電動(dòng)汽車概論—第五章 電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)

1、第五章電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)一、動(dòng)力電池技術(shù)是目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸，具體體現(xiàn)在以下四個(gè)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(jī)及其控制技術(shù)是目前影響電動(dòng)汽車性能的關(guān)鍵因素。主要影響以下性能：1. 動(dòng)力性（最高車速、加速性能、爬坡性能）2. 經(jīng)濟(jì)性（效率）3. 成本4. 壽命與可靠性。三、電動(dòng)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(dòng)汽車輕量化技術(shù) 影響汽車的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程。五、電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配與集成技術(shù) 影響汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)行業(yè)擁有極高知名度的高科技公司。AVL 的先進(jìn)模擬技術(shù)部門致力于開發(fā)動(dòng)力總成及整車的設(shè)計(jì)分析軟件平臺(tái)，并負(fù)責(zé)該平臺(tái)上各個(gè)軟件在全球的銷售、技術(shù)支持，以及小型的計(jì)算項(xiàng)目（此類項(xiàng)目的計(jì)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(dòng)機(jī)行業(yè)內(nèi)擁有近300 個(gè)正式用戶。AVL 公司的先進(jìn)模擬技術(shù)部門充分認(rèn)識(shí)到軟件只是一個(gè)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(yàn)。這是AVL 軟件部門在國內(nèi)同行中最具競爭力同時(shí)也得到客戶廣泛認(rèn)可的方面.下面就以下幾個(gè)方面對(duì)AVL 整車分析軟件CRUIS

3、E 進(jìn)行介紹:產(chǎn)品技術(shù)說明AVL CRUISE 軟件是用于車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析的高級(jí)軟件，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜車輛動(dòng)力傳動(dòng)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(jì)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(píng)價(jià)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(xiàng)目組可以對(duì)模型進(jìn)行方便快捷的整合?？梢钥焖俅罱ǜ鞣N復(fù)雜的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型，可同時(shí)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)所有車輛模型的快速建模；發(fā)動(dòng)機(jī)元件庫（Engine Library）：包含了普通發(fā)動(dòng)機(jī)，與AVL BOOST 軟件接口發(fā)動(dòng)機(jī)斷缸熄火控制發(fā)動(dòng)機(jī)等元件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)離心式離合器等元件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)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(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，差速器，行星齒輪系，雙離合器變速箱（DCT），自動(dòng)變速器（CVT）等元件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)，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(dòng)力元件庫（Hybrid Library）：包含混合動(dòng)力電機(jī)（電動(dòng)/發(fā)電），動(dòng)力電池組，超級(jí)電容器，DC/DC 轉(zhuǎn)換器等元件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及燃料電池電動(dòng)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(dòng)機(jī)起?？刂疲l(fā)動(dòng)機(jī)斷缸控

6、制，制動(dòng)控制，CVT 控制，驅(qū)動(dòng)防滑控制，PID 控制，可以實(shí)現(xiàn)模型中主要元件的系統(tǒng)控制；制動(dòng)元件庫（Brake Library）：包含制動(dòng)器和緩速器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛制動(dòng)工況的仿真分析；附件元件庫（Auxiliary Library）：包含風(fēng)扇和油泵，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外載附件系統(tǒng)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)C 語言的接口（BlaceBox），函數(shù)（Func

7、tion），圖表（Map）等23 個(gè)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(jì)了大量的內(nèi)置計(jì)算任務(wù)和不同的計(jì)算方法，這些任務(wù)和方法都是為汽車工程專門設(shè)計(jì)的。根據(jù)計(jì)算任務(wù)的不同，可以采用不同的計(jì)算模式。在CRUISE 中，不同的計(jì)算任務(wù)采用不同的計(jì)算模式。（1）靜態(tài)計(jì)算模式（Stationary Calculation）靜態(tài)計(jì)算模式用于不考慮時(shí)間影響的性能分析。在靜態(tài)計(jì)算中，每一個(gè)步長都是穩(wěn)態(tài)條件下的計(jì)算，即對(duì)于每一個(gè)步長加速度均為

8、零。舉例來說，這樣你可以計(jì)算每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算模式（Quasi-stationary Calculation）該計(jì)算模式用于與時(shí)間相關(guān)的計(jì)算分析，比如循環(huán)工況計(jì)算（Cycle Run）等。準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算模式（也可以稱為“逆向工程”）中，目標(biāo)值是準(zhǔn)確定義的，需要的驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)是可計(jì)算的。在準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算中，其穩(wěn)態(tài)條件與靜態(tài)計(jì)算模式相同。與靜態(tài)計(jì)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(jì)算循環(huán)工況和滿負(fù)荷加速工況。車輛的運(yùn)動(dòng)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(jì)算中沒有控制器，計(jì)

9、算是非常高效的。（3）仿真計(jì)算模式（Simulation）與準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算模式相比，仿真模式更真實(shí)地模擬了模型的實(shí)際響應(yīng)。對(duì)于仿真實(shí)際的行駛循環(huán)，仿真模式采用了一個(gè)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(jì)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(shí)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(jì)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(diǎn)，用

10、于輸出在該車速下的計(jì)算結(jié)果。c. 穩(wěn)態(tài)行駛工況分析該任務(wù)用于計(jì)算穩(wěn)定行駛時(shí)車輛的燃油消耗和排放性能。該任務(wù)計(jì)算每一檔位下，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)車輛的性能。另一個(gè)功能是計(jì)算理論和實(shí)際最高車速，這是通過改變主傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)的，在結(jié)果中也輸出了獲得理論最高車速的傳動(dòng)比變動(dòng)系數(shù)。d. 滿負(fù)荷加速性能計(jì)算該任務(wù)包括三項(xiàng)子任務(wù)：最大加速度計(jì)算: 計(jì)算每一個(gè)檔位下，發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大加速度。原地起步加速性能：計(jì)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(diǎn)，結(jié)果可以輸出，如原地起步從0 加速到100km/h 時(shí)的加速時(shí)間或從0 加速到一定里程的加速時(shí)間。測量點(diǎn)可以是速度相關(guān)、距離相關(guān)或時(shí)間相關(guān)

11、的。對(duì)于每一各測量點(diǎn)，輸出結(jié)果都包括：加速時(shí)間、實(shí)際擋位及發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)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(biāo)車速時(shí)的加速性能。如果把目標(biāo)車速定義為測量點(diǎn)，則可以同時(shí)計(jì)算目標(biāo)車速的超車加速性能（起始車速相同）。e. 最大牽引力計(jì)算該任務(wù)可用來繪制驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡圖、功率平衡圖等。該計(jì)算任務(wù)與爬坡性能計(jì)算類似。計(jì)算任務(wù)在每一個(gè)檔位下，發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)計(jì)算。f. 巡航行駛工況巡航行駛工況與循環(huán)工況計(jì)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(yùn)行的行駛規(guī)范中定義的速度是行駛的目標(biāo)速度。另一個(gè)不同點(diǎn)是巡航行駛工況

12、計(jì)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(jì)算可設(shè)定兩城市間的行程（有路段限速、高度變化等）進(jìn)行計(jì)算，并可計(jì)算總體燃油消耗。g. 制動(dòng)/滑行/倒拖該任務(wù)用于計(jì)算車輛制動(dòng)性能。計(jì)算中需要定義是否換擋和實(shí)際制動(dòng)力。通過改變某些參數(shù)也可進(jìn)行車輛滑行分析，以檢驗(yàn)汽車模塊中行駛阻力的設(shè)定是否正確。2) CRUISE-車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配及參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)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(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性或排放性指標(biāo)，可以對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化組合，并可以對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化（

13、DOE 參數(shù)化研究和多動(dòng)力總成匹配研究）；典型應(yīng)用a. 動(dòng)力總成匹配基于CRUISE 的Components Variation 功能，可以對(duì)多發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱，主減速器，輪胎等總成元件進(jìn)行匹配，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)和排放性指標(biāo)在匹配結(jié)果上進(jìn)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(duì)多發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱，主減速器，輪胎等總成元件進(jìn)行匹配，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)和排放性指標(biāo)在匹配結(jié)果上進(jìn)行合理選型。3) CRUISE-概念新車的分析評(píng)價(jià)平臺(tái)內(nèi)置混合動(dòng)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(dòng)汽車（EV）或混合動(dòng)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(shí)現(xiàn)整車控制策略的設(shè)計(jì)開發(fā)；內(nèi)置能量分配管理監(jiān)測功能EFG，可方便的實(shí)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(jìn)行相關(guān)控制策略的設(shè)計(jì)和開發(fā)；4) CRUISE-先進(jìn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)平臺(tái)針對(duì)乘坐舒適性的提高及新能源汽車的逐步推廣，新型動(dòng)力傳動(dòng)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(duì)AT 和AMT 進(jìn)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(dú)有的GSP（Gear ShiftingProgram）模塊是內(nèi)置于AVL CRUISE 軟件中的用于自動(dòng)變速箱換擋規(guī)律生成以及優(yōu)化功能的高級(jí)模塊，CRUISE GSP 功能可以幫助整車及零部件廠家實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速箱車輛前期預(yù)開發(fā)階段對(duì)動(dòng)力總成的合理選型，以及在開發(fā)后期的傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元（TCU）的標(biāo)定區(qū)域的劃分。CRUISE GSP包含以下兩部分內(nèi)容：GSP Generation：自動(dòng)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(duì)車輛所有可能運(yùn)行的工作區(qū)域進(jìn)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(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性駕駛需

16、求、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性駕駛需求、動(dòng)力性駕駛需求、強(qiáng)動(dòng)力性駕駛需求。GSP Optimization：自動(dòng)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(duì)車輛所有可能運(yùn)行的工作區(qū)域進(jìn)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(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和排放性的指標(biāo)要求，可根據(jù)不同的工況特性進(jìn)行變速箱換擋特性的優(yōu)化，其自動(dòng)生成的K 因子可以讓用戶方便的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(píng)價(jià)平臺(tái)（從SIL 到HIL）可以與硬件系統(tǒng)（如：AVL In-Motion，dSPACE，ETAS 等）進(jìn)行聯(lián)合仿真，滿足用戶對(duì)于車輛

17、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)（Real Time）仿真分析的需求；可對(duì)動(dòng)力總成及其相關(guān)聯(lián)的ECU 控制策略進(jìn)行分析和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力學(xué)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(dòng)力總成的分層建模提出了動(dòng)力總成分層建模的方法，可以將動(dòng)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(dú)立對(duì)動(dòng)力總成中某一部件進(jìn)行仿真分析（無須搭建整個(gè)車輛模型），極大的降低了對(duì)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(biāo)參數(shù)，對(duì)駕駛員模型進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化分析；b. 混合動(dòng)力系統(tǒng)總成測試􀂗制動(dòng)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)(如：能量回收制動(dòng))

18、48727;制動(dòng)穩(wěn)定性測試(對(duì)開路面,彎道測試)􀂗操縱穩(wěn)定性測試(ABS & ESP)􀂗驅(qū)動(dòng)防滑控制(ASC,扭矩動(dòng)態(tài)分配)􀂗用戶自定義測試(按照相關(guān)測試規(guī)范進(jìn)行)c. 動(dòng)力總成延伸性分析􀂗復(fù)雜路況下的燃油經(jīng)濟(jì)性分析􀂗換檔品質(zhì)評(píng)價(jià)􀂗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(duì)不同的計(jì)算任務(wù)提供了與之相對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果可以采用ASCII，GIDAS，MAT 或EFG 格式保存，方便用戶對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二次后處理。CRUISE 的計(jì)算結(jié)果有文本和圖形兩種表示方式：文本計(jì)算結(jié)果：圖形計(jì)算結(jié)果（Cycle Run 為例）􀂗富裕度示意圖（Abundance）：發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)示意圖􀂗聚合度示意圖（Condensation）：發(fā)動(dòng)機(jī)14 工況測試圖􀂗工作點(diǎn)萬有特性分布圖（Driving Time Distribution）：工作點(diǎn)分布比例