρVΔT，带入数据得P=10kW，所以电池加热膜的最大功率应该不小于10kW。
3电机和控制器热管理 1）电机和驱动器热管理系统设计 由于轮毂电机通常是采用风冷的形式，但是考虑到本文中电机功率远大于普通轮毂电机，所以电机采用风冷加水冷的联合冷却形式。 电机和电机驱动只需考虑散热即可，假设电机和电机驱动器发热需散热功率为W1kW，其冷却系统多采用水路串联连接方式，即冷却水经由冷却系统后，先流经电机驱动器，然后流入电机，最后返回冷却系统，形成水循环系统，示意图如下图所示:
综合几款EV电机和电机驱动控制系统，控制策略简述如下: A.电机或电驱动控制器均小于45℃时，水泵和散热器风扇都不工作，电驱动系统依靠风冷冷却； B.电机或电驱动控制器有一个温度在45~65℃时，水泵工作，散热器风扇不工作； C.电机或电驱动控制器有一个大于65℃时，水泵、散热器风扇同时工作。 2）电机及驱动器冷却流量计算 电机及驱动器是电动汽车的两大关键部件，为了使电机及驱动器能够正常工作，需要设计散热器。 小负荷行驶时，电机及控制器产热量较小，风冷散热系统能够满足二者的散热需求。 当汽车处于高速行驶、爬坡以及加速等大功率工况时，风冷系统无法满足电机及控制器的冷却要求，这时就需要通过冷却循环来进行冷却。 若电机及控制器的最大产热功率为15kW，以水为冷却介质，另冷却器入口处水温为30℃，出口水温为45℃。由Q=Cm（T1-T2），带入数据得，M=14.28kg/min。 七、结语 纯电动汽车代表着汽车工业未来发展的方向，但是，即使全球各地都有电动汽车陆续上路，如何克服驱动系统和电池容量、效率以及充电方式便利性等问题，都是电动汽车商业化的关键。 从技术角度看，现有电池汽车存在下列主要问题： 1）续驶行程有限 目前市场上使用的电动汽车一次充电后的典型续驶里程一般为100至300km，相比传统内燃机汽车而言，电动汽车的较短的续驶里程成为其“致命”的弱点。
2）电池寿命太短 尽管电池品种繁多，各有特点，但其装备电动汽车后，普遍存在续驶里程短、加速动力差且寿命短等问题。 镍锡电池、锂离子电池成本高、可回收性差，但其加速动力足、寿命较长。 钠硫电池的比能量较高，能够提供较长的续驶里程和较大的加速动力，但它要求的工作环境较苛刻，且其活性物质具有强腐化性并易爆炸。 金属空气电池虽然具有明显的安全、干净、低成本等特点，但目前还只是发展的初期阶段。 就整体来看，还没有非常理想的电池。 3）电池尺寸、重量的制约 现有电动汽车所使用的电池，都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和重量。 例如，现有电动汽车电池的外体积一般要达到550L，把这么大体积的电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间甚至乘客空间。 同样，一部重量为2000kg的电动汽车，其电池重量达到了1270kg，这也必然使其总体性能大打折扣。
4）电动车价格昂贵 主要是电池技术复杂，成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技术，致使电动汽车的造价居高不下。 5）间接污染严重 电动汽车本身虽无排放污染，但其间接污染也是不能忽视的。 |
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