基于前驅(qū)動(dòng)橋式后輪轂式分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)研究①

熊 璐，傅 穩(wěn)

(同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海201804;同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804)

0 引 言

面對(duì)燃油汽車尾氣排放造成的污染及對(duì)石油資源的過(guò)度消耗引發(fā)的能源問(wèn)題，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為國(guó)際汽車工業(yè)發(fā)展的“熱點(diǎn)”之一.電機(jī)控制器對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制更精確，電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間是內(nèi)燃機(jī)和液壓系統(tǒng)的1/100 到1/10［1］.這使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)高性能的一體化TCS/ABS.

1 基于前輪邊后輪轂的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車參數(shù)匹配

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車引入了多驅(qū)動(dòng)源，車輛前后軸的驅(qū)動(dòng)參數(shù)匹配是分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù).針對(duì)前驅(qū)動(dòng)橋式后輪轂的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車進(jìn)行整車動(dòng)力性能參數(shù)匹配.四驅(qū)平臺(tái)車基于榮威E50 改制而來(lái).目標(biāo)平臺(tái)車的指標(biāo)參數(shù)如表1 所示.

表1 分布式驅(qū)動(dòng)平臺(tái)車項(xiàng)目指標(biāo)

1.1 整車功率需求

1.1.1 根據(jù)最大車速選擇最大驅(qū)動(dòng)功率

車輛在水平良好路面上，以最高車速勻速行駛，坡道阻力和加速阻力為零，由功率平衡方程可得:

滿載時(shí)，

1.1.2 根據(jù)純電動(dòng)汽車的加速性能選擇

車輛在水平高附路面全油門(mén)加速，百公里加速時(shí)間為11s，行駛阻力由滾動(dòng)阻力、加速阻力以及空氣阻力構(gòu)成.

滿載時(shí)，

1.1.3 根據(jù)爬坡性能選擇

假設(shè)車輛以某一恒定車速勻速ua爬坡行駛，車輛的加速阻力和空氣阻力為零.此時(shí)需要消耗的功率為:

滿載時(shí)，

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為:

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

圖2 高低壓電氣架構(gòu)

1.2 理想四驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)

由于目標(biāo)平臺(tái)車是四輪驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)車，因此要對(duì)車輛前、后軸電機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配.類似于制動(dòng)力分配I 曲線，對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也存在驅(qū)動(dòng)力分配I 曲線.

式中，F(xiàn)t_r，F(xiàn)t_f為前后軸驅(qū)動(dòng)力，a，b 為質(zhì)心到前后軸的距離，L 為軸距，hg為質(zhì)心高度，與制動(dòng)力分配時(shí)一樣，驅(qū)動(dòng)力分配同樣也存在所謂的f 組線和r 組線.

這里繪制驅(qū)動(dòng)力I 曲線時(shí)，假設(shè)b=L/2，L=2305mm，并取質(zhì)心高度hg=0.525m.

平臺(tái)車動(dòng)力系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在起步加速上，由于平臺(tái)車空間受限，因此將起步加速度設(shè)為0.4g.則車輛前后軸驅(qū)動(dòng)力需求為:

聯(lián)立方程，求得Ft_f=2126.3N，F(xiàn)t_r=3073.7N

根據(jù)前后軸的驅(qū)動(dòng)力需求，可以得出前后軸的驅(qū)動(dòng)力矩，進(jìn)一步計(jì)算出所需電機(jī)的扭矩.輪胎型號(hào)為185/55R15，車輪自由半徑為0.29m.

則前軸和后軸單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩為:

根據(jù)式以9550P=T×n 及電機(jī)外特性易知，電機(jī)的最大功率在電機(jī)最大外特性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，其中轉(zhuǎn)折點(diǎn)轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn).則有:

將上述式帶入，令過(guò)載系數(shù)X =3，vmax=140km/h，R=0.29m，化簡(jiǎn)得:

則前軸單個(gè)電機(jī)最大功率為Pmax′ =14.5kW取整為15kW.后軸單個(gè)電機(jī)功率為Pmax″=21kW，取整后為20kW.

整車動(dòng)力輸出為Pmax=2(pmax′+pmax″)=70kW，與整車功率需求相符.

以上為理想驅(qū)動(dòng)工況下即四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪均不滑轉(zhuǎn)情況下前后軸電機(jī)的性能參數(shù).但是實(shí)際無(wú)法找到一款集成于后輪輪輞空間內(nèi)的446Nm 以及20kW 的輪轂電機(jī).因此對(duì)前后軸電機(jī)參數(shù)進(jìn)行重新匹配設(shè)計(jì).前后軸電機(jī)的匹配選型必須在動(dòng)力參數(shù)性能上和整車布置可行性上實(shí)現(xiàn)權(quán)衡.經(jīng)過(guò)選型匹配，前后軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表2.整車的功率為65kW.

表2 前后軸電機(jī)參數(shù)

減速器的減速比應(yīng)該滿足最高車速以及爬坡度的要求，即使:

將nmax=9000r/min，vmax=140km/h 帶入，得到4.3 ＜i減≤7.02

參考原車E50 的減速比，減速器定為6.2.

2 基于前輪邊后輪轂的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電氣架構(gòu)構(gòu)建

整車電氣架構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)及高低壓電氣架構(gòu)構(gòu)成.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖1 所示，其中HGT 網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將車載傳感器信息如油門(mén)/制動(dòng)踏板、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等感器信息等傳遞給Autobox，Autobox 會(huì)根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)以及控制算法的需求分配四輪控制力矩.高低壓電氣架構(gòu)如圖2 所示，DC/DC 是整車低壓供電單元的核心，整車低壓照明、控制器供電以及低壓執(zhí)行單元通過(guò)DC/DC 的變壓作用提供低壓功率，DC/DC 的功率為1.8kW.

3 實(shí)車試驗(yàn)

圖3 為實(shí)車動(dòng)力性能指標(biāo)實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在30s 時(shí)試驗(yàn)車輛已經(jīng)達(dá)到了143.9km/h.車輛百公里加速時(shí)間為11.37s.基本滿足了設(shè)計(jì)要求.

圖3 力性能測(cè)試

4 結(jié) 論

利用驅(qū)動(dòng)力分配I 曲線對(duì)前驅(qū)動(dòng)橋式后輪轂式分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車進(jìn)行參數(shù)匹配并且制定了整車的電氣架構(gòu)，其中包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)和高低壓電氣架構(gòu)，為分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

［1］ 余卓平，姜煒，張立軍.四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車扭矩分配控制［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(08):1115－1119.

［2］ 楊養(yǎng)戶.電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)技術(shù)［J］.汽車維修，2012，3:44－47.

［3］ 周飛鯤.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2013.

［4］ 李芳，張俊智，王麗芳，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)控制器局域網(wǎng)(CAN)總線通信協(xié)議［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(5):102－107.

［5］ 李田田，金啟前，馮擎峰.純電動(dòng)汽車高壓電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.汽車工程師，2013，11:49－51.

［6］ 余志生，主編.汽車?yán)碚?第五版［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012，130－202.