電動(dòng)汽車(chē)電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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電動(dòng)汽車(chē)電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要 首先，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)，給出了電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)思路，分析了城市交通的特點(diǎn)，提出了小型純電動(dòng)汽車(chē)的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了小型純電動(dòng)汽車(chē)的電氣系統(tǒng)總體，對(duì)各個(gè)控制單元的功能進(jìn)行了分析。其次，建立了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，基于電池組輸出能量與電動(dòng)汽車(chē)消耗能量相等的原則，給出了電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的計(jì)算方法，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析，為電動(dòng)汽車(chē)的研究開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。再次，探討了電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立了整車(chē)及各個(gè)組件的數(shù)學(xué)模型和 Simulink仿真模型。最后，基于 PLC 和變頻器設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，該控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、倒車(chē)、停止、制動(dòng)進(jìn)行較為精確的控制，可以為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)提供新的參考。關(guān)鍵詞 電動(dòng)汽車(chē), 參數(shù)優(yōu)化, 系統(tǒng)仿真, 自動(dòng)控制, 可編程控制器1 緒論純電動(dòng)汽車(chē)是以二次電池為儲(chǔ)能載體，二次電池以鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池為主。由于二次電池目前在儲(chǔ)電量、充放電性能、使用壽命、成本等方面無(wú)法與內(nèi)燃機(jī)相比，因此近一時(shí)期以來(lái)，研究進(jìn)展不大，大多數(shù)研究單位已將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)為混合動(dòng)力汽車(chē)。續(xù)駛里程有限:目前市場(chǎng)上使用的電動(dòng)汽車(chē)一次充電后的續(xù)駛里程一般為 100～300km，且這個(gè)數(shù)字通常還需要保持適當(dāng)?shù)男旭偹俣燃熬哂辛己玫碾姵毓芾硐到y(tǒng)才能得到保證，而絕大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)在一般行駛環(huán)境下的續(xù)駛里程只有 50～100km。比起傳統(tǒng)燃油汽車(chē)而言，電動(dòng)汽車(chē)的較短續(xù)駛里程成為其致命的弱點(diǎn)。成本過(guò)高:目前各式電動(dòng)汽車(chē)能示范運(yùn)行的，都是在原燃油汽車(chē)的底盤(pán)、車(chē)廂基礎(chǔ)上改裝而成的，即將發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱等系統(tǒng)全數(shù)拆下，然后裝上電機(jī)、電池等相關(guān)配套設(shè)備就形成電動(dòng)汽車(chē)。電池、電機(jī)及其控制器技術(shù)復(fù)雜，其成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技術(shù)，致使電動(dòng)汽車(chē)的造價(jià)居高不下。蓄電池性能難以滿足要求:電動(dòng)汽車(chē)使用的普通蓄電池的壽命最多為 4 年，與燃油汽車(chē)的壽命相比太短。若采用動(dòng)力足、壽命較長(zhǎng)的電池，其成本較高。普通燃油汽車(chē)填充燃料，方便快捷，而當(dāng)今市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間一般在 6～8 小時(shí)，給電動(dòng)汽車(chē)的使用帶來(lái)極大不便。現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)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質(zhì)量。如果電動(dòng)汽車(chē)自身整備質(zhì)量大，就會(huì)影響加速性能和最大車(chē)速的提高。電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施有待建設(shè):電動(dòng)汽車(chē)即將進(jìn)入商業(yè)化階段，與大批量電動(dòng)汽車(chē)正常運(yùn)行有關(guān)的基本配套設(shè)施和法律法規(guī)還不健全。充電站、蓄電池更換站、維修站建設(shè)基本上處于空白階段。電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)化，汽車(chē)行駛相應(yīng)的政策法規(guī)正在制定之中。電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程。2 電動(dòng)汽車(chē)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)總體配置框圖如圖 2.5 所示。整車(chē)以車(chē)輛管理單元(VMU)作為主控制單元，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元(PMU)、電池管理單元(BMU)及相關(guān)控制電器作為從控制單元，以電動(dòng)機(jī)和蓄電池組作為控制對(duì)象。其控制流程如下:駕駛員控制操縱裝置(如踏板、鑰匙)向 VMU 發(fā)出命令，VMU 通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接收控制命令并采集 BMU、PMU、整車(chē)等的狀態(tài)信息進(jìn)行相應(yīng)的處理和運(yùn)算，然后發(fā)出操縱指令，PMU, BMU 和車(chē)載儀表由通訊網(wǎng)絡(luò)獲得 VMU 操縱命令，執(zhí)行命令并反饋信息至 VMU。主電池經(jīng) DC/DC 變換器向 VMU 及原有車(chē)身電氣系統(tǒng)（冷風(fēng)暖風(fēng)、助力轉(zhuǎn)向、車(chē)燈、音響、喇叭和刮水器等)提供低壓電。圖 2.5 小型純電動(dòng)汽車(chē)電氣系統(tǒng)總體配置框圖對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，很多部分都由獨(dú)立的電子控制器進(jìn)行控制。為了將整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)各系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和相互之間協(xié)同工作，采用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。CAN 網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一種，它是一種架構(gòu)開(kāi)放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，稱(chēng)為控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN 網(wǎng)絡(luò)原本是德國(guó) BOSCH 公司為歐洲汽車(chē)市場(chǎng)所開(kāi)發(fā)的。CAN 推出之初是用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。在現(xiàn)代轎車(chē)的設(shè)計(jì)中，CAN總線被廣泛的采用，奔馳、寶馬、大眾等汽車(chē)都采用了 CAN 總線進(jìn)行控制器的聯(lián)網(wǎng)。CAN總線的特點(diǎn)如下 [12]:(1) 數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率高根據(jù)物理層實(shí)現(xiàn)的不同最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá) 10km，最高傳輸速率可達(dá) 1Mbit/s。(2) 多主、廣播式通信CAN 通信網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)地址之分，各個(gè)主設(shè)備的通信采用廣播式通信。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文，節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符決定接收或屏蔽該報(bào)文。原理上網(wǎng)絡(luò)可連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量不限，但局限于物理層實(shí)現(xiàn)。(3) CSMA/CD+AMP 總線訪問(wèn)仲裁機(jī)制CAN 總線采用 CSMA/CD+AMP 總線訪問(wèn)仲裁機(jī)制。各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)總線出現(xiàn)空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)才允許發(fā)送數(shù)據(jù)。而當(dāng)總線上同時(shí)有超過(guò)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳送報(bào)文時(shí)，則采用“無(wú)損逐位仲裁”的方法來(lái)仲裁總線控制權(quán)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文擁有最高優(yōu)先權(quán)，沒(méi)有來(lái)得及發(fā)送的報(bào)文則等待并重新發(fā)送。報(bào)文的優(yōu)先級(jí)由報(bào)文的標(biāo)識(shí)符決定。這樣擁有較高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文會(huì)贏得仲裁并能夠保證在一定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送成功，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。(4) 高安全性，可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)和處理機(jī)制CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)。節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自我切斷功能。2.4 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制回路結(jié)合小型電動(dòng)汽車(chē)電氣系統(tǒng)總體配置框圖，設(shè)計(jì)出電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制回路總體框圖，如圖2.8 所示。圖 2.8 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制回路總體框圖圖中 BMU 為電池管理單元；VMU 為車(chē)輛管理單元；PMU 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)管理單元；KA1 為 VMU電源繼電器；KA2 為 PMU 主接觸器控制繼電器；KA3 為充電接觸器控制繼電器；KA4 為 PMU 軟上電繼電器的控制繼電器；KA5 為 PMU 軟上電繼電器；KM1 為 PMU 單元主接觸器；KM2 為充電接觸器；R 為軟上電限流電阻；S1B 為 BMU 電源開(kāi)關(guān)；S1V 為 VMU 開(kāi)關(guān)；SQ1 為充電機(jī)接通信號(hào)行程開(kāi)關(guān)；F 為熔斷器。3 電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程及其影響因素3.1 電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型汽車(chē)在無(wú)風(fēng)天氣、正常道路上行駛過(guò)程中，道路負(fù)載如圖 3.1 所示。圖 3.1 電動(dòng)車(chē)的道路負(fù)載根據(jù)力的平衡關(guān)系，電動(dòng)汽車(chē)的行駛方程式為 [15]:Ft = Ff + Fw + Fi + Fj 式(3.1)Ft = fmgcosa + + mg sina + δma 式(3.2)15.2aDAVC式中 m 整車(chē)質(zhì)量（kg） ；f 滾動(dòng)阻力系數(shù)；δ 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a 車(chē)輛加速度（m/s 2） ；Va 車(chē)速（m/s） ；CD 空氣阻力系數(shù)；A 車(chē)輛前部迎風(fēng)面積（m 2） ；a 道路的坡度角 ( °)；Ft 電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力（N） ；Ff = fmgcosa 電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力（N） ；Fw = 電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)的空氣阻力（N ） ；15.2aDAVCFi = mg sina 電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)的坡道阻力（N） ；Fj = δma 電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)的加速阻力（N） ；以電動(dòng)汽車(chē)行駛速度 Va 乘以式(3.2)兩端，考慮機(jī)械損失，再經(jīng)過(guò)單位換算之后可得:Pm = ( fmgcosa + + mgsina + δma) Va 式(3.3)T?360115.2aDAVC= ( Pf + Pw + Pi + Pj ) 式(3.4)式中 Pm 電動(dòng)機(jī)輸出功率（kw） ； 電動(dòng)機(jī)輸出軸至驅(qū)動(dòng)輪之機(jī)械傳動(dòng)裝置的總效率；T?Pf = 克服行駛阻力所消耗的功率（kw ） ；360cosaVgPi = 克服坡度阻力所消耗的功率（kw ） ；inmPw = 克服空氣阻力所消耗的功率（kw ） ；761403aACDPj = 克服加速阻力所消耗的功率（kw ） ；V?電動(dòng)汽車(chē)上動(dòng)力蓄電池組兩次充足電之間的總行駛里程稱(chēng)為電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，以千米(km)來(lái)表示。目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量續(xù)駛里程通用的方法是等速法和工況法 [15],工況法較復(fù)雜，這里選用等速法進(jìn)行推算。汽車(chē)以速度 V 等速行駛時(shí)，其坡度阻力和加速阻力消耗的功率忽略不計(jì)，所需的電機(jī)輸出功率 Pm，和輸出轉(zhuǎn)矩 Ttq,為:Pm = ( fmg + ) V 式(3.5)T?360115.2aADCTtq = ( fmg + ) 式(3.6)Toigr.當(dāng)汽車(chē)以速度 V 等速形式時(shí)，續(xù)駛里程為（推導(dǎo)見(jiàn)附錄 A）: S = V t = V = ( )k-1 式(3.7)mPW?PQesUDO10?Im3.2 等速法續(xù)駛里程影響因素分析電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程的影響因素比較復(fù)雜，與電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中的能量消耗緊密相關(guān)。由電動(dòng)機(jī)需要輸出的功率表達(dá)式(3.5)可以看出，影響它的主要因素來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)本身結(jié)構(gòu)條件和行駛的外部條件。在電池能量不變的條件下，續(xù)駛里程指標(biāo)與行駛阻力 T 和行駛阻力功率 P 及電機(jī)的效率曲線 η = f(P)有關(guān)。而行駛的阻力矩和阻力功率又與滾動(dòng)阻力系數(shù)f、迎風(fēng)阻力系數(shù) CD、整車(chē)總重量 G、迎風(fēng)面積 A、車(chē)速 V 等有關(guān)。3.2.1 電機(jī)對(duì)續(xù)駛里程的影響對(duì)于固定速比的電動(dòng)汽車(chē)，行駛過(guò)程中汽車(chē)行駛速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定的比例。同時(shí)，汽車(chē)行駛的速度不同，對(duì)電機(jī)的需求功率不同，這樣電機(jī)處于不同的工作狀態(tài)，由于電機(jī)各個(gè)工作狀態(tài)效率的不同，對(duì)續(xù)駛里程將產(chǎn)生很大的影響，我們希望電機(jī)的高效率區(qū)比較寬廣。圖 3.2 為 Y112M-4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率特性曲線。當(dāng)汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量 M =1020kg。當(dāng)汽車(chē)行駛速度很低時(shí)，行駛阻力很小基本保持不變，但是電機(jī)效率很低，隨著車(chē)速的增加，電機(jī)效率上升，續(xù)駛里程增加；當(dāng)車(chē)速 V =20km/h 時(shí)，續(xù)駛里程達(dá)到最大值；若車(chē)速繼續(xù)增加，電機(jī)效率變化很小，但阻力隨車(chē)速增加而迅速增長(zhǎng)，續(xù)駛里程逐漸減小。3.2.2 整車(chē)因素對(duì)續(xù)駛里程的影響(l) 整車(chē)質(zhì)量的影響：電動(dòng)汽車(chē)的質(zhì)量直接影響到汽車(chē)的續(xù)駛里程和駕駛性能。在汽車(chē)等速行駛時(shí)，車(chē)體質(zhì)量變化引起對(duì)電動(dòng)機(jī)功率輸出需求的變化，使得電動(dòng)機(jī)處于不同的工作狀態(tài)，我們考察質(zhì)量在-10%～10%變化時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。當(dāng)汽車(chē)等速行駛 V =45km/h，原車(chē)重 M =1020kg ,質(zhì)量的變化范圍為[918,1122]。隨著整車(chē)質(zhì)量的增加，電機(jī)效率有所提高。但是，對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出功率的需求也逐步增加，汽車(chē)的續(xù)駛里程減小。續(xù)駛里程在-6.38%～7.42%范圍內(nèi)變化。整車(chē)質(zhì)量在-10%～10%范圍內(nèi)變化。隨著汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量的增加，等速行駛續(xù)駛里程將減小。(2) 滾動(dòng)阻力系數(shù)的影響：滾動(dòng)阻力系數(shù)與路面的類(lèi)型、路況、行駛車(chē)速以及輪胎的結(jié)構(gòu)、材料、充氣壓力、磨損情況等有關(guān)。若以 f =0.018 為基準(zhǔn)，當(dāng)滾動(dòng)阻力系數(shù)在-10%～10%范圍變化時(shí)，考察當(dāng)汽車(chē)等速行駛 V=45km/h,車(chē)重 M=1020kg 時(shí)，續(xù)駛里程隨滾動(dòng)阻力系數(shù)變化曲線如圖 3.8 示。由數(shù)據(jù)計(jì)算得到續(xù)駛里程的變化范圍為-6.51%～7.6%隨著滾動(dòng)系數(shù)的增加，汽車(chē)需要克服的滾動(dòng)阻力增加，電池組能量為有限定值，續(xù)駛里程隨之而加少。不同速度下等速行駛續(xù)駛里程與滾動(dòng)阻力系數(shù)變化的關(guān)系，低速段主要受電機(jī)效率的制約，車(chē)速加快，電機(jī)效率增加，續(xù)駛里程增加。在高速段電機(jī)效率變化不大，主要受行駛阻力的影響，隨著車(chē)速的進(jìn)一步加大，行駛阻力加大，汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程減小。(3) 空氣阻力系數(shù)的影響:汽車(chē)直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力，稱(chēng)為空氣阻力 Fw。受空氣阻力系數(shù)變化的影響， V =45km/h 時(shí)續(xù)駛里程變化曲線如圖 3.10 示。電機(jī)的輸入、輸出功率隨之而變化趨勢(shì)曲線如圖 3.11 示。隨著空氣阻力系數(shù)的增加，汽車(chē)的續(xù)駛里程減少，電動(dòng)機(jī)的輸入、輸出功率增加。C D 以 0.4 為基準(zhǔn)在-10%～10%范圍內(nèi)變化，續(xù)駛里程的變化范圍為-5.93%～6.8%。在不同的等速下空氣阻力系數(shù)對(duì)續(xù)駛里程的影響。在車(chē)速 V＜20km/h 時(shí)，曲線基本重合，空氣阻力系數(shù)變化對(duì)續(xù)駛里程的影響很小，這是由于低速時(shí)空氣阻力很小造成。當(dāng)V＞20km/h 時(shí)，由于空氣阻力與速度的平方成正比，隨著速度的增加空氣阻力系數(shù)變化的影響加強(qiáng)，同一等速下汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程變化范圍變大。(4) 車(chē)輛迎風(fēng)面積的影響：汽車(chē)在行駛方向上的投影面積為汽車(chē)的迎風(fēng)面積。汽車(chē)迎風(fēng)面積是影響汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)阻力的主要因素之一。當(dāng)汽車(chē)以 V=45km/h 等速行駛，迎風(fēng)面積以A=1.7019m2 為基準(zhǔn)在-10%～10%范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響見(jiàn)圖 3.12 示。車(chē)輛迎風(fēng)面積的增加使得汽車(chē)等速行駛時(shí)所受空氣阻力增加，對(duì)電動(dòng)機(jī)需求功率增加，能量消耗增加，汽車(chē)的續(xù)駛里程減小。續(xù)駛里程的變化范圍為-2.47%～2.62%。3.2.3 電池對(duì)續(xù)駛里程的影響在電動(dòng)汽車(chē)中，電池是能量的來(lái)源，電池有效能量直接決定了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。由式(3.7)知，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)攜帶的電池總質(zhì)量一定時(shí)，電池比能量 q 的不同，電池容量不同，隨著電池比能量地增加，電池的容量增加，等速行駛的續(xù)駛里程增加。圖 3.14 為 V =45km/h等速行駛時(shí)續(xù)駛里程隨電池比能量的變化曲線。電池比能量在-10%～10%范圍內(nèi)變化，續(xù)駛里程在-10%～10%范圍內(nèi)變化。汽車(chē)在不同等速下電池比能量變化對(duì)續(xù)駛里程影響的曲線，在相同的車(chē)速下電機(jī)的工作點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生變化，電池比能量變化對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)無(wú)影響。4 純電動(dòng)汽車(chē)的參數(shù)優(yōu)化分析4.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的描述電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，可以歸結(jié)為在滿足汽車(chē)動(dòng)力性能前提下，續(xù)駛里程最長(zhǎng)的問(wèn)題。進(jìn)而可以表述為，汽車(chē)動(dòng)力性能約束下，汽車(chē)質(zhì)量最小的問(wèn)題。這樣動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題抽象為一個(gè)全變量約束問(wèn)題，即帶有約束條件的多元非線性函數(shù)最小值問(wèn)題，其表達(dá)式為:式（4.1）????????bUxIeqACf0)(min式中 x =(x1, x2, x3…) 設(shè)計(jì)變量；f (x) 目標(biāo)函數(shù)； C (x) 非線性不等約束； Ceq(x) 非線性等式約束；A、 b 滿足線性不等式約束 A·x≤b；Aeq, beq 滿足等式約束 Aeq·x =beq；lb、u b 滿足 lb≤x≤u b；利用 Matlab 優(yōu)化設(shè)計(jì)工具箱可以實(shí)現(xiàn)有約束的多元函數(shù)最小值的求解 [17]。4.2 參數(shù)匹配的初始條件和約束參數(shù)匹配的初始條件包括原車(chē)性能參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)兩個(gè)部分。其中車(chē)輛的性能參數(shù)見(jiàn)表3.1，而設(shè)計(jì)目標(biāo)又分為基本動(dòng)力性要求和目標(biāo)循環(huán)工況下經(jīng)濟(jì)性要求?；緞?dòng)力性要求見(jiàn)表 2.2，目標(biāo)循環(huán)工況的選取是根據(jù)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)道路車(chē)輛能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定，采用歐洲十五工況(ECE-R15)循環(huán)為目標(biāo)工況其基本參數(shù) [2]。4.3 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能要求對(duì)各組件的約束(l) 電機(jī)功率約束，汽車(chē)以 Va 車(chē)速在坡度為 a 的路面上行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)的需求功率為:Pi = ( fmgcosa+ + mg sina) Va 式(4.2)T?360115.2aDAVC汽車(chē)在 tf 時(shí)間內(nèi)速度由 0 加速至 vm 所需功率為：Pa = ( ) 式(4.3)ftm2nV?汽車(chē)以最高車(chē)速，在平直路面上行駛時(shí)所需要的功率為：Pv = ( fmg + ) Vmax 式(4.4)T?360115.2maxACD所以電動(dòng)機(jī)的最大功率為：Pmmax = max（P i， Pa， Pv） 式(4.5)(2) 電池功率和能量約束，在純電動(dòng)汽車(chē)中，電池作為唯一的能量源，在滿足汽車(chē)行駛的功率要求的同時(shí)，必須保證具有足夠的能量來(lái)維持一定的續(xù)駛里程。對(duì)于電動(dòng)勢(shì)為 E，內(nèi)阻為 R 的鉛酸電池在實(shí)際應(yīng)用中最大輸出功率應(yīng)為：Pbmax = 式(4.6)RE92電池組最大功率為： Pbmax ≥ 式(4.7)DOm?axP式中 電機(jī)及控制器工作效率m?電池放電深度DO若要求汽車(chē)以等速 V 行駛的續(xù)駛里程為 S，由式（3.25）知Qm≥ ( )k-1 式(4.8)mesPVUDO10?I若單塊電池的容量為 Qb 由式（ 3.8）得nbat≥ ( )k-1 式(4.9)melbPUSVDO10od?I4.4 動(dòng)力參數(shù)優(yōu)化匹配圖 4.2 所示為優(yōu)化過(guò)程，優(yōu)化過(guò)程中的一次迭代由三個(gè)部分組成。運(yùn)行工況定常參數(shù)設(shè)計(jì)變量汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真分析仿真數(shù)據(jù)確定組件規(guī)范確定組件參數(shù)目標(biāo)函數(shù)組件特征非線性不等式和等式約束 c(x)和 ceq(x)圖 4.2 設(shè)計(jì)模型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化流程首先，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真，由車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型提供的最初的即時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次，分析上一步提供的數(shù)據(jù)并且根據(jù)考慮到動(dòng)力學(xué)特性的各種原則詳細(xì)描述組件的規(guī)范。最后是確定組件參數(shù)尺寸過(guò)程。這些組件特性被用來(lái)進(jìn)行約束估計(jì)。當(dāng)所有約束條件都滿足并且目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值時(shí)停止優(yōu)化程序。電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型為基于能量的全變量模型。由描述車(chē)輛不同組件的模型組成，如圖 4.3 所示。圖中 η和 E 分別為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)每個(gè)組件的效率和輸出能量。工況循環(huán)整車(chē)Ev傳動(dòng)系統(tǒng)η r Er電機(jī)η mEm電池η bEb逆變器η c Ec圖 4.3 基于能量的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)第三章電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)分析在 Matlab/Simulink 環(huán)境下建立仿真模型如圖 D1（附錄 D）所示，根據(jù)圖 D1 電動(dòng)汽車(chē)能量傳遞關(guān)系，建立基于能量的全變量模型見(jiàn)圖 D2 所示。5 結(jié)論本文闡述了小型純電動(dòng)汽車(chē)的性能指標(biāo)、電氣系統(tǒng)的構(gòu)成及各個(gè)單元的性能，設(shè)計(jì)了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制電路。然后分析了電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的計(jì)算方法和影響因素，提出了提高汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的措施。將電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力參數(shù)匹配問(wèn)題歸結(jié)為全變量約束優(yōu)化問(wèn)題，提出可以對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并可利用 ADVISOR 軟件進(jìn)行整車(chē)性能仿真。最后利用PLC 和變頻器實(shí)現(xiàn)了電控單元的整車(chē)控制，并設(shè)計(jì)人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警。由此，可以得到以下結(jié)論:(1) 城市通勤車(chē)輛車(chē)速平均在 30km/h，續(xù)駛里程一般小于 60km，小型純電動(dòng)汽車(chē)完全能夠滿足人們的要求，成為理想的代步工具。(2) 電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程是電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，主要受整車(chē)參數(shù)、電機(jī)、電池性能的影響。提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，要盡可能的降低各環(huán)節(jié)的能量損失，降低輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)、改善汽車(chē)外形、減輕汽車(chē)總質(zhì)量，進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配。(3) 動(dòng)力系統(tǒng)的合理匹配是改善汽車(chē)性能，提高續(xù)駛里程的有效措施。動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配問(wèn)題是全變量約束最優(yōu)化問(wèn)題，采用直接法可以在優(yōu)化的同時(shí)修改模型，使得匹配結(jié)果快捷、準(zhǔn)確。(4) 整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制采用 PLC 控制應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的要求。PLC 作為車(chē)輛驅(qū)動(dòng)控制單元的微處理器，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維修方便等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目， 控制系統(tǒng)采用的硬件和軟件也各不相同如用 DSP、單片機(jī)等，各種系統(tǒng)的控制效果有待于實(shí)踐的檢驗(yàn) 。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用 PLC 控制電動(dòng)汽車(chē)的先例很少， 因而，借鑒的因素較少，控制系統(tǒng)的質(zhì)量有待進(jìn)一步試驗(yàn)和改進(jìn) 。但基于 PLC 的十分完善的技術(shù)，通過(guò)整合，定會(huì)給電動(dòng)汽車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)帶來(lái)有用的效果。參 考 文 獻(xiàn)[1] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社，2002.11.[2] C.C.Chan. 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These provide the theoretical foundation for the development of Mini-BEV.Third, the paper discusses the optimum design of BEV by adopting a new kind of design method. Build the mathematic model and Simulink model of the whole BEV and the models of its components.At last, The control system of electric vehicle driven is designed. The structure of the control system and the hardware and software of the system are analyzed. The control system can perform the function of veering, going ahead, backing, stopping and braking. So it can give important reference to the design of controller of electric vehicle.。Keywords electric vehicle, optimum design, Simulink, automatic control, PLC