這幾天漫談君動(dòng)力十足，為大家把北京車展的所有車都拍了照片，寫成了《2018北京車展最全汽車圖欣賞（上）》和《2018北京車展最全汽車圖欣賞（下）》（話說這兩篇包含了所有車展所有車喲，點(diǎn)擊即可閱讀），由于車展禁止車模，無賴木有小姐姐壓陣，很多朋友就留言說小姐姐們?nèi)ツ牧?？今天漫談君又歸位了，不僅要有小姐姐，還給大家?guī)砹诵履茉雌嚨膭?dòng)力系統(tǒng)喲！

今天

就和漫談君一起來看看

新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

動(dòng)力系統(tǒng)是電動(dòng)汽車最主要的系統(tǒng)之一。電動(dòng)汽車運(yùn)行性能的好壞主要是由其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)決定的。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成如下：

電池組為整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)供電，將電能輸送給配電箱，配電箱再將電能輸送給各個(gè)系統(tǒng)。

首先電機(jī)控制器將電能從動(dòng)力電池中抽取出來輸送給輪轂電機(jī)，輪轂電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)減速器可為車輪減速。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)車輪，發(fā)過來回收車輪制動(dòng)能量，車輪制動(dòng)時(shí)電機(jī)產(chǎn)生電量，通過逆變器和限壓器將儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中。

項(xiàng)目策劃過程中根據(jù)公司規(guī)劃首先選定的就是車輛的動(dòng)力系統(tǒng)。

電動(dòng)機(jī)是純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力源，其性能與電動(dòng)汽車整車性能密切相關(guān)，因此，對(duì)電動(dòng)機(jī)的選擇及參數(shù)匹配是研究設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。

為了高性能地驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在性能上須達(dá)到一定的要求，通常要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠頻繁起動(dòng)/停車、加速/減速，轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求高；在低速或爬坡時(shí)，轉(zhuǎn)矩要高，而在高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)矩要低；

其次，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的的調(diào)速范圍要寬，既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又要運(yùn)行在恒功率區(qū)，同時(shí)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)還得保持較高的運(yùn)行效率。

電動(dòng)機(jī)作為純電動(dòng)汽車行駛的動(dòng)力來源，要求其在低速行駛或爬坡時(shí)能夠提供較大轉(zhuǎn)矩，在加速時(shí)輸出較大功率，同時(shí)需要較大的調(diào)速范圍。

電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)匹配主要包括電動(dòng)機(jī)的峰值功率、電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)的額定電壓的選擇。

電機(jī)的峰值功率通常根據(jù)電動(dòng)汽車的最高速度Vmax、初速度~末速度的加速時(shí)間T（s）和最大爬坡度。

1）最高車速功率

式中：

η_i——傳動(dòng)總效率

m——整車整備質(zhì)量

F——滾動(dòng)阻力系數(shù)

C_D——迎風(fēng)阻力系數(shù)

A——迎風(fēng)面積

2）爬坡性功率計(jì)算

式中：

V_i--電動(dòng)汽車爬坡時(shí)的行駛速度；

A--最大爬坡角度。

3）加速性功率計(jì)算

式中：

δ--汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

I_w--車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

I_f--飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

R--車輪半徑；

i_g--變速箱傳動(dòng)比；

i₀--主減速器的傳動(dòng)比。

綜上，電動(dòng)汽車的電機(jī)功率應(yīng)能同時(shí)滿足汽車對(duì)最高車速、加速性能以及爬坡度的要求，

所以電動(dòng)汽車電機(jī)最大功率：

1）車輪轉(zhuǎn)速和扭矩

最高車輪速度出現(xiàn)在最高車速時(shí)，故可用車速計(jì)算車輪速度

據(jù)每個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力和車輪半徑可計(jì)算扭矩T=Fr

2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式選擇

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出特性一定時(shí)，純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比如何選擇，依賴于整車的動(dòng)力性指標(biāo)要求，即純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比的選擇應(yīng)該滿足車輪的最高期望車速、最大爬坡度以及對(duì)加速度時(shí)間的要求。

A.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比上限的計(jì)算

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比上限由電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定。

B.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比下限的計(jì)算

對(duì)于電動(dòng)汽車用鉛蓄電池要求的性能，應(yīng)根據(jù)車輛種類及行駛性能的各項(xiàng)目標(biāo)不同而有各種各樣的選擇。

除了一些特殊情況外，一般來說，要適應(yīng)車輛的起動(dòng)、加速、定速行駛及停車等重復(fù)進(jìn)行的工作，同時(shí)對(duì)在這樣條件下的深放電及其充電的循環(huán)應(yīng)該能夠長(zhǎng)期耐用。

蓄電池是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，要使電動(dòng)汽車能夠全面推廣，蓄電池作為純電動(dòng)汽車重要的儲(chǔ)能裝置必須滿足:高比功率、高比能量、使用壽命長(zhǎng)和價(jià)格低廉。

目前，鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池是最常見的幾種純電動(dòng)汽車的動(dòng)力蓄電池。以下是對(duì)各種類型電池的性能評(píng)價(jià)：

電池組容量選擇主要考慮車輛行駛過程中的最大輸出功率和消耗的能量，以保證電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力性和續(xù)駛里程的要求。

蓄電池?cái)y帶的能量必須大于或等于電動(dòng)汽車的最大消耗，如此才能保證電動(dòng)汽車形式要求，所以要求電池組數(shù)目:

其中，

P_bmax--單個(gè)電池輸出的最大功率，取0.7kw；

η_e--電動(dòng)機(jī)的工作效率；

η_ec--電動(dòng)機(jī)控制器的工作效率，取9.5；

N--單個(gè)電池組所包含的電池?cái)?shù)目，一個(gè)電池組含10塊電池。

其中，

L--續(xù)航里程（km）；

W--電池能量（kw/h）；

V--車輛等速行駛速度（km/h）；

P--等速行駛需求功率（kw）。

蓄電池的能量計(jì)算可簡(jiǎn)化公式為：W=C·U·n·DOD

其中，

C--單個(gè)電池容量（Ah）；

U--單電池電壓（V）；

n--電池?cái)?shù)量；

DOD--放電深度（%）。

盡管汽車一直在進(jìn)行熱管理優(yōu)化研究，但這幾個(gè)熱管理系統(tǒng)一直存在一些設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

1）電池?zé)峁芾?/span>設(shè)計(jì)難點(diǎn)

電池組內(nèi)部溫度均衡度要求高。

2）空調(diào)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

冬季冷凝器除霜難及消耗電池能量較多。

3）電機(jī)和控制器冷凝系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

冷卻水溫度相對(duì)較低。

4）熱管理控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

由于每個(gè)子系統(tǒng)的工作溫度和散熱需求不同，以及車輛運(yùn)行工況的多樣性，難點(diǎn)主要在于系統(tǒng)之間的匹配設(shè)計(jì)和工作時(shí)的有效管理。

空調(diào)系統(tǒng)熱管理示意圖如圖所示。

汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、鼓風(fēng)機(jī)等部件組成，常用冷媒為R134a。加熱系統(tǒng)主要由PTC、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)道等組成。

通常情況下，車用空調(diào)系統(tǒng)制冷量約5kW左右，采暖量約6kW。電動(dòng)汽車采用逆變電路控制電機(jī)，然后通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓縮機(jī)制冷：電動(dòng)汽車用高壓PTC加熱技術(shù)。

1）動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池。

近年來鎳氫電池以其高能量密度、較高的單體電壓、較高的能量效率、放電易檢測(cè)電池荷電狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車中得到廣泛使用。

但鎳氫電池也有其弊端，如低溫情況下電池充放電性能差：深度放電或在高溫下，儲(chǔ)存和放電易造成容量不可逆損失。且單體蓄電池的電壓和容量都比較小，不能滿足車載需要，實(shí)際中多以多個(gè)電池串聯(lián)成電池組來用，各個(gè)電池充放電時(shí)溫度可能不一致。因此電動(dòng)汽車上電池?zé)峁芾肀夭豢缮佟?/span>

電池?zé)嵩从蟹磻?yīng)熱Qr，電池極化引起的能力損失Qp，電池內(nèi)電解液分解和自放電副反應(yīng)引起的能力損失Qs，電池電阻產(chǎn)生的焦耳熱Qj。因此電池總熱量Qa可用公式表示為:Qa=Qr+Qp+Qs+Qj。

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)如上圖所示。假設(shè)本文中所用電池的工作溫度范圍為0℃-45℃，動(dòng)力電池溫度控制策略如下表所示

當(dāng)電池溫度T小于0℃需加熱，采用加熱膜技術(shù)；

當(dāng)T在0-35℃時(shí)，不需要加熱也不需要冷卻；

當(dāng)T在35-45℃時(shí)，主要靠電池散熱器散熱；

當(dāng)T>45℃時(shí)，需電池包另一散熱器輔助散熱，可以由空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)支路提供冷源。

這個(gè)過程可以通過一個(gè)名為Chiller的輔助散熱器實(shí)現(xiàn)，Chiller實(shí)質(zhì)上是新能源汽車上專用的緊湊型冷卻器裝置，類似于空調(diào)系統(tǒng)中雙蒸發(fā)器系統(tǒng)中的一個(gè)分支，Chiller中蒸發(fā)器被流經(jīng)動(dòng)力電池散熱板的冷卻液包裹，冷媒通過熱交換將冷卻液的熱量帶走，起到給電池降溫的作用，目前市場(chǎng)上有成熟的產(chǎn)品。

2）電池散熱器冷卻回流量計(jì)算

電池散熱器的作用是通過冷卻循環(huán)將動(dòng)力電池工作過程中產(chǎn)生的熱量帶走，使電池保持正常的工作溫度范圍。

由于電動(dòng)汽車常用的工況是在平直路面行駛以及爬坡，所以按照平直路面行駛以及持續(xù)爬坡過程動(dòng)力電池的產(chǎn)熱量來計(jì)算電池散熱器冷卻回路的流量。

電動(dòng)汽車的加速過程功率大但是時(shí)間較短，所以汽車加速過程中動(dòng)力電池需要Chiller回路輔助冷卻，這一部分只討論勻速以及持續(xù)爬坡過程中冷卻回路的流量。

汽車勻速或者勻速爬坡過程中電機(jī)的最大持續(xù)功率約為80kW，這里我們簡(jiǎn)單認(rèn)為動(dòng)力電池的產(chǎn)熱功率為電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的8%，即產(chǎn)熱功率為6.4kW。以水為冷卻介質(zhì)，假設(shè)電池冷卻器入口處水溫為25℃，出口水溫為33℃。由Q=Cm（T1-T2），帶入數(shù)據(jù)得，M=11.432kg/min。

3）動(dòng)力電池加熱回路計(jì)算

電池正常的工作溫度范圍是0-45“C，汽車行駛過程中由于電池自身的產(chǎn)熱，所以電池的溫度不會(huì)低于0℃，這時(shí)只需要考慮電池組的散熱問題即可。

當(dāng)汽車?yán)鋯?dòng)或者是充電過程時(shí)，由于電池不產(chǎn)熱或者產(chǎn)熱量小，這時(shí)如果外界環(huán)境溫度過低會(huì)導(dǎo)致電池的溫度低于正常工作溫度范圍，這時(shí)需要對(duì)電池組進(jìn)行加熱。

由于電動(dòng)汽車電池組溫度低于0℃時(shí)電池?zé)o法工作，所以冷啟動(dòng)或充電時(shí)動(dòng)力電池的加熱需要外接設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)力電池加熱膜的功率由電池溫度以及加熱時(shí)間決定，電池溫度越低、加熱時(shí)間越短，所需要的加熱功率就越大。

這里假設(shè)電池初始溫度為T1=-30℃，目標(biāo)溫度T2=3℃。電池平鋪在汽車底部，電池的尺寸2500mm*1600mm*100mm（長(zhǎng)*寬*高），電池平均密度ρ=1500kg/m，電池的比熱容c=500J/kg.K，加熱時(shí)間20min，電池對(duì)加熱膜熱量的吸收率0.8。由PΔtX0.8=cρVΔT，帶入數(shù)據(jù)得P=10kW，所以電池加熱膜的最大功率應(yīng)該不小于10kW。

1）電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于輪轂電機(jī)通常是采用風(fēng)冷的形式，但是考慮到本文中電機(jī)功率遠(yuǎn)大于普通輪轂電機(jī)，所以電機(jī)采用風(fēng)冷加水冷的聯(lián)合冷卻形式。

電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)只需考慮散熱即可，假設(shè)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱需散熱功率為W1kW，其冷卻系統(tǒng)多采用水路串聯(lián)連接方式，即冷卻水經(jīng)由冷卻系統(tǒng)后，先流經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后流入電機(jī)，最后返回冷卻系統(tǒng)，形成水循環(huán)系統(tǒng)，示意圖如下圖所示:

綜合幾款EV電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制策略簡(jiǎn)述如下:

A.電機(jī)或電驅(qū)動(dòng)控制器均小于45℃時(shí)，水泵和散熱器風(fēng)扇都不工作，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依靠風(fēng)冷冷卻；

B.電機(jī)或電驅(qū)動(dòng)控制器有一個(gè)溫度在45~65℃時(shí)，水泵工作，散熱器風(fēng)扇不工作；

C.電機(jī)或電驅(qū)動(dòng)控制器有一個(gè)大于65℃時(shí)，水泵、散熱器風(fēng)扇同時(shí)工作。

2）電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器冷卻流量計(jì)算

電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器是電動(dòng)汽車的兩大關(guān)鍵部件，為了使電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器能夠正常工作，需要設(shè)計(jì)散熱器。

小負(fù)荷行駛時(shí)，電機(jī)及控制器產(chǎn)熱量較小，風(fēng)冷散熱系統(tǒng)能夠滿足二者的散熱需求。

當(dāng)汽車處于高速行駛、爬坡以及加速等大功率工況時(shí)，風(fēng)冷系統(tǒng)無法滿足電機(jī)及控制器的冷卻要求，這時(shí)就需要通過冷卻循環(huán)來進(jìn)行冷卻。

若電機(jī)及控制器的最大產(chǎn)熱功率為15kW，以水為冷卻介質(zhì)，另冷卻器入口處水溫為30℃，出口水溫為45℃。由Q=Cm（T1-T2），帶入數(shù)據(jù)得，M=14.28kg/min。

純電動(dòng)汽車代表著汽車工業(yè)未來發(fā)展的方向，但是，即使全球各地都有電動(dòng)汽車陸續(xù)上路，如何克服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電池容量、效率以及充電方式便利性等問題，都是電動(dòng)汽車商業(yè)化的關(guān)鍵。

從技術(shù)角度看，現(xiàn)有電池汽車存在下列主要問題：

1）續(xù)駛行程有限

目前市場(chǎng)上使用的電動(dòng)汽車一次充電后的典型續(xù)駛里程一般為100至300km，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車而言，電動(dòng)汽車的較短的續(xù)駛里程成為其“致命”的弱點(diǎn)。

2）電池壽命太短

盡管電池品種繁多，各有特點(diǎn)，但其裝備電動(dòng)汽車后，普遍存在續(xù)駛里程短、加速動(dòng)力差且壽命短等問題。

鎳錫電池、鋰離子電池成本高、可回收性差，但其加速動(dòng)力足、壽命較長(zhǎng)。

鈉硫電池的比能量較高，能夠提供較長(zhǎng)的續(xù)駛里程和較大的加速動(dòng)力，但它要求的工作環(huán)境較苛刻，且其活性物質(zhì)具有強(qiáng)腐化性并易爆炸。

金屬空氣電池雖然具有明顯的安全、干凈、低成本等特點(diǎn)，但目前還只是發(fā)展的初期階段。

就整體來看，還沒有非常理想的電池。

3）電池尺寸、重量的制約

現(xiàn)有電動(dòng)汽車所使用的電池，都不能在儲(chǔ)存足夠能量的前提下保持合理的尺寸和重量。

例如，現(xiàn)有電動(dòng)汽車電池的外體積一般要達(dá)到550L，把這么大體積的電池用于家庭轎車上時(shí)，就必然要擠占轎車的行李廂空間甚至乘客空間。

同樣，一部重量為2000kg的電動(dòng)汽車，其電池重量達(dá)到了1270kg，這也必然使其總體性能大打折扣。

4）電動(dòng)車價(jià)格昂貴

主要是電池技術(shù)復(fù)雜，成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技術(shù)，致使電動(dòng)汽車的造價(jià)居高不下。

5）間接污染嚴(yán)重

電動(dòng)汽車本身雖無排放污染，但其間接污染也是不能忽視的。