純電動汽車驅動系統(tǒng)設計及性能仿真

高樹健，陳丁躍

（長安大學汽車學院，陜西西安 710064）

純電動汽車驅動系統(tǒng)設計及性能仿真

高樹健，陳丁躍

（長安大學汽車學院，陜西西安 710064）

以某款普及型轎車為改裝對象，對純電動汽車系統(tǒng)進行了設計.根據設計目標對其動力參數進行了理論計算，并對驅動裝置合理選型.利用電動汽車仿真軟件ADVISOR建立了該電動汽車模型，最后進行了動力性能仿真.仿真結果表明：設定動力參數合理，電動汽車能良好運行，達到了預期期望.

純電動汽車；驅動系統(tǒng)；動力參數；性能仿真

隨著環(huán)境污染的加劇和資源的日益短缺，純電動汽車（EV）成為當前研制取代內燃機汽車的首選車型，前景廣闊.我國的純電動汽車大都建立在改裝車基礎上，目前電動汽車存在的主要問題是動力電池成本高和續(xù)駛里程不理想.對驅動系統(tǒng)進行合理設計，是提高電動汽車的動力性能和增加續(xù)駛里程的有效手段.

電動汽車仿真軟件ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator，簡稱ADVISOR）在電動汽車的設計中具有重要作用，在提高汽車性能的同時還可以縮短設計周期，降低開發(fā)成本.本文通過理論方法設計了某電動汽車驅動系統(tǒng)并利用ADVISOR對其進行仿真驗證，實現(xiàn)了提高電動汽車動力性能和續(xù)駛里程的目標.

1 驅動系統(tǒng)基本結構

圖1 驅動系統(tǒng)電驅動形式

不同的電力驅動系統(tǒng)可構成不同結構形式的EV.本文所設計EV的驅動系統(tǒng)基本結構如圖1所示.［1］

電動汽車驅動系統(tǒng)由蓄電池組、電動機、離合器、變速器、主減速器、差速器和驅動輪等部件組成，這些組成部件的參數選擇將直接影響電動汽車的整車動力性能和續(xù)駛里程.

2 驅動系統(tǒng)參數設計

以某款普及型轎車為原型對其進行改裝，根據驅動系統(tǒng)動力參數的設計原則設計出電動汽車，其部分技術參數目標見表1.［2－3］2.1電動機功率選擇

表1 電動汽車部分技術參數期望值

電動機功率的選擇依據是汽車對最高車速、加速時間和最大爬坡度的要求.

首先，電動機應為電動汽車提供恒定的保證汽車最高速行駛一段時間的功率，因此可以根據電動汽車最高車速確定電機額定功率：

其中：vmax為電動汽車最高車速，單位為km／h；m為汽車最大總質量，單位為kg；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，單位為m2.

其次，電動機還需具備一定的過載能力以滿足電動汽車對加速性能的要求，試驗所選電機初定為交流感應電機，設其輸出功率峰值為PP，過載系數為λ，那么它的額定功率

第三，電動汽車應具備持續(xù)爬坡能力，根據最大爬坡度確定電機額定輸出功率

其中vi為電動汽車爬坡速度，單位為km／h.要使電動汽車能正常行駛，電機額定功率Per必須同時滿足以上3個條件，又考慮到機械傳遞效率η，則

此外，電機轉速n和轉矩T也均應滿足電動汽車各項動力性能指標.考慮到電機效率與汽車行駛環(huán)境等的影響，電機參數的選擇值應適當大于理論計算值［4］.

2.2 傳動系傳動比設計

根據電機最高轉速和最高行駛車速確定最大傳動比

其中R為車輪滾動半徑，Ne，max為電機最高轉速.由電動機最高轉速對應最大輸出扭矩和最大行駛車速對應行駛阻力確定傳動比的最小值為

其中Tv，max為電機最高轉速對應的最大輸出扭矩，單位為N·m.電動汽車傳動系傳動比it介于it，max和it，min之間就能滿足電動汽車行駛性能.

2.3 電池組容量設計

電池組容量選擇主要考慮電動汽車行駛時的最大功率和行駛一定距離所消耗的能量.在選定蓄電池型號的條件下，電池組容量取決于蓄電池數目.因此，根據電動汽車所需最大功率和續(xù)駛里程確定蓄電池數目n.

電池組攜帶的能量至少需滿足電動汽車最大功率消耗，那么它所要求的蓄電池數目n1應滿足如下關系：

其中：Pb，max為每塊蓄電池的最大功率，單位為k W；Pe，max為電動汽車消耗最大功率，單位為k W；ηe為電機工作效率；ηec為控制器工作效率.另外，電池組攜帶能量對續(xù)駛里程有直接影響，要使電動汽車達到目標續(xù)駛里程，蓄電池數目n2應滿足其中：Cs，Vs分別為每塊蓄電池的容量和電壓；W為單位路程（km）所消耗能量，單位為k W；L為續(xù)駛里程，單位為km.

根據（7），（8）式所列條件得到n1，n2，則電動汽車需要蓄電池數目即為n≥max｛n1，n2｝.

2.4 驅動參數確定

為了所設計的純電動汽車能夠有可靠的性能，根據動力參數設計原則，在理論計算結果的基礎上適當增加一些裕量［5］.

（1）電動機參數.根據計算結果要求，所選電動機參數如下：額定功率19 k W，峰值功率47 k W；額定轉矩130 N·m，峰值轉矩200 N·m；額定轉速4 000 r／min，最高轉速8 000 r／min.

（2）傳動比設定.由于原車傳動比符合電動汽車傳動比理論計算范圍，為了減少對原車結構的改動，保持原車主減速器傳動比i0為3.863；原車4個前進擋對應傳動比分別為i1＝2.910，i2＝1.540，i3＝1.000，i4＝0.730.

（3）電池組容量選擇.本設計選用Ovonic公司研制的鎳－氫蓄電池，模塊電池額定容量為90 Ah，額定電壓為12 V，額定能量達1 100 Wh，峰值功率為7.0 k W.經計算，為達到電動汽車最大功率和續(xù)駛里程要求，需要該種蓄電池32塊.

3 性能仿真

在實車改造之前，為了分析所設計純電動汽車是否滿足各方面性能要求，基于前述驅動參數對電動汽車進行了仿真分析.采用模塊化思想利用ADVISOR建模，建立的電動汽車主要部件及整車模型如圖2所示［6］.

圖2 模塊化EV仿真模型

3.1 仿真參數設置

在ADVISOR提供的原始模型基礎上，純電動汽車仿真模塊主要有：整車模型、車輪模型、主減速器和變速器模型、電動機模型、動力電池模型以及車輛模型等.針對所設計動力參數及表1所述電動汽車期望目標，設置主要仿真參數如表2.

表2 仿真參數設置

3.2 仿真分析

圖3 電動汽車UDDS工況下仿真結果

目前純電動汽車主要用于城市代步，因此該純電動汽車的動力性仿真環(huán)境選擇CYC＿UDDS（美國城市工況）作為道路循環(huán)工況.UDDS城市道路的行駛里程是11.99 km，最高車速91.25 km／h，仿真時間為1 369 s，怠速時間為259 s，停車次數為17次.仿真結果如圖3所示，根據仿真曲線對電動汽車車速、荷電狀態(tài)、蓄電池電流和電動機功率輸入進行分析：車輛的仿真速度與工況要求車速基本一致，最高車速能達到91.25 km／h；荷電狀態(tài)曲線在較長時間內下降比較平緩，由初始值SOC＝1下降終了值SOC＝0.84，其中上升段為蓄電池進行充電階段；蓄電池電流曲線中正值代表蓄電池工作時的放電電流，負值表示在能量回收過程中蓄電池的充電電流；電機功率輸入中也包括正負值，正值表示電動機提供功率時的工作功率，負值表示電動機工作在發(fā)電狀態(tài)時，向蓄電池提供的充電功率.后者對電動汽車節(jié)省能源和增加續(xù)駛里程有非常重要的意義.根據電動汽車動力性要求，設置電動汽車仿真模型的最高車速、加速性和爬坡度仿真參數，得出整車動力性仿真結果：最高車速109.7 km／h；0～40 km／h加速時間6.8 s；12～15 km／h時最大爬坡度23.3%.

通過以上仿真結果可以看出：設計的電動汽車動力性達到目標期望，并且能在城市道路循環(huán)工況下良好運行.

4 結語

純電動汽車驅動系統(tǒng)的參數配置對整車動力性能及延長續(xù)駛里程有重要影響.以某款普及型轎車為原型，通過一系列參數計算對其驅動系統(tǒng)進行重新設計改裝，并運用ADVISOR對其建模仿真，仿真結果顯示該電動汽車各項動力指標均達到設計目標要求，并能在UDDS工況下良好運行，證明了本文對設計改裝的電動汽車驅動參數是合理的.

［1］ 張 珍.純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設計與整車性能仿真［D］.西安：長安大學，2010.

［2］ 黃菊花，徐仕華，劉淑琴，等.電動汽車動力參數匹配及性能仿真［J］.南昌大學學報：工科版，2011，33（4）：391－394.

［3］ 余志生.汽車理論［M］.第4版.北京：機械工業(yè)出版社，2006：74－83.

［4］ MICHAEL H WESTBROOK.The Electric Car［M］.London：The Institution of Electrical Engineers，2001.

［5］ 薛念文，高 非，徐 興，等.電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數的匹配設計［J］.重慶交通大學學報，2011，30（4）：304－307.

［6］ 鄭慧勤.純電動汽車動力系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.武漢：武漢理工大學，2009.

Power Train Design and Performance Simulation for Pure Electric Vehicle

GAO Shu－jian，CHEN Ding－yue
（School of Automobile，Chang－an University，Xi’an 710064，China）

Based on a popular sedan，a pure electric vehicle was designed.The determination of dynamic parameters and the selection of power devices were according to the design target.The dynamic performance of the vehicle was built and simulated by using the simulation software of ADVISOR.The simulation result demonstrated that the selection of dynamic parameters were feasible.The pure electric vehicle could run with good performance and the design target was achieved.

pure electric vehicle；power train；dynamic parameter；performance simulation

book=79,ebook=162

U469.72

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.04.018

（責任編輯 陳炳權）

1007－2985（2012）04－0079－04

2012－03－28

高樹?。?988－），男，山東臨沂人，長安大學碩士研究生，主要從事汽車新能源研究；陳丁躍（1960－），男，安

徽安慶人，長安大學教授，碩士生導師，主要從事新能源車輛、控制技術和太陽能汽車等研究.