基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車變速器傳動(dòng)比的優(yōu)化研究

郭海龍，張永棟，張勝賓，王巍

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣州 510650；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641； 3.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車變速器傳動(dòng)比的優(yōu)化研究

郭海龍1，2，張永棟1，2，張勝賓1，王巍3

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣州 510650；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641； 3.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

針對(duì)目前純電動(dòng)汽車電池壽命衰減快導(dǎo)致其使用成本高的問(wèn)題，分析目前常規(guī)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的方法和不足，以及電池循環(huán)壽命的影響因素，在此基礎(chǔ)上，提出基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，該方法在保證純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，以動(dòng)力電池容量衰減率最低為目標(biāo)對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行匹配。以某款純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，運(yùn)用ADVISOR仿真軟件，結(jié)合電池壽命理論模型，建立純電動(dòng)汽車整車仿真模型，運(yùn)用所提出的方法確定該車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。研究結(jié)果表明，運(yùn)用基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，在一個(gè)NEDC循環(huán)工況下動(dòng)力電池容量衰減率降低了2.41%，從而降低了電動(dòng)汽車使用成本。

純電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；循環(huán)壽命；車輛動(dòng)力系統(tǒng)；參數(shù)匹配

0 引言

動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力來(lái)源，其循環(huán)壽命極大地制約了電動(dòng)汽車的普及。相關(guān)研究表明，純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配技術(shù)(電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、變速器等)以及控制策略和各部件的特性等方面的優(yōu)化，不但可以提高電池循環(huán)壽命、降低行駛成本，而且可以提高純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[1-2]。

目前純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法和傳統(tǒng)汽車類似，并沒(méi)有考慮能量源的差異。傳統(tǒng)汽車以燃油為能量源，某一時(shí)刻輸出的燃油量對(duì)下一時(shí)刻燃油能量密度沒(méi)有影響，而純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池輸出電能以電化學(xué)反應(yīng)為媒介，若動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，會(huì)使電池組某一時(shí)刻輸出電流過(guò)大，進(jìn)而引起電池組可放出的總能量減少，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命降低、整車?yán)m(xù)駛里程減少和行駛成本增加的惡果。

為此，論文以某款純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，提出基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配，來(lái)提高電池的循環(huán)壽命，增加續(xù)駛里程并降低整車能量消耗率。

1 常規(guī)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法

純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性匹配要綜合考慮動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、變速器等部件特性以及整車控制策略[2-5]。

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率Pmax必須滿足最高車速時(shí)的功率要求Pe、加速時(shí)的功率要求Pa和爬坡時(shí)的功率要求Pc，即：

Pmax≥[Pe,Pc,Pa]。

(1)

電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax通常由最高車速u(mài)max和傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比imin確定，應(yīng)滿足公式(2)。

(2)

式中：umax為最高車速，km/h；r為車輪滾動(dòng)半徑，m。

電機(jī)的峰值扭矩Tmax應(yīng)滿足汽車的起步加速和最大爬坡度，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩滿足最大爬坡度要求的前提下，一般可滿足車輛加速要求[3]，因此電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩需結(jié)合傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比imax和最大爬坡度αmax來(lái)確定，即：

(3)

式中：m為汽車質(zhì)量，kg；nt為傳 動(dòng)系機(jī)械效率；f為滾動(dòng)組力系數(shù)。

1.2 變速器參數(shù)的確定

變速器的傳動(dòng)比范圍由汽車的最高車速u(mài)max、電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速nmax、最大爬坡度αmax和傳動(dòng)系的機(jī)械效率ηt等決定，即：

(4)

(5)

式中：imin為變速器最小傳動(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比。

1.3 電池組參數(shù)的確定

電池組的電壓應(yīng)和電動(dòng)機(jī)工作電壓相匹配，電池容量的計(jì)算方式如下：

(6)

(7)

(8)

式中：P為電動(dòng)汽車所需電機(jī)功率，kW；V為汽車實(shí)際行駛速度，km/h；CD為空氣組力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；W為車輛續(xù)駛里程S(km)所需能量，kWh；u為電池組工作電壓，V；t為汽車行駛時(shí)間,h；C為電池組額定容量，Ah。

2 基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法

2.1動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)對(duì)電池壽命影響的分析

從上面的述敘可知，目前純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配基本上都是從整車角度出發(fā)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略了動(dòng)力電池本身固有特性，如動(dòng)力電池組的溫度、放電深度(DOD)和放電倍率特性等，而這些特性對(duì)電池的循環(huán)壽命有極大影響，根據(jù)公式(9)的Tafel公式[6]，可知放電倍率n和電池循環(huán)壽命N呈冪函數(shù)關(guān)系，放電倍率n越大電池循環(huán)壽命越短。

N=An-B。

(9)

式中：A和B為模型系數(shù)。

根據(jù)Bernardi[7]提出的電池生熱模型如公式(10)，可知電池的放電倍率又會(huì)導(dǎo)致電池組溫度升高加快：

(10)

根據(jù)公式(11)所示的Arrhenius方程[8]，可知電池組的溫度升高又會(huì)導(dǎo)致電池壽命衰減加快：

(11)

式中：k為化學(xué)反應(yīng)速率，這里表示電池容量衰減速率；A為模型系數(shù)；Ea為活化能；R為摩爾氣體常數(shù)，值為8.314J/k·mol；T為溫度，K。

由此可知，若純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配過(guò)程中忽略了電池壽命的影響因素，將會(huì)導(dǎo)致電池容量衰減過(guò)快，循環(huán)壽命降低，并增加純電動(dòng)汽車的行駛成本，為此本文提出基予電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法。

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配首先要滿足整車的動(dòng)力性要求，即根據(jù)公式(1)～(8)初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速最大功率、變速器傳動(dòng)比的范圍和電池組的電壓額定容量等參數(shù)，然后進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 電池循環(huán)壽命預(yù)測(cè)

(12)

式中：Qloss為電池容量衰減百分比；B為指前因子；C_Rate為放電倍率；R為理想氣體常數(shù)，其值為8.314 J/(mol·K)；T為溫度，K；Ah為累積放出安時(shí)數(shù)，Ah。

John Wang[13]給出放電倍率C_Rate為C/2、2C、6C和10C時(shí)B的值分別為31 630、21 681、12 934和15 512。該模型基于恒溫度和恒倍率電流放電時(shí)電池壽命預(yù)測(cè)。汽車在行駛過(guò)程中需求功率不斷變化導(dǎo)致電池溫度和放電倍率不斷波動(dòng)，為此，本文取溫度變化的平均值，將放電倍率進(jìn)行分段處理，將每個(gè)放電倍率區(qū)間對(duì)電池壽命衰減率相加得到電池總的衰減率進(jìn)而計(jì)算出電池循環(huán)壽命，電池放電倍率和B的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 放電倍率區(qū)間和指前因子B對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

在滿足使用要求的前提下，增加電機(jī)功率和電池容量將會(huì)導(dǎo)致整車成本上升和整車行駛經(jīng)濟(jì)性的下降。為此，可根據(jù)1.1計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)，然后根據(jù)電池組工作電壓、額定容量、單體電池組額定電壓和額定容量確定單體電池個(gè)數(shù)和串并聯(lián)方式。

純電動(dòng)汽車變速器一方面要滿足汽車行駛性能的要求，另一方面要使得電動(dòng)機(jī)經(jīng)常保持在高效率的工作范圍內(nèi)，減輕電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池組的負(fù)荷[14-17]。因此不同的變速器傳動(dòng)比將會(huì)導(dǎo)致電池組的放電電流和溫度不同，從而引起電池壽命衰減不同。

為分析不同變速器傳動(dòng)比對(duì)動(dòng)力電池壽命的影響，進(jìn)而確定基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)，本文基于整車基本參數(shù)，并運(yùn)用整車仿真軟件ADVISOR建立了整車仿真模型，然后在變速器傳動(dòng)比范圍內(nèi)，通過(guò)改變變速器傳動(dòng)比，并以NEDC工況為研究對(duì)象進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電池組的電流和溫度變化情況，運(yùn)用公式(12)，便可計(jì)算得出電池的循環(huán)壽命。

最終，通過(guò)電池壽命衰減率來(lái)優(yōu)化確定變數(shù)器的傳動(dòng)比。

3 基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配仿真

以市場(chǎng)上某款純電動(dòng)汽車為對(duì)象，運(yùn)用基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配與仿真分析。

3.1 整車主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求

該車的整車基本參數(shù)及設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表2。

表2 整車基本參數(shù)和設(shè)計(jì)要求

3.2 整車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真分析

根據(jù)2.2基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，首先選擇了交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 電機(jī)的基本參數(shù)

同樣，確定變速器的最小傳動(dòng)比為4.54，最大傳動(dòng)比為7.42。

結(jié)合本文所采用的額定電壓為3.2 V、容量為10 Ah的磷酸鐵鋰單體電池，并匹配電動(dòng)機(jī)288 V的工作電壓，經(jīng)計(jì)算得出電池組的容量為49.57 Ah，最終確定電池組的參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 電池組參數(shù)

根據(jù)以上確定的動(dòng)力參數(shù)，在Advisor中建立整車模型，如圖1所示。并將變速器傳動(dòng)比設(shè)置為4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.4，然后進(jìn)行NEDC工況仿真，在忽略制動(dòng)能量回收影響的條件下，得出不同變速器傳動(dòng)比條件下的電池組電流變化和溫度變化并取其平均值，其中，傳動(dòng)比為6時(shí)動(dòng)力電池組電流變化如圖2所示，各傳動(dòng)比下電池平均溫度如圖3所示。

將電流值和平均溫度代入公式(12)，即可得到NEDC工況下該電池容量的衰減率，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)變速器傳動(dòng)比為6.5時(shí)，一個(gè)NEDC循環(huán)工況電池容量衰減率最小為0.166%，比可行域內(nèi)的4.5傳動(dòng)比，電池容量衰減率降低了2.41%。因此，為提高電池循環(huán)壽命，可將變速器傳動(dòng)比設(shè)置為6.5。

圖1 車輛仿真Advisor模型Fig.1 The vehicle simulation model of Advisor

圖2 不同變速器傳動(dòng)比下仿真得到的電池組 電流變化情況Fig.2 The simulation current range in different transmission ratio

圖3 不同傳動(dòng)比下的一個(gè)NEDC循環(huán)工況電池組平均溫度Fig.3 The average temperature of battery in different transmission ratio of NEDC

圖4 不同變速器傳動(dòng)比的下一個(gè)NEDC 循環(huán)工況電池容量衰減率Fig.4 The capacity fading of battery in different transmission ratio of NEDC

4 結(jié)論

論文提出了基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，該方法以電池壽命衰減率最小為目標(biāo)，對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配。

運(yùn)用基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了匹配，研究表明當(dāng)車輛變速器傳動(dòng)比為6.5時(shí)，一個(gè)NEDC循環(huán)工況下電池循環(huán)壽命衰減率降低2.41%，能夠降低純電動(dòng)汽車的使用成本。

[1] 崔津滔.基于電池動(dòng)態(tài)特性的純電動(dòng)汽車動(dòng)力匹配技術(shù)的研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2016.

[2] 劉維信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3] 朱鵬飛，趙文杰，許宏云.基于CRUISE純電動(dòng)汽車匹配計(jì)算與仿真[J].上海汽車，2012，156(9)：11-15.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5] 劉新.純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與仿真研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[6] 時(shí)瑋，張言茹，陳大分，等.錳酸鋰動(dòng)力電池壽命測(cè)試方法[J].汽車工程，2015，37(1)：67-71.

[7] Bernardi D，Pawlikowski E，Newman J.A general energy balance for battery systems[J].Journal of the Electrochemical Society，1984，132(1)：5-12.

[8] 王雪非.基于工況仿真的鋰動(dòng)力電池壽命研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011.

[9] Ramadass P，Haran B，Gomadam P M，et al.Development of first principles capacity fade model for li-ion cells[J].Journal of the Electrochemical Society，2004，151(2)：196-203.

[10] 張金國(guó)，王小君，朱潔，等.基于MIV的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)磷酸鐵鋰電池壽命預(yù)測(cè)[J].電源技術(shù)，2016，40(1)：50-52.

[11] 劉漢雨.鋰離子電池充電方法及壽命預(yù)測(cè)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2014.

[12] 董婷婷.增程式電動(dòng)車能量管理及電池壽命研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[13] Wang J，Liu P，Hicksgarner J，et al.Cycle-life model for graphite-LiFePO4 cells[J].Journal of Power Sources，2011，196(8)：3942-3948.

[14] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[15] 胡偉，溫旭輝，劉鈞.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性模型及預(yù)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2007，37(12)：7-10.

[16] 陳安紅.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

[17] 李斌花.純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2005.

OptimizationofPureElectricVehicleTransmissionParametersBasedontheCycleLifeofPowerBattery

Guo Hailong1，2，Zhang Yongdong1，2，Zhang Shengbin1，Wang Wei3

(1.School of Automobile and Construction Machinery，Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650； 2.School of Mechanical & Automobile Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641； 3.School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Aiming at the problem that the battery life of the pure electric vehicle is low which leads to high cost，the method and the shortcomings of the parameters of conventional pure electric vehicle power system and the influence factors of the battery cycle life are analyzed.On this basis，a method of pure electric vehicle power system parameters design based on the cycle life of power battery has been proposed.Ensuring the power and economy of pure electric vehicle，the method can match the dynamic parameters of pure electric vehicle with the lowest decay rate of power battery capacity.Taking the pure electric vehicle as the research object，using the ADVISOR simulation software and the battery life theory model，the pure electric vehicle simulation model is established，and the dynamic system parameters are determined.The results show that the power battery capacity of the pure electric vehicle based on the above method is reduced by 2.41% under a NEDC cycle condition，which could reduce the cost of electric vehicles.

Pure Electric Vehicle；power battery；cycle life；vehicle power system；parameters design

R 282.71

：A

：1001-005X(2017)05-0108-05

2017-06-01

廣東省優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)項(xiàng)目(YQ2013197)；廣東省高等學(xué)校高層次人才項(xiàng)目(2013-203)；廣東省交通運(yùn)輸廳節(jié)能減排項(xiàng)目(節(jié)能-2014-06-002)

郭海龍，博士，副教授。研究方向：電動(dòng)汽車控制策略研究。E-mail：107289145@qq.com

郭海龍，張永棟，張勝賓，等.基于電池循環(huán)壽命的純電動(dòng)汽車變速器傳動(dòng)比的優(yōu)化研究[J].森林工程，2017，33(5)：108-112.