電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真

周振響，張琦

引言

電動(dòng)汽車(chē)因其零排放、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、操作性好等優(yōu)勢(shì)成為解決上述問(wèn)題的首選車(chē)型。目前，電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)還不太成熟，其主要問(wèn)題是動(dòng)力電池組成本高和續(xù)駛里程不理想，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)以求各部件參數(shù)達(dá)到最佳匹配，是提高電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性和增加續(xù)駛里程的有效手段[1]。本文是建立在傳統(tǒng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)方法與仿真。

1、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)布置

采用不同的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形式總體上可分為兩種：集中驅(qū)動(dòng)和車(chē)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。本文研究的電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式是集中驅(qū)動(dòng)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

其驅(qū)動(dòng)模式與傳統(tǒng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置一致，帶有變速器和離合器，只是將發(fā)動(dòng)機(jī)換成電動(dòng)機(jī)，這種布置可以提高電動(dòng)汽車(chē)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，增加低速時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的后備功率。

2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池組、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、主減速器、差速器和驅(qū)動(dòng)輪等主要部件組成。集中驅(qū)動(dòng)是利用一個(gè)動(dòng)力源通過(guò)變速器和減速器減速增扭，最后經(jīng)差速器將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大致平均地分配給左右驅(qū)動(dòng)半軸到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪，其驅(qū)動(dòng)形式采用前輪驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)由電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能指標(biāo)決定[3][4]。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

電動(dòng)汽車(chē)的功率全部由電機(jī)來(lái)提供，所以電機(jī)功率的選擇須滿足汽車(chē)最高車(chē)速、加速時(shí)間和最大爬坡度等動(dòng)力要求[5]。

2.1.1 滿足汽車(chē)最高車(chē)速時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率

車(chē)輛在水平良好路面上，以最高車(chē)速勻速行駛，坡度阻力和加速阻力為零，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率應(yīng)至少為：

式中：P1為最高車(chē)速時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，kW；Tη為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；m為車(chē)輛滿載質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；maxu為最高行駛車(chē)速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車(chē)輛迎風(fēng)面積，m2；g為重力加速度，9.8N/kg。

2.1.2 滿足汽車(chē)爬坡性能時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率

電動(dòng)汽車(chē)以某一車(chē)速爬上一定坡度時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率應(yīng)至少為：

式中：P2為滿足爬坡性能時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，kW；α為爬坡角度， α = a rctani ，i為道路坡度； ua為爬坡時(shí)最低車(chē)速，km/h。

2.1.3 滿足汽車(chē)加速性能時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率

電動(dòng)汽車(chē)加速過(guò)程中，所需的最大功率為加速至目標(biāo)車(chē)速下的功率，忽略坡道阻力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率應(yīng)至少為：

式中：P3為滿足加速性能時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，kW； um為加速后期車(chē)速，km/h；δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為加速后期加速度，m/s2。

電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率應(yīng)該同時(shí)滿足車(chē)輛在最高車(chē)速、最大爬坡度和最大加速度時(shí)所需的功率，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率為：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：

式中：Pe為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率，kW；λ為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，一般取2～3。

2.1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定

式中：ne為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；maxn 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，r/min；β為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，一般取2～4。

2.1.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定

式中：Te為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N·m。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為：

2.2 傳動(dòng)系傳動(dòng)比參數(shù)確定

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出特性一定時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)比的選擇依賴(lài)于整車(chē)的動(dòng)力性能指標(biāo)，即應(yīng)該滿足汽車(chē)最高車(chē)速、最大爬坡度以及對(duì)加速時(shí)間的要求[6]。

2.2.1 最小傳動(dòng)比的確定

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車(chē)速確定最小傳動(dòng)比[7]。若變速器的最高擋為直接擋時(shí)，即此擋的傳動(dòng)比為 1，則最小傳動(dòng)比即為主減速器的傳動(dòng)比，有：

式中：0i為主減速器傳動(dòng)比；minti 為傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑，m。

2.2.2 最大傳動(dòng)比的確定

電動(dòng)汽車(chē)最大傳動(dòng)比的確定，要考慮以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：最大爬坡度和附著率。電動(dòng)汽車(chē)在滿足最大爬坡度的條件下，車(chē)輛的最大傳動(dòng)比為：

式中：1gi為變速器I擋傳動(dòng)比；maxti 為傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比；maxα為車(chē)輛I擋時(shí)的最大爬坡角度；maxuα為車(chē)輛最大爬坡度時(shí)的速度，km/h。

電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系傳動(dòng)比應(yīng)滿足： itmin≤i≤itmax。

3、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某款電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)模式與傳統(tǒng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置一致，采用前輪前驅(qū)形式，其基本參數(shù)及動(dòng)力性能需求如表 1所示。

表1 電動(dòng)汽車(chē)基本參數(shù)和動(dòng)力性能要求

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型選取交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

由公式（1）～（4）計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率為82.6kW；取λ=3由公式（5）得額定功率為27.5kW。由公式（6）得驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為 6000r/min，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。由公式（7）（8）得驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為219.2 N·m，額定轉(zhuǎn)矩為87.7 N·m。

3.2 傳動(dòng)系傳動(dòng)比的選擇

本文設(shè)計(jì)的變速器為3擋，各擋以等比級(jí)數(shù)分配，且3擋為直接擋即 ig3=1，由公式（9）得主減速器傳動(dòng)比i0= 5 .7；由公式（10）得1、2、3擋傳動(dòng)比分別為 ig1=2.9， ig2=1.7，ig3=1。

4、仿真分析

利用ADVISOR軟件對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力性能進(jìn)行仿真分析。ADVISOR軟件能夠依據(jù)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的性能要求對(duì)一定行駛循環(huán)工況下汽車(chē)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能和排放性能進(jìn)行估算。

在UDDS工況下仿真結(jié)果如圖2至圖5所示。汽車(chē)的最高車(chē)速為 133km/h，最大爬坡度為 32%。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在UDDC道路工況下不斷的發(fā)生變化，汽車(chē)在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)能夠提供額外轉(zhuǎn)矩，而在減速情況下電機(jī)開(kāi)始發(fā)電，有效的回收能量為蓄電池充電。從圖中得出，SOC呈動(dòng)態(tài)變化，但波動(dòng)很小，實(shí)現(xiàn)了充放電的平衡，滿足了設(shè)計(jì)的要求。

5、結(jié)論

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是汽車(chē)的核心組成部分，而對(duì)電動(dòng)汽車(chē)更為重要，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配將影響到電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程等指標(biāo)。通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各主要部件的具體計(jì)算方法和基本參數(shù)的選擇進(jìn)行了說(shuō)明，為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的參數(shù)達(dá)到最佳匹配提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)仿真軟件驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，滿足了動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性的要求。

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