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高性能电动汽车200kw动力系统设计
Wilmar Martinez1, Camilo A. Cortes , Luis E. Munoz , Masayoshi Yamamoto
摘 要：为了设计一种高性能电动汽车的电力传动系统，它能在10秒内运行1 / 4英里，首先需要计算所需的能量、扭矩和功率，以确定合适的存储部件和电动机。其次，需要对动力总成的配置进行评估，以选择最佳的内部配置，并保证最高的效率。最后，还需要一个电源转换阶段的设计，特别是与电动机接口的DC-DC转换器。摘要介绍了一种基于车辆纵向动力学模型的能量计算方法，以及该应用所需要的存储元件和电机的选择方法，以及两个100 kW交叉升压变换器与耦合电感器的设计。另外，为了提高变频器的效率，提出了一种新型的插接式升压变换器。结果表明，设计的变频器的功率密度为242 kW/kg，效率为98%，通过低功率样机的实验验证得到验证。
关键词：电动汽车；超级电容；交叉直流变换器；耦合电感；效率；功率密度
引言
电动汽车(EVs)是一种新兴的技术，人们越来越感兴趣，因为它们可以帮助解决交通运输的一些可持续性问题。这是有可能的，因为EVs已经被改进，以减少能源消耗和温室气体排放。因此,电动汽车具有突出的优势，特别体现在高效率，数字可控性和再生制动方面。然而，与内燃机(ICE)车辆相比，目前的自动电动汽车往往具有有限的自主性。这一限制的主要原因是现代存储技术设备的能量能力下降。为了有效地研究和推广这一技术的使用，国家大学、哥伦比亚大学、洛杉矶大学和世安大学一直在共同研究一个项目，设计和构造高性能的电动汽车，能够在10秒或更短的时间内跑完四分之一英里。因此,第一个设计参数为全电动范围(AER)定义为402,3 m。这辆车的发展有两个目的:1)在能源约束较少的情况下，提供电动汽车能力的演示平台;鉴于演示平台的功率要求与商业电动汽车的功率要求类似(Mantilla等，2008);2)为商业电动汽车的电力传动部件的开发做出贡献。这个设计从计算储存的能量、扭矩和在建议时间达到目标所需的能量开始。因此，有必要建立一个纵向动力学模型，考虑车辆运动中涉及的力。能量存储单元和电源管理单元对车辆的自主性至关重要，因为电动机需要大量的功率来产生所需的速度和扭矩(Bonfligio等，2009)。由于这些原因，需要选择高效密度/高功率密度存储装置和高扭矩/高效率电动机。此外，还需要设计与存储设备接口的DC-DC转换器。在这种高性能电动汽车的特殊情况下所需要的储能系统与传统应用中所使用的存储系统不同，主要有两个原因: 1)与商业车辆相比，由于短距离的距离，需要较少的储能;2)它需要相当数量的与比赛条件相关的力量。因此，高功率密度存储技术是满足比赛要求的关键。
本研究的组织如下:首先，根据车辆的纵向模型，计算出达到10秒目标所需的功率、能量和扭矩;第二，采用新颖的分级方法选择储能元件; 第三，对不同的动力系统安排进行效率评价; 第四，设计了在一个新颖的概念下运行高功率密度和高效率的DC-DC变换器; 最后，对DC-DC变换器设计的实验验证进行了100W原型的测试。
1、功率、能量和转矩
该设计的第一步是定义整个车辆的几何布局，以推导出在车辆中相互作用的力的纵向动力学模型。然后，对该模型进行了计算处理，并考虑了几个初始条件。最后，通过Matlab仿真运行，得到了所需功率、能量和转矩的近似值。
1.1纵向动力学
纵向动力学模型是通过车辆的运动方程得到的。它定义了由纵向合力所引起的车辆纵向运动的变化(Munoz et al.， 2012)。这种合力是通过对车辆的牵引和阻力作用得到的，图1展示了与该模型相关联的自由体图，以及在车辆中相互作用的力。
图 1.1车辆的自由体图
运动方程为:
(1)
其中FT是总牵引力; FG是重力的纵向分量; Froll是总滚动阻力; FD是空气动力阻力;meq是等效质量; alpha;是纵向加速度。因此，当轮胎漏气被排除在分析之外时第i个轮上的牵引力可以表示为:
（2）
其中Tmi为第i个电机瞬时扭矩，它是由其角速度表示的电机状态的函数; Ntfi是第i个电机与车轮之间的总减速比；eta;tfi是第i个传输效率；ri是第i个轮子的动态半径。此外，总牵引力由四个轮子的牵引力之和来表示。对于正在开发的原型，总减速比，传动效率，各轮的动力半径相同，分别表示为Ntfi、tf和r。如果Tm被定义为所有电机扭矩的总和，则总牵引力可以推导如下:
(3)
在这种情况下，赛车轨道实际上是整个轨迹的零摄氏度条件。因此，这里没有考虑重力的纵向分量(Rosario et al.， 2006)。滚动阻力是由轮胎与路面接触
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