锂电池纯电动客车动力系统设计与性能仿真开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.目的及意义

1.1目的与意义

能源日益紧缺和环境污染加剧是人类世界面临的两大突出性难题。近些年来,国内传统汽车行业得到了快速的发展,汽车总量呈现了阶梯式的递增趋势。传统汽车行业在服务经济增长和人们生活需求的同时,也大大增加了资源消耗和环境污染。所以人们希望在一方面加大汽车行业的发展的同时也能减少汽车行业对于环境的破坏[1]。而有着低功耗、低噪声、零污染特点的锂电池纯电动汽车,被公认为是未来汽车。动力锂电池有着十分突出的储能和动力性能,被认为是当前纯电动汽车最合适的动力装置,至于发电带来的污染可由绿色能源发电来解决[3],所以对锂电池纯电动客车动力系统设计与性能研究对于我国汽车行业的未来发展是很有必要的。

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2. 研究的基本内容与方案

2.基本内容和方案

具体内容为:

(1)锂电池纯电动客车的结构及原理。

(2)锂电池、电机等部件配置参数设计。

(3)锂电池纯电动客车能量管理策略设计。

(4) 锂电池纯电动客车仿真与性能研究。

2.1结构图

图1 锂电池纯电动客车动力系统结构图

如图1所示,为锂电池纯电动客车动力系统结构框图,如图所示,锂电池纯电动客车动力系统由锂电池组、锂电池组电池管理系统、电机控制器、电机等部分组成,由于系统的能源供给都是锂电池组,所以系统的输出功率基本都分配在锂电池组功率上面。

2.2电池组模型

图2 锂电池组模型[5]

由于锂电池的能量密度、功率密度及使用寿命在动力电池中具有优势,其在电动汽车中得到广泛应用。锂电池组模型如图2所示,锂电池组由Nbts个锂电池串联组成。锂电池可简化为由一个理想开路电压源Vbtcell和一个内阻Rbtcell组成。锂电池组可简化为一个电压为Vbt的理想开路电压源和一个阻值为Rbt的内阻组成。

锂电池组电压Vbt为锂电池电压Vbtcell与锂电池串联数量Nbts的乘积,

(2)

锂电池组内阻Rbt如公式(3)所示。

(3)

公式(3)中,Nbts为锂电池串联数量,kbt为锂电池容量系数,Rbtcell为锂电池的内阻。

锂电池组输出电流Ibt如公式(4)所示。

(4)

公式(4)中,Pbt,r为锂电池组需求功率。

锂电池荷电状态SOCbt如公式(5)所示。

(5)

公式(5)中,SOCbt,init为锂电池初始荷电状态,Cbtcell,max为锂电池最大安时容量,hbt为锂电池库伦效率。

锂电池组质量mbt如公式(6)所示。

(6)

锂电池组输出功率Pbt,a如公式(7)所示。

(7)

公式(7)中,Ibt为锂电池组输出电流,Vbt为锂电池组电压,Rbt,dis为锂电池组放电内阻。

在ADVISOR软件里面可以搭建出锂电池组Simulink模型,该模型包括电压及内阻模块、电流模块、功率限制模块、最大功率模块、荷电状态模块、热模型模块等部分,本次拟采用SAFT AL45E锂电池,其相关的参数如下表。

表1 SAFT AL45E锂电池特性[5]

名称

数值

最大容量(安时)

44Ah

内阻

3.6m#8486;

最小电压

2.9V

最大连续放电电流

50A

最大瞬时放电电流

100A

储存能量

140Wh

质量

0.91kg

价格

40美元

2.3电机模型

电机的作用是将变速器传来的请求转矩和转速通过MAP图转化为请求的功率输入到锂电池里,并将电池所提供的实际功率转化为电机能够提供的转矩和转速。电机Simulink模型框图,包括扭矩限制模块、速度限制模块、输入功率图模块及扭矩输出模块等。

电机输出功率Pmotor,a如公式(8)所示。

(8)

公式(8)中,Pmotor,a为电机输出功率,Tmotor,a为电机输出扭矩,wmotor,a为电机输出速度。

2.4功率跟随式能量控制策略

本设计的能量控制策略采用功率跟随式能量控制策略,

当电动客车系统的需求功率为Phv,r大于0时,锂电池组输出功率。锂电池组荷电状态为SOCbt一般工作在锂电池组荷电状态最小值SOCbt,min和锂电池组荷电状态最大值SOCbt,max之间(锂电池组若低于最小荷电状态,则锂电池组提供的电量不足以启动客车,或者损坏锂电池。若高于锂电池组最大荷电状态,则可能会损坏锂电池),若客车处于下坡或者刹车阶段,即电动客车系统的需求功率为Pbt,r小于0,锂电池组则处于充电状态,回收制动能量。

2.5锂电池纯电动客车仿真介绍

ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)高级车辆仿真器是美国国家可再生能源实验室幵友的一款著名的电动汽车仿真软件。主要用于EV、HEV及FCEV的仿真研究工作,同时兼具对CV的彷真功能。其内部程序由模抉化的Matlab / Simulink语言编写而成,提供了多种可供选择的电动汽车整车模型及灵活可修改的部件模型库。可对选定车辆的整车燃油经济性、排放、加速时间、最大爬坡度等进行仿真汁算,并且能与其它多种软件共同仿真。人性化的GUI操作界面大大简化了用戸的操作难度。通辻修改部件模型或控制策略,还可特定车型的优化汁算。目前已经成为电动汽车仿真研究首选的工具。

图4 ADVISOR开始运行界面

点击START按钮进入到混合动力汽车仿真参数界面,如图所示。

图5 ADVISOR参数设置界面

仿真参数输入包括:
标准循环工况选择(如美国的城市驱动工况:CYC UDDS[2],日本的10-15驱动工况: CYC 1015等)
加速及爬坡性能的设定。它的设定可以有两种方法一是单独进行:即从测试规程(Test Procedure)下拉菜单进行选择,另一方法是和上述循环工况一起运行,即钩AccelerationTest和Grade Test检查选项后,并对其成的Accel Options和Grade Options按钮进行设定。

一些特殊的设定:

针对于混合动力汽车等新型汽车,如用对电池参数配置参数,即是否考查其SOC校验仿真,还可对多循环工况的组合进行考查。

另外在该界面还可以对参数进行匹配研究,即钩上Parametric Study检查按钮,它可以对单参数,双参数和三参数进行匹配研究。

仿真模型图如图所示:

图6 动力客车Simulink仿真模型框图

“energy storagelt; essgt;”代表锂电池组模型。“control strategy”代表系统的能量控制策略模型。“motor controller” 代表电机及控制器模型。

该模型中箭头方向代表仿真数据传递方向,数据自左到右代表后向仿真路径,数据自右到左代表前向仿真路径。可以看到,在图6中,主线分为上下两条,上面显示的是没有燃料参与运行过程图,下面的是锂电池组以及电机在仿真模型中的运行过程图,它首先从电机模块开始,将后向仿真计算出的电机功率沿前向路径传递给机械负载模块,所获得的扭矩和转速传递给下一级模块[10]。

在图中,锂电池组通过充电储存能量,然后驱动电机带动客车的轮轴,从而带动车轮旋转,带动客车前进。

动力客车仿真框图如图:

图7 动力客车仿真框图

2.6锂电池数量对客车性能的影响

可以用敏感度研究方法分析锂电池数量变化对电动客车性能的影响。

锂电池串联数量Nbts对电动客车最高车速Vveh,max的敏感度如公式(9)所示。

(9)

公式(9)中,ΔVveh,max/Vveh,max为电动客车最高车速Vveh,max的变化率,

ΔNbts/Nbts为锂电池串联数量Nbts的变化率,S值越大,表示锂电池串联数量对客车最高车速影响越大。

锂电池串联数量Nbts对电动汽车百公里加速时间t100的敏感度如公式(10)所示。

(10)

公式(10)中,Δt100/ t100为百公里加速时间t100的变化率,ΔNbts/Nbts为锂电池串联数量Nbts的变化率,S值越大,表示锂电池串联数量对百公里加速时间的影响越大。

锂电池串联数量Nbts对电动客车百公里能耗Q100的敏感度如公式(11)所示。

(11)

公式(11)中,ΔQ100/ Q100为电动客车百公里能耗Q100的变化率,ΔNbts/Nbts为锂电池串联数量Nbts的变化率,S值越大,表示锂电池串联数量对客车百公里能耗影响越大。

在锂电池串联数量Nbts变化而其他因素不变的条件下研究其对电动客车百公里能耗Q100、百公里加速时间t100和最高车速Vveh,max的影响,通过相关仿真的研究,当锂电池串联数量Nbts增加时,电动客车最高车速Vveh,max增加。当锂电池串联数量Nbts增加时,电动汽车百公里加速时间t100增加。当锂电池串联数量Nscs增加时,电动汽车百公里能耗Q100先下降后上升。

3.技术路线图

该技术路线图主要针对本次报告的相关内容进行总结,以框图形式主要对报告的研究内容进行梳理,从而表明仿真系统各部分之间的关系。


3. 研究计划与安排

4.进度安排

第1周 撰写并完成开题报告,无错字、别字,格式规范;

第2周 修改、完善开题报告,进行开题答辩,主要对研究意义(1-3句话)、目标(1-3句话)、内容(1-3句话)、技术路线,重点就技术路线中能量管理策略等进行讲解;

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4. 参考文献(12篇以上)

5.参考文献

[1]康燕语.快充型磷酸铁锂电池在纯电动客车中的应用[j].机电技术,2017(01):96-98

[2]朱华,牛礼民,吕建美.基于advisor并联混合动力汽车的参数设计与仿真[j].汽车工程师,2018(07):26-30 55

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