純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真

陶小松，王鵬，陳樂

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安 710064)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)是涉及多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。純電動(dòng)汽車動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有最高車速、加速時(shí)間和爬坡能力，經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有能量消耗率和續(xù)駛里程。研究表明：動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)純電動(dòng)汽車的性能有很大影響，要提高整車性能，必須解決動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配問(wèn)題[1]。純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性易受其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性、動(dòng)力電池放電特性和傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)等的影響，因此，動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)等參數(shù)的確定以及他們之間的合理匹配至關(guān)重要。

本文根據(jù)純電動(dòng)汽車的整車性能參數(shù)要求，對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；利用AMESim仿真軟件建立純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和傳動(dòng)系的模型，連接調(diào)試形成最終的動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型；根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系參數(shù)進(jìn)行調(diào)校，以得到能夠滿足純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能和續(xù)駛里程要求的動(dòng)力系統(tǒng)匹配方案。

1 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及選型

1.1 整車參數(shù)及性能要求

整車性能參數(shù)指標(biāo)反映所設(shè)計(jì)車輛的性能優(yōu)劣。在動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)將關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)向較好的趨勢(shì)靠近，這使得匹配結(jié)果有可能優(yōu)于指標(biāo)要求。本文將純電動(dòng)汽車定位為跑車，對(duì)于其加速性能和最高車速要求較高。整車參數(shù)和性能要求包括整車結(jié)構(gòu)參數(shù)和整車性能指標(biāo)[2]，具體數(shù)值如表1、2所示。

表1 整車結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 整車性能指標(biāo)

由表2可以看出，整車加速性能和續(xù)駛里程指標(biāo)要求較高，因此選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池時(shí)應(yīng)該充分考慮其性能是否能夠滿足整車性能指標(biāo)的要求。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力來(lái)源，其各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)劣直接影響整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中阻力小、效率高、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速以及過(guò)載能力強(qiáng)，電機(jī)的尺寸應(yīng)盡可能小，質(zhì)量輕，運(yùn)行噪聲小[3]。

電機(jī)參數(shù)主要有：額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩[4]。在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)時(shí)，需要考慮最高車速、加速能力和過(guò)載能力幾個(gè)方面[5]。

1.2.1 電機(jī)功率

1)峰值功率

由汽車動(dòng)力學(xué)理論可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)大于電動(dòng)汽車加速時(shí)需求的功率，同時(shí)應(yīng)滿足最高車速和最大爬坡所需的功率[6]，即：

Pmax≥max{Pemax，Pamax，Pcmax}，

計(jì)算得：Pemax=42.36 kW，Pamax=55.22 kW ，滿足車輛0～50、0～100 km/h的加速時(shí)間所需的功率分別為Pcmax1=266.97 kW、Pcmax2=317.83 kW，所以取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率Pmax=320 kW。

2)額定功率

當(dāng)電機(jī)功率為額定功率的70%～85%時(shí)，電機(jī)運(yùn)行效率最高，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)在高效率功率范圍能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行[7]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率不能小于車輛最高車速時(shí)的需求功率。因此在前、后車橋處各設(shè)置一個(gè)電機(jī)，單個(gè)電機(jī)額定功率為60 kW，峰值功率為160 kW。

1.2.2 最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在滿足最高車速要求的前提下不應(yīng)過(guò)高，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)增加電機(jī)的制造工藝難度，從而增加成本。由于本車型對(duì)車速要求較高，所以選用高速電機(jī)。普通高速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為10 000～15 000 r/min[8]，最高轉(zhuǎn)速初步設(shè)定為12 000 r/min。有

β=nmax/nb,

式中：β為恒功率區(qū)系數(shù)，取β=2.3；nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；nb為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

計(jì)算得nb=5 217 r/min。

1.2.3 額定扭矩與峰值扭矩

由電機(jī)的額定功率、峰值功率及額定轉(zhuǎn)速計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定扭矩為109.8 N·m，峰值扭矩為292.9 N·m。峰值扭矩不僅需要滿足車輛低速加速性能和爬坡能力要求，而且應(yīng)具有一定的后備扭矩，即峰值扭矩應(yīng)大于實(shí)際需求扭矩，初步設(shè)定峰值扭矩為310 N·m。

1.2.4 電機(jī)選型

根據(jù)計(jì)算的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，選擇某型內(nèi)置式永磁同步電機(jī),電機(jī)具體參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)參數(shù)

1.3 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的能量?jī)?chǔ)存裝置，是電動(dòng)汽車的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。鋰離子電池有突出的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用三元鋰電池，其電芯參數(shù)見表4。

表4 動(dòng)力電池參數(shù)

由表4可以看出，所選電池的電芯容量大、能量密度高，能滿足所匹配車輛長(zhǎng)續(xù)航的要求。

單組電池?cái)?shù)目由驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定電壓確定，電池組數(shù)目由續(xù)航里程和單體電池容量確定。為保護(hù)電池不至于過(guò)度放電而損壞，延長(zhǎng)電池壽命，一般設(shè)置放電深度為80%左右。

1)單組電池?cái)?shù)目

單組電池?cái)?shù)目N=96。

2)電池組數(shù)目

電池組數(shù)目為

n=1 000sW/(0.87c1V1N)，

式中：W為行駛1 km所消耗的能量，W·h，取W=180 W·h；c1為單體電池容量；V1為單體電池電壓。

計(jì)算得n=9。

1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)主要是傳動(dòng)比及傳動(dòng)效率，傳動(dòng)比包含變速器傳動(dòng)比和主減速器傳動(dòng)比。電動(dòng)汽車一般有單擋傳動(dòng)和兩擋變速器傳動(dòng)。對(duì)于高性能純電動(dòng)汽車可以選擇兩擋變速器來(lái)滿足高速和加速行駛的要求。如果主減速器能夠滿足整車動(dòng)力性能要求，可以采用單擋傳動(dòng)[9]。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性一定時(shí)，傳動(dòng)比的選擇取決于車輛動(dòng)力性能指標(biāo)的要求，即必須同時(shí)滿足最高車速、爬坡性能和加速時(shí)間3個(gè)指標(biāo)。

在齒輪傳動(dòng)中，單級(jí)圓柱齒輪的傳動(dòng)效率可達(dá)99%，又由于齒輪轉(zhuǎn)速較高，整個(gè)傳動(dòng)系的效率取為97%。

1)最大傳動(dòng)比。該參數(shù)取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、汽車最高車速以及驅(qū)動(dòng)輪半徑，有

imax≤0.377nmaxR/vmax，

計(jì)算得imax=7.47。

2)最小傳動(dòng)比。該參數(shù)可以通過(guò)以下兩種計(jì)算方法確定，兩者中的較大值即為最小傳動(dòng)比。

由最大爬坡度對(duì)應(yīng)的行駛阻力和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩Timax確定傳動(dòng)比

計(jì)算得i1=5.33。

由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的最大輸出轉(zhuǎn)矩Tnmax和最高車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定傳動(dòng)比

計(jì)算得i2=5.28，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最小傳動(dòng)比imin=5.33。

因此該傳動(dòng)系傳動(dòng)比的范圍為5.33～7.47，傳動(dòng)比范圍較小，由于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍較寬，兼顧成本，變速器采用單級(jí)圓柱斜齒輪傳動(dòng)[10-11]，考慮該車型對(duì)于加速性能要求較高，初步選定傳動(dòng)系的傳動(dòng)比為6.90。

2 動(dòng)力系統(tǒng)模型的建立

2.1 整車仿真模型的構(gòu)建

1)繪制整車仿真模型草圖。從汽車元件庫(kù)中調(diào)用系統(tǒng)模型所需的基本元素，并將各個(gè)基本元素連接起來(lái)形成仿真系統(tǒng)模型的草圖，如圖1所示。

圖1 整車仿真模型

2)子模型創(chuàng)建。本文側(cè)重于動(dòng)力系統(tǒng)的研究，因此創(chuàng)建動(dòng)力系統(tǒng)部件的子模型[12]。其他系統(tǒng)元件選擇簡(jiǎn)單的子模型。

3)參數(shù)設(shè)置。進(jìn)入?yún)?shù)模式之前AMESim會(huì)自動(dòng)檢測(cè)所搭建系統(tǒng)模型的完整性，并為系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)仿真程序執(zhí)行文件。若系統(tǒng)不完整，將會(huì)提示錯(cuò)誤信息；若系統(tǒng)完整，將進(jìn)入?yún)?shù)模式。

4)整車參數(shù)輸入。整車參數(shù)包括總質(zhì)量、前后質(zhì)量分配比、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輪胎參數(shù)、輪輞直徑等，對(duì)整車性能仿真的準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的作用。

5)電機(jī)參數(shù)輸入。驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)置包括峰值功率、最大扭矩、效率以及最高轉(zhuǎn)速。

6)電池參數(shù)輸入。電池參數(shù)包括額定電壓、單組電池?cái)?shù)目、電池組數(shù)目、容量以及電池的放電特性曲線。

7)傳動(dòng)系參數(shù)輸入。傳動(dòng)系參數(shù)包括傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。

8)行駛循環(huán)設(shè)置。根據(jù)所需仿真項(xiàng)目設(shè)置行駛循環(huán)。

9)進(jìn)入仿真模式。設(shè)置仿真參數(shù)，仿真參數(shù)包括起止時(shí)刻、步長(zhǎng)等。

2.2 模型仿真分析

1)動(dòng)力電池模型

電池的狀態(tài)由剩余容量與其完全充電狀態(tài)容量的比值(state of charge，SOC)來(lái)反映，SOC的變化特性需要進(jìn)行一系列的放電試驗(yàn)來(lái)測(cè)驗(yàn)，測(cè)量電池電壓、電阻、溫度等參數(shù)[13]。由于本文主要研究動(dòng)力系統(tǒng)匹配，不考慮溫度引起的電池參數(shù)的變化，因此設(shè)置電池溫度恒為25 ℃。動(dòng)力電池的放電特性曲線如圖2、3所示。

圖2 單體電池放電電壓特性曲線 圖3 單體電池放電電阻特性曲線

由圖3可以看出：當(dāng)SOC高于80%時(shí)，電池電阻很小并保持不變；SOC從80%～20%變化時(shí)，電池電阻總體呈上升趨勢(shì)，電阻值有折回現(xiàn)象，但在整個(gè)放電過(guò)程中，電阻值均低于0.9 mΩ。

2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

根據(jù)所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)，將數(shù)據(jù)整理并繪制成如圖4所示的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性圖。

所選永磁同步電機(jī)具有制動(dòng)能量回收特性。當(dāng)車輛反拖電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為直流電儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中。制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)矩特性如圖5所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性 圖5 制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)矩特性

3)傳動(dòng)系統(tǒng)模型

在傳動(dòng)系統(tǒng)模塊中添加了類似于離合器的模塊，便于連接整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置，防止傳動(dòng)系統(tǒng)因過(guò)載而損壞，同時(shí)在緊急情況下可以迅速斷開動(dòng)力傳遞。

3 仿真分析及參數(shù)調(diào)校

3.1 仿真結(jié)果分析

3.1.1 動(dòng)力性能

根據(jù)文獻(xiàn)[14]對(duì)純電動(dòng)汽車的加速特性、最高車速及爬坡能力的技術(shù)要求，進(jìn)行整車動(dòng)力性能仿真。該型純電動(dòng)汽車測(cè)試時(shí)需裝載質(zhì)量為150 kg(包括駕駛員)。動(dòng)力性能仿真結(jié)果如表5所示。

表5 整車動(dòng)力性能仿真結(jié)果

由表5可以看出：與表2的設(shè)計(jì)目標(biāo)相比，整車的最高車速、最大爬坡度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但加速性能未能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)性能

根據(jù)文獻(xiàn)[15]對(duì)純電動(dòng)汽車的能量消耗率和續(xù)駛里程的技術(shù)要求，進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性能仿真。仿真結(jié)果如圖6、7所示。由圖6、7中數(shù)據(jù)整理得到表6，與表2的設(shè)計(jì)目標(biāo)相比，續(xù)駛里程達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

a)NEDC車速隨時(shí)間的變化曲線 b)SOC隨時(shí)間的變化曲線 c)位移隨時(shí)間的變化曲線圖6 NEDC工況仿真

a)60 km/h仿真車速 b)SOC隨時(shí)間的變化曲線 c)位移隨時(shí)間的變化曲線圖7 60 km/h等速工況仿真

NEDC工況60 km/h等速工況能量消耗率/(W·h·km-1)續(xù)駛里程/km能量消耗率/(W·h·km-1)續(xù)駛里程/km202449187485

3.2 傳動(dòng)系參數(shù)調(diào)校

從仿真結(jié)果來(lái)看：整車的最高車速、最大爬坡度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但加速性能未能滿足設(shè)計(jì)要求；續(xù)駛里程達(dá)到設(shè)計(jì)要求。加速性能未能滿足要求且爬坡能力較好的原因可能是所選傳動(dòng)系6.90的速比偏小。將傳動(dòng)比逐級(jí)增加，再進(jìn)行整車性能仿真。不同速比仿真結(jié)果如表7所示。

由表7可以看出：因?yàn)閭鲃?dòng)系傳動(dòng)比過(guò)小而導(dǎo)致加速性能不能滿足設(shè)計(jì)要求，傳動(dòng)比達(dá)到7.10時(shí)滿足整車加速性能要求。對(duì)滿足動(dòng)力性能要求的傳動(dòng)比進(jìn)行整車性能仿真，其仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)選定的傳動(dòng)比對(duì)比如表8所示。

1)隨著傳動(dòng)比的增大，車輛的加速性能逐漸提高。

2)傳動(dòng)比為7.10時(shí)，在滿足動(dòng)力性能的前提下，較傳動(dòng)比為7.15的經(jīng)濟(jì)性好。

3)傳動(dòng)比為7.10與傳動(dòng)比為6.9時(shí)的NEDC工況續(xù)駛里程相同，在經(jīng)濟(jì)性相同的情況下，前者提高了整車的動(dòng)力性能。

因此最后確定傳動(dòng)系的傳動(dòng)比為7.10。

表7 各傳動(dòng)比對(duì)應(yīng)的動(dòng)力性能仿真結(jié)果

表8 傳動(dòng)比調(diào)整前后車輛經(jīng)濟(jì)性能仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1)根據(jù)整車參數(shù)要求對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和傳動(dòng)系參數(shù)。

2)利用仿真軟件AMESim建立整車系統(tǒng)模型，整車性能仿真結(jié)果滿足經(jīng)濟(jì)性要求，但整車的加速性略低于指標(biāo)要求。

3)在傳動(dòng)比范圍內(nèi)逐級(jí)增大傳動(dòng)比，使得整車動(dòng)力性能得到較大提升的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性也略有提高。此種方法費(fèi)時(shí)，且得到的匹配方案不一定最優(yōu)。因此后續(xù)研究需要尋找一種優(yōu)化傳動(dòng)系參數(shù)的方法，使得純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配結(jié)果更優(yōu)。