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外文翻译
6.5混合动力汽车用电机
混合动力电动车辆中使用的电动机和交流发电机原则上与上述电动机和交流发电机没有区别。实际上，在许多情况下，混合动力车辆中使用的电动机与其他任何类型的电动机之间没有显着差异。
某些类型的混合动力车辆的基本原理在第1章中描述。在串联混合动力车辆中，电动机器确实没有什么不同。来自许多其他应用程序中使用的那些。例如，牵引电动机将以与经典电池供电的电动车辆的情况相同的方式工作。
在并联式混合动力车中，机器设计有一些新颖性。一个例子是用于多种设计的曲轴安装电机，包括突破性的本田Insight。这里是电机，其中可以作为电动机或发电机工作，直接安装在发动机曲轴箱上。在大多数情况下，这种机器是一种无刷DC（或同步AC）电动机，如6.3.2节所述。它们将是多极机器，因为它们的位置意味着它们的尺寸需要长度短且直径宽。它们在一个重要方面几乎总是与图6.25的机器不同：它们通常是“内翻”，固定线圈在内部，转子是在线圈外移动的磁带。这个想法如图6.35所示。较大的直径允许这种结构，其优点在于磁体上的离心力趋于使它们保持在适当的位置，而不是将它们从它们的安装中扔出。
值得指出的是，这种相同类型的内置电机用于与车轮一体的电机，例如图8.9的机器。
但是，并非所有并联式混合动力车都使用这种类型的特殊多电机。一些混合动力汽车电机使用相当传统的单极，相当高速的机器，它与发动机曲轴连接很像交流发电机。普通的传统IC发动机车辆。风扇皮带式连接更加坚固。
图6.35电动机图
使用相当传统的电动机的另一种类型的并联混合动力是前轮由电动机驱动的类型，后部直接由IC发动机驱动。 当需要更多动力时，前轮是电动的，或者当在队列中非常缓慢地行驶时，或者当牵引目的需要四轮驱动时。 类似地，前轴提供制动，使用机器作为发电机，在减速时再生一些能量。这种类型的并联混合动力可能适用于一些较大的汽车和货车，如图1.12和1.13所示。
图6.36示范混合柴油/电力单元安装在智能。电动机/发电机是底部标记为“超级”的单元。
由前轴驱动和驱动的机器不需要与6.3节中描述的那些不同。
另一种已在智能汽车上取得一些成功尝试的并联混合动力装置如图6.36所示。 在这里，主发动机几乎保持不变，但在发动机底座附近增加了一个电机，因此它通过自己的驱动系统连接到驱动差速器。 如果发动机不工作，这允许它驱动车辆，但它不必与曲轴一致。 对发动机的其余部分进行最小的改动，这降低了成本。电动机的形状和工作速度意味着它不需要是非常特殊的类型。
7.电动汽车建模
7.1概述
对于所有汽车而言，其性能及其变化范围的预测都很重要。计算机能够使我们很容易地做到这一点。最重要的是，基于计算机的方法使我们能够快速试验车辆的各个方面，如电机功率、电池类型和尺寸、重量等等，看看这些变化是如何影响性能及其范围的。在这一章我们将展示我们在前面几章中建立的方程是如何综合起来进行精确和有效的模拟建模的。此外，我们将展示如何在不使用任何专业编程技术知识的情况下完成这项工作，即不使用像标准数学、电子表格程序、MTLAB和EXCEL这些能够很好实现汽车建模的编程技术。我们还将看到电动汽车的一些特性使得性能的数学建模比其他车辆更容易。
我们要建模的第一个参数是整车性能。就性能而言，我们指的是加速度和最高速度，在这个领域，电动汽车的声誉非常差。任何电动汽车都必须具备一定的性能，至少能与普通城市交通安全融合。许多人认为，如果要实现大规模销售，其性能至少应与当前的IC发动机车辆一样好。
电动汽车的另一个我们必须能够预测的重要特征就是它的行驶里程。这也可以通过使用计算机来数学建模从而很容易做到这一点。我们将发展的数学将使我们能够看到诸如改变电池的类型和容量，或者汽车设计的其他方面而带来的性能变化。这对于汽车设计师来说是必不可少的工具。
接着我们将继续展示模拟产生的数据除了预测性能和范围外还有其他用途，例如我们将了解如何使用有关电机扭矩和转速的数据来优化电机和其他子系统的设计。
7.2牵引力
7.2.1概述
车辆性能建模的第一步是建立牵引力的方程。这是推动车辆前进的力，通过驱动轮传递到地面。
考虑一辆汽车的质量为m,速度为v,坡角为,如图7.1所示。推动车辆前进的牵引力必须完成以下任务:
- 克服滚动阻力;
- 克服滚动阻力;
- 提供克服沿坡向下作用的车辆重量分量所需的力;
- 加速汽车。
我们将依次考虑这些问题。
7.2.2滚动阻力
滚动阻力主要是由于车辆轮胎在道路上的摩擦。轴承和传动系统中的摩擦力也起着作用。滚动阻力为近似恒定，几乎不依赖于车速，它与车辆成正比重量。方程是：
（7.1）
其中是滚动阻力系数。控制的主要因素是轮胎和轮胎压力的类型。任何骑自行车的人都知道这一点：如果把轮胎打到高压，自行车的自由转轮性能会好得多，不过乘坐起来可能不太舒服。
图7.1作用在沿坡行驶的车辆上的力
通过以稳定的极低速度拉动车辆并测量所需的力，可以合理地容易地找到的值。
对于径向帘布层轮胎，的典型值为0.015，对于特别为电动车辆开发的轮胎而言，降至约0.005。
7.2.3空气阻力
这部分力是由于车身在空气中移动的摩擦力。它是前部区域，形状，诸如侧视镜，管道和空气通道，扰流板等许多其他因素的突起的函数。 该组件的公式为：
（7.2）
其中是空气的密度，A是正面区域，是速度，是一个称为阻力系数的常数。
通过良好的车辆设计可以减小阻力系数。轿车的典型值为0.3，但是一些电动车设计的阻力系数低至0.19。电动车设计中减少的机会更大，因为主要部件的位置有更大的灵活性，那里不太需要冷却空气管道和车下管道。然而，一些车辆，例如摩托车和公共汽车将不可避免的具有更大的阻力系数值，通常情况下较为典型的值是0.7。
空气密度当然随温度，海拔和湿度而变化。但是，在大多数情况下，1.25的值是合理的值。如果使用SI单位（对于A为，对于为），则的值将以牛顿为单位给出。
7.2.4爬坡阻力
将车辆驶向斜坡所需的力是最容易找到的。 它只是沿着斜坡作用的车辆重量的组成部分。 通过简单的力量分辨，我们可以看到：
（7.3）
7.2.5加速阻力
如果车辆的速度发生变化，那么除了图7.1所示的力之外，还需要施加一个力。这个力将提供车辆的线性加速度，并由牛顿第二定律得出的众所周知的方程给出，
（7.4）
然而，为了更准确地了解加速车辆所需的力，我们还应该考虑使旋转部件转得更快所需的力。 换句话说，我们需要考虑旋转加速度和线性加速度。这里的主要问题是电动机，不一定是因为它具有特别高的惯性矩，而是因为它具有更高的角速度。
图7.2用于将马达连接到驱动轮的简单布置
参见图7.2，显然车轴扭矩= ，其中r是轮胎的半径，是动力系传递的牵引力。 如果G是连接电机和轴的系统的齿轮比，T是电机扭矩，那么我们可以说：
和 (7.5)
当我们开发车辆性能的最终方程时，我们将再次使用这个方程。
我们还应该注意到：
轴角速度=
因此电机角速度
（7.6）
同样，电机角加速度
该角加速度所需的扭矩为：
其中是电机转子的惯性矩。通过将该等式与等式（7.5）组合，可以得到提供角加速度（）的车轮所需的力，给出：
（7.7）
我们必须注意到，在这些简单的方程中，我们假设齿轮系统100％有效，它不会造成任何损失。由于系统通常非常简单，因此效率通常很高。但是，它永远不会是100％，因此我们应该通过结合齿轮系统效率来改进方程式。所需的力将略大，因此等式（7.7）可以细化为：
（7.8）
这里常数的典型值是G / r为40，惯性矩为0.025。这些数据如果运用于30kW电机，以7000rpm的电机速度驾驶一辆达到60kph的汽车。这样的车可能重约800公斤。在这种情况下，等式（7.8）中的项将具有约40kg的值。换句话说，由等式（7.8）给出的角加速度力通常远小于由等式（7.4）给出的线性加速力。在这个特定的（但相当典型的）情况下，它将按比例缩小：
经常会发现马达的惯性矩我不知道。在这种情况下，合理的近似是简单地在等式（7.4）中将质量增加5％，并忽略项。
7.2.6总牵引力
总牵引力是所有这些力量的总和：
（7.9）
其中：
bull;是滚动阻力，由公式（7.1）给出;
bull;是气动阻力，由公式（7.2）给出;
bull;是爬山力，由公式（7.3）给出;
bull;是由公式（7.4）给出的线性加速度所需的力;
bull;是给旋转电机提供角加速度所需的力，由公式（7.8）给出。
我们应该注意到，如果车辆减速，和将为负，如果下坡则将为负。
7.3车辆加速建模
7.3.1加速性能参数
虽然没有使用标准措施，但汽车或摩托车的加速是关键的性能指标。通常情况下，从静止加速到60mph，或30或50kph的时间。最接近这种电动汽车标准的是0-30kph和0-50kph时间，但并非所有车辆都给出了这些时间。
这种加速度数据来自真实车辆的模拟或测试。对于IC引擎车辆，这是在最大功率或“全开节气门”（WOT）下完成的。同样，对于电动车辆，性能模拟是在最大扭矩下进行的。
我们在第6章已经看到，电动机的最大扭矩是角速度的一个相当简单的函数。在大多数情况下，在低速时，最大扭矩是恒定的，直到电动机速度达到临界值，此后扭矩下降。在拉丝分流器或永磁直流电动机的情况下，扭矩随着速度的增加而线性下降。在大多数其他类型的电动机的情况下，扭矩以使得功率保持恒定的方式下降。
电动机的角速度取决于齿轮比G和驱动轮r的半径，如上面得出的公式（7.6）。所以我们可以这样说：
对于，或则
一旦这个恒转矩阶段通过，即，或,那么功率是恒定的,就像大多数无刷型电动机一样，我们有：
（7.10）
或者扭矩根据我们在6.1.2节中遇到的线性方程式下降：
当用等式（7.6）代替角速度时，给出
（7.11）
现在我们有了我们需要的方程式，我们可以将它们组合起来以找到车辆的加速度。这些方程中的许多可能看起来相当复杂，但几乎所有项都是常数，可以从车辆或部件数据中找到或估计。
对于平地上的车辆，空气密度为1.25kg.m -3，等式（7.9）变为：
用等式（7.5）代替，并注意到，我们得到：
（7.12）
我们已经注意到，电动机转矩T是一个简单的速度函数的常数（方程（7.10）和（7.11）。因此，方程（7.13）可以简化为关于速度的一阶微分方程，因此，对于t的任何值，可以找到v的值。
例如，在初始加速阶段，当T = T max时，等式（7.12）变为：
（7.13）
如果所有常数都是已知的，或者可以合理地估计，这是一个非常简单的一阶微分方程，其解决方案可以使用许多现代计算器以及各种个人计算机程序找到。这对于具有较大电动机的情况也是可能的。两个例子有望清楚地表明这一点。
7.3.2电动机车加速度建模
对于我们的第一个例子，我们将采用电动滑板车。没有采用特定型号，但车辆类似于标致和EVS制造的电动滑板车，其示例如图7.3所示。
bull;电动滑板车质量为115千克，典型乘客质量为70千克，总质量m = 185千克。
bull;电机的惯性矩是未知的，因此我们将采用7.2.5节末尾的权宜措施，并仅在线性加速项中将m增加5％。因此，在等式（7.13）的最终项中，将使用m为194kg的值。
bull;阻力系数估计为0.75，小型踏板车的合理值，具有相当“仰卧起坐”的骑行风格。
bull;车辆和骑手的正面面积= 0.6平方米。
bull;轮胎和车轮轴承提供滚动阻力系数， = 0.007。
bull;电机使用2：1比例皮带系统连接到后轮，车轮直径为42厘米。因此G = 2且r = 0.21m。
bull;电机是18V Lynch型电机，属于6.1.2节中讨论的类型。
公式（6.8）已重新计算为18V，给出：
(7.14)
bull;如6.1.2节所述，最大电流由最大安全电流控制，在这种情况下为250A，因此，如公式（6.9）所示，最大转矩为34 Nm。
图7.3本章中各个点模拟的电动滑板车。 这张照片是在柏林停车场拍摄的
bull;在下列情况下，根据公式（7.14）发生转矩下降时的临界电机转速：
bull;齿轮系统非常简单，比率低，因此我们可以保证良好的效率。 估计的值为0.98。 这样做的效果是减小扭矩，因此该因子将应用于扭矩。
当扭矩
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