劉成武 念 健

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純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及動(dòng)力性能仿真

劉成武 念 健

福建工程學(xué)院機(jī)電及自動(dòng)化工程系

根據(jù)某款純電動(dòng)汽車的動(dòng)力設(shè)計(jì)要求，構(gòu)建其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和控制策略。在理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)其電機(jī)、傳動(dòng)系傳動(dòng)比以及電池進(jìn)行了參數(shù)匹配計(jì)算，并利用ADVISOR仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明這種動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有效可行。

純電動(dòng)汽車；動(dòng)力性能；參數(shù)匹配；ADVISOR

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油汽車在給人類生活帶來極大便利的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)。因而，當(dāng)今汽車工業(yè)的發(fā)展勢(shì)必尋求向低噪聲、零排放、綜合利用能源的方向發(fā)展。而電動(dòng)汽車被看成能夠解決這兩大問題的重要途徑之一[1- 2]。然而電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程制約了電動(dòng)汽車的普及和發(fā)展。因此，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和匹配，已成為電動(dòng)汽車研究熱點(diǎn)之一[3-5]。

目前，在動(dòng)力電池和其他技術(shù)取得有效突破之前，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究是提高電動(dòng)汽車性能的重要手段之一。電動(dòng)汽車的能量供給和消耗，與蓄電池的性能密切相關(guān)，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定合理的傳動(dòng)比。這些動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)均是影響電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的因素。

1 動(dòng)力設(shè)計(jì)要求及動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型

1.1 動(dòng)力設(shè)計(jì)要求

純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能主要取決于動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配(包括動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、傳動(dòng)系等)以及控制策略和各部件的特性等。為了節(jié)約能量以提高其動(dòng)力性能，要求電動(dòng)車具有能量再生能力。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的以某款純電動(dòng)SUV整車動(dòng)力性指標(biāo)如表1所示。

表1　整車動(dòng)力性能指標(biāo)

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型

其動(dòng)力系統(tǒng)采用鋰電池作為其主要?jiǎng)恿υ?并回收制動(dòng)能量。采用變頻控制的直流永磁無刷電機(jī),該電機(jī)具有效率高、可靠性好、免維護(hù)及有效實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。傳動(dòng)系中取消變速器，保留主減速器。在結(jié)構(gòu)上電機(jī)與主減速器之間取消傳動(dòng)軸，采用模塊整體化設(shè)計(jì)，安放在后橋中。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制策略：當(dāng)汽車起步加速和正常行駛時(shí)，電池給電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輪，并向車載用電器供電；當(dāng)汽車下坡或剎車減速時(shí)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)給電池充電，從而實(shí)現(xiàn)能量有效回收。

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車最主要的系統(tǒng),電動(dòng)汽車運(yùn)行性能主要由其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能決定。一個(gè)電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配，主要包括電機(jī)參數(shù)選擇、傳動(dòng)比選擇、電池組容量選擇。

2.1 電機(jī)參數(shù)的選擇

根據(jù)電機(jī)的外特性[6]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)可獲得恒定最大扭矩，同時(shí)在高轉(zhuǎn)速區(qū)獲得恒定的較高功率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的選擇要結(jié)合傳動(dòng)系減速比、驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率和連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)特性來考慮。驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率是扭矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)，在保障轉(zhuǎn)速和扭矩要求情況下，力求最大驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率。

綜合以上因素，計(jì)算并選擇電機(jī)額定功率為30 kW，峰值功率為90 kW；選擇電機(jī)額定扭矩為80 N·m（最大扭矩為240 N·m），額定轉(zhuǎn)速為4800 r/min(最大轉(zhuǎn)速為7200 r/min)。

2.2 傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比上限可以根據(jù)下式確定：

（1）由電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)最大輸出扭矩和最高車速對(duì)應(yīng)行駛阻力確定傳動(dòng)系速比下限

（2）由電動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩和最大爬坡度對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定速比下限值

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，最后選定傳動(dòng)比為7.22。

2.3 電池組容量選擇

電池容量的選擇主要考慮最大輸出功率和能量，以保證電動(dòng)車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程。電池?cái)?shù)目確定有以下2種方法：

（1）由最大功率選擇電池?cái)?shù)目

（2）由續(xù)駛里程選擇電池?cái)?shù)目

通過理論計(jì)算和工程分析獲得動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 電動(dòng)汽車動(dòng)力性能仿真

3.1 循環(huán)工況選擇

當(dāng)前評(píng)價(jià)整車性能的循環(huán)工況主要有CYC_ECE_EUDC、CYC_UDDS和CYC_HWFET，我國(guó)主要是以CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況為主。其循環(huán)周期為1 225 s，行駛距離為10. 93 km，最大行駛速度為120 km/h，平均速度為32.1 km/h。最大加速度為1.05 m/s2，最大減速度為-1.39 m/s2，停車次數(shù)為13次。

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上技術(shù)參數(shù),基于ADVISOR仿真軟件，采用CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況對(duì)已建立整車仿真模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，動(dòng)力性仿真參數(shù)基本符合前述的動(dòng)力性設(shè)計(jì)要求，尤其汽車最高車速和加速時(shí)間等動(dòng)力性能得到了很大的提高，其續(xù)駛里程也基本滿足要求。

表3 循環(huán)工況仿真結(jié)果

仿真的車速情況如圖2所示, EV實(shí)際車速完全可以滿足其工況需求車速,體現(xiàn)出良好的動(dòng)力性能。

圖2 車速隨時(shí)間變化曲線

電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩如圖3所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪工作時(shí)，轉(zhuǎn)矩為正值；在汽車減速回饋制動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為負(fù)值（其絕對(duì)值比牽引轉(zhuǎn)矩?。?，有效地回收了部分制動(dòng)能量，從而增加了行駛里程，使整車經(jīng)濟(jì)性能得到較大的提高。

圖3 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

鋰電池SOC值變化如圖4所示. 車輛在頻繁加減速的工作過程中，可以回收能量給蓄電池充電。在開始階段，電池荷電狀態(tài)SOC值下降較快，這是由于電池放電極化現(xiàn)象引起的。在SOC到達(dá)0.75以后，其值下降趨于平緩，這時(shí)電池工作在較平穩(wěn)的區(qū)域。

圖4 電池的荷電狀態(tài)

4 結(jié)論

以純電動(dòng)SUV為研究對(duì)象，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理匹配設(shè)計(jì)，建立了動(dòng)力性仿真模型。利用ADVISOR電動(dòng)汽車仿真軟件，對(duì)整車的動(dòng)力性進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，以鋰離子電池為能源的電動(dòng)汽車的加速性、爬坡能力、最大車速、續(xù)駛里程等動(dòng)力性能夠滿足設(shè)計(jì)要求，說明整車匹配方案是合理的，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真模型的正確性，為電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)和分析提供了一種方法和手段。

[1] 鐘磊,高松,張令勇. 純電動(dòng)轎車動(dòng)力傳動(dòng)裝置參數(shù)匹配與動(dòng)力性仿真[J]. 山東理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010, 24(1): 78~80.

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[3] 姬芬竹,高峰.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006,34（4）：33~37.

[4] 陳志雄,鐘紹華.基于Advisor的純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能仿真[J].上海汽車,2008.1.

[5] 王玨童. 純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)匹配及整車性能研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2008.

[6] 劉靈芝,張炳力,湯仁禮.某型純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007,30（5）：591~593.

Parameter Matching and Dynamic Functions Simulation of Electric Vehicle Power System

Liu Chengwu, Lian Jian

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

The dynamic power system structure model and the control strategy of an electric vehicle were established in accordance with power design requirements. The parameter matching of the motor, transmission and battery was conducted. Simulation analysis of the matching was made via the software Advisor. The results indicate that the design method of the power system is valid.

pure electric vehicle; power performance; parameter matching; ADVISOR

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2009J01228），福建省科技平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（2008J1002）。