謝 雅，黃中華

(1. 湖南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湘潭 411104；2. 湖南工程學(xué)院 風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104)

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能仿真*

謝 雅1，黃中華2

(1. 湖南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湘潭 411104；2. 湖南工程學(xué)院 風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104)

動(dòng)力系統(tǒng)決定著電動(dòng)汽車的加速性能，爬坡性能和續(xù)航里程.結(jié)合電動(dòng)汽車的工作原理介紹了電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，具體包括電機(jī)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電池組設(shè)計(jì).以某電動(dòng)汽車為例開展了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì).建立了基于ADVISOR的電動(dòng)汽車性能仿真模型.對(duì)電動(dòng)汽車的加速性能、爬坡性能和續(xù)航里程進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明：該電動(dòng)汽車0～96.6 km/h的加速時(shí)間為7.1 s，最大爬坡度為28.4%，續(xù)航里程為142 km，動(dòng)力性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求. 關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)；仿真

0 前言

燃油汽車的大量使用是我國的城市空氣質(zhì)量變差的重要原因.當(dāng)前，節(jié)能減排已成為社會(huì)共識(shí).電動(dòng)汽車作為一種低排放汽車，已在城市中逐漸得到應(yīng)用和推廣.與燃油汽車相比，電動(dòng)汽車在續(xù)航里程上具有劣勢(shì).這一方面與電池組的存儲(chǔ)容量有關(guān)，另一方面與動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的匹配是否合理有關(guān).

根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和匹配已成為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容.通過試驗(yàn)開展動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配性能研究是一種有效且可靠的方法，但是存在試驗(yàn)周期長、成本高等特點(diǎn).采用成熟的仿真軟件開展動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究已成為一種趨勢(shì)[1～4].

論文研究的電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)如圖1所示,動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)，離合器，變速器和差速器組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、可靠性高的特點(diǎn).這種電動(dòng)車低速行駛時(shí)具有大的輸出扭矩，從而提高了汽車的爬坡性能和加速性能.

1 電動(dòng)汽車受力分析

圖1所示的電動(dòng)汽車在穩(wěn)定行駛時(shí)的受力方程可表示為[5～6]：

M電機(jī)；C 離合器；GB變速器；D差速器

Ft=∑F

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力，∑F為行駛阻力之和.

Ft的計(jì)算方法如下：

(1)

式中：Ttq為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，ig為主減速器的傳動(dòng)比，ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率，r為車輪半徑.

電動(dòng)汽車在坡道加速行駛時(shí)，行駛阻力∑F的計(jì)算方法如下：

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj

(2)

式中：Ff為地面滾動(dòng)阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)i為坡度阻力，F(xiàn)j為加速阻力.

Ff的計(jì)算方法如下：

Ff=mgf

(3)

式中：m為汽車質(zhì)量，g為重力加速度，f為滾動(dòng)阻力系數(shù).

Fw的計(jì)算方法如下：

Fw=0.5CDAρμ2

(4)

式中：CD為空氣阻力系數(shù)，A為車的迎風(fēng)面積，ρ為空氣密度，μ為氣流與車的相對(duì)速度.

Fi的計(jì)算方法如下：

Fi=mgsinα

(5)

式中，α為坡道的角度.

Fj的計(jì)算方法如下：

Fj=δma

(6)

式中：δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，a為汽車的加速度

2 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)功率設(shè)計(jì)

汽車以最高車速vmax勻速行駛時(shí)所需的功率P1為：

(7)

汽車以速度v加速行駛時(shí)所需的功率P2為：

(8)

汽車以車速vα勻速爬坡行時(shí)所需的功率P3為：

(9)

電機(jī)最大功率Pm的計(jì)算方法如下：

Pm=max(P1,P2,P3)

(10)

電機(jī)額定功率Pe的計(jì)算方法如下：

(11)

式中：λp為過載系數(shù).

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne的計(jì)算方法如下：

(12)

式中：nmax為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，β為電機(jī)恒功率區(qū)系數(shù).

電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Te的計(jì)算方法如下：

(13)

電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax的計(jì)算方法如下：

Tmax=Teλp

(14)

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

汽車的最小傳動(dòng)比imin取決于車的最高車速，汽車的最大傳動(dòng)比imax取決于車的最大爬坡度αmax.

最小傳動(dòng)比imin計(jì)算方法如下：

(15)

最大傳動(dòng)比imax計(jì)算方法如下：

(16)

2.4 電池組參數(shù)設(shè)計(jì)

汽車以速度v等速行駛距離L時(shí)，所需的能量W為：

(17)

單體電池的數(shù)量N計(jì)算方法如下：

(18)

式中：E為單體電池的工作電壓，C為單體電池容量，ηe為蓄電池的放電深度.

3 動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試設(shè)計(jì)

論文以某型電動(dòng)轎車為例，開展其動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì).轎車的基本參數(shù)如表1所示，轎車所需的動(dòng)力性能參數(shù)如表2所示.

表1 汽車基本參數(shù)

表2 動(dòng)力性能指標(biāo)

結(jié)合表1和表2的參數(shù)，根據(jù)公式(1)～公式(18)可計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)部件的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

4 動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真

為驗(yàn)證上述電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求.論文采用仿真的方法對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià).仿真研究采用ADVISOR軟件完成，仿真內(nèi)容涉及測(cè)試汽車的加速性能、爬坡性能和續(xù)航里程[7].

ADVISOR是美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL開發(fā)的一款基于MATLAB/SIMULINK環(huán)境的汽車動(dòng)力性能仿真軟件.該軟件采用以后向仿真為主、前向仿真為輔的混合仿真方法，具有計(jì)算精度高、仿真計(jì)算量小和運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì).

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

ADVISOR中仿真參數(shù)設(shè)置包括整車參數(shù)、循環(huán)工況、加速性能測(cè)試和爬坡性能測(cè)試.整車參數(shù)設(shè)置內(nèi)容包括車輛模型(Vehicle)、能量存儲(chǔ)模型(Energy Storage)、變速器模型(Transmission)、電機(jī)模型(Motor)以及車輪車軸(Wheel/Axle)模型.

循環(huán)工況設(shè)置.ADVISOR提供了三種典型工況供選擇，論文選擇了CYC_ECE_EUDC工況，該工況的特征如下：行駛時(shí)間為1225 s，行駛距離為10.93 km，最大速度為120 km/h，平均速度為32.1 km/h，加速過程中最大加速度為0.54 m/s2，減速過程中最大加速度為-0.79 m/s2.

加速性能測(cè)試內(nèi)容為：0～96.6 km/h，64.6～96.6 km/h和0～137 km/h的加速時(shí)間.

爬坡性能測(cè)試內(nèi)容為：汽車以88.5 km/h持續(xù)行駛10 s能達(dá)到的最大坡度.

ADVISOR生成的動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真模型如圖2所示，將表3中相關(guān)部件的參數(shù)輸入仿真模型即可進(jìn)行仿真計(jì)算.

圖2 仿真模型

4.2 仿真結(jié)果

基于圖2所示的仿真模型對(duì)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真計(jì)算.汽車的加速性能測(cè)試結(jié)果如下：0～96.6 km/h的加速時(shí)間為7.1 s，64.6～96.6 km/h的加速時(shí)間為3.1 s和0～137 km/h的加速時(shí)間為13.4 s.

汽車的爬坡性能測(cè)試結(jié)果如下：汽車以88.5 km/h持續(xù)行駛10 s時(shí)能達(dá)到的最大坡度為28.4%.

汽車的續(xù)航里程測(cè)試結(jié)果如下：汽車的續(xù)航里程約為142 km，最大加速度可達(dá)4.7 m/s2，最大速度可達(dá)156 km/h.

一個(gè)工況循環(huán)中汽車的速度變化曲線、位移變化曲線和電池SOC變化曲線分別如圖3、圖4和圖5所示：從圖3可以看出，汽車的行駛速度與仿真選定的CYC_ECE_EUDC工況基本吻合；從圖4可以看出，一個(gè)工況循環(huán)中汽車的行駛距離約為10.9 km；從圖5可以看出，一個(gè)工況循環(huán)中電池SOC值下降約為0.08.

仿真結(jié)果表明：論文選取的動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)是合理的，能夠滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能要求.

圖3 速度變化曲線

圖4 位移變化曲線

圖5 SOC變化曲線

5 結(jié)論

結(jié)合電動(dòng)汽車的工作原理，提出了一種電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，給出了電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和電池組的參數(shù)設(shè)計(jì)公式.

以某電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)為例，建立了基于ADVISOR的電動(dòng)汽車動(dòng)力性能仿真模型，獲取了汽車的加速性能、爬坡性能和續(xù)航能力.

[1] 劉 新, 凌 鵬. 基于Advisor的純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配[J]. 北京汽車，2013(3): 24 -26.

[2] 潘二東，申江衛(wèi)，肖仁鑫. 基于ADVISOR的并聯(lián)PHEV動(dòng)力參數(shù)匹配的研究[J]. 新技術(shù)新工藝, 2016(1): 70-74.

[3] 胡明輝, 謝紅軍. 電動(dòng)汽車電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配方法的研究[J]. 汽車工程, 2013,35(12): 1068-1073.

[4] 高欣然，蹇小平，鄧家奇. 基于ADVISOR的四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J]. 汽車電器, 2016(1): 26-29.

[5] 潘 磊. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及仿真優(yōu)化研究[D]. 重慶: 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[6] 賈燕紅. 基于ADVISOR的純電動(dòng)汽車動(dòng)力性匹配設(shè)計(jì)及仿真研究[D]. 重慶：長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[7] 曾小華, 宮維鈞. ADVISOR2002電動(dòng)汽車仿真與再開發(fā)應(yīng)用[M]. 北京理工大學(xué)出版社, 2014.

Electric Vehicle Power System Design and Performance Simulation

XIE Ya1，HUANG Zhong-hua2

(1. School of Computer and Communication, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. The Cooperative Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Accelerating ability，gradeability and driving range of electric vehicle are decided by power system. Electric vehicle power system design method is introduced combined with the introduction of electric vehicle working principle, including parameter design of motor, transmission system and battery pack. Power system parameters design of an electric vehicle is introduced as example. Electric vehicle performance simulation model based on ADVISOR is established. Accelerating ability，gradeability and driving range of electric vehicle are simulated. Simulation results are following: accelerating time of the vehicle from 0～96.6km/h is 7.1s; maximum gradeability is 28.4% and driving range is 142km. Power system performance indicators meet the design requirements.

electric vehicle; power system design; simulation

2016-06-02

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(14JJ5006)；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(湘教通〔2014〕207號(hào)).

謝 雅(1982-)，女，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)控制與仿真.

U462.3TM615

A

1671-119X(2016)04-0027-04