微型低速電動(dòng)汽車(chē)性能影響因素分析

戚基艷，崔永剛

(1. 遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113122；2. 沈陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)由于行駛動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為目前電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。輪轂電機(jī)安裝空間狹小，嚴(yán)重制約電機(jī)控制性能，而且使整車(chē)平順性和安全性降低，故純電動(dòng)汽車(chē)目前無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性都遇到了發(fā)展瓶頸[3-5]。但微型電動(dòng)汽車(chē)能夠滿(mǎn)足城市居民日常出行需求，且實(shí)現(xiàn)了成本、價(jià)格、使用費(fèi)用的三低[6]，深受我國(guó)農(nóng)村及三、四線城市消費(fèi)者喜愛(ài)[7]。通過(guò)與共享汽車(chē)等創(chuàng)新商業(yè)模式結(jié)合，可以形成新的消費(fèi)增長(zhǎng)點(diǎn)，且能夠解決城市的“最后一公里”出行問(wèn)題[4]，在續(xù)駛里程和動(dòng)力性上均有良好表現(xiàn)潛力，是電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)先發(fā)展的方向[8]。

以自主研發(fā)的第一代微型低速電動(dòng)車(chē)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)方案進(jìn)行匹配。把汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程和動(dòng)力性作為優(yōu)化參數(shù)變量。運(yùn)用控制變量法，把自變量分為汽車(chē)結(jié)構(gòu)、電機(jī)和電池組3個(gè)參數(shù)大類(lèi)，進(jìn)行控制策略參數(shù)優(yōu)化，分別從橫向和縱向?qū)Ρ确治鲎宰兞繉?duì)變量參數(shù)的影響規(guī)律。

1 整車(chē)參數(shù)及性能指標(biāo)

根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)分析和T/TBPS1001—2016[9]標(biāo)準(zhǔn)，確定所設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)微型電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性指標(biāo)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。第一代電動(dòng)汽車(chē)(圖1)動(dòng)力系統(tǒng)布置方案見(jiàn)圖2。

表1 微型電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求

表2 實(shí)驗(yàn)樣車(chē)基本參數(shù)

圖1 第一代電動(dòng)汽車(chē)

圖2 第一代電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)方案

2 動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

2.1 電動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配

根據(jù)整車(chē)加速過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程，當(dāng)汽車(chē)在水平路面上加速時(shí)，整車(chē)在加速過(guò)程的終了時(shí)刻，動(dòng)力源輸出最大功率。其加速過(guò)程最大功率為[10]：

(1)

式中:ut為加速末速度(49km/h)；T為加速時(shí)間；δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；ηt為電池放電效率，取0.9；m為汽車(chē)整備質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

電機(jī)要安裝在輪轂內(nèi)，對(duì)尺寸要求嚴(yán)格，選擇電機(jī)類(lèi)型為尺寸最小的永磁同步電機(jī)。通過(guò)計(jì)算和對(duì)比相關(guān)廠家的產(chǎn)品，最終選取電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 選取的電機(jī)參數(shù)

2.2 蓄電池參數(shù)的匹配

電池類(lèi)型選擇性能優(yōu)越、技術(shù)發(fā)展成熟的鋰離子電池，在電動(dòng)汽車(chē)中廣泛應(yīng)用[11]。

蓄電池組作為唯一動(dòng)力源，必須滿(mǎn)足車(chē)輛行駛時(shí)所需的最大功率和續(xù)駛里程要求，且純電動(dòng)汽車(chē)采用的是能量型電池，只要滿(mǎn)足其能量要求，系統(tǒng)的功率即能得到滿(mǎn)足。根據(jù)其續(xù)駛里程來(lái)確定電池容量。

(2)

式中：Cess是電池組總?cè)萘?；S是汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程，這里根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取80km；vavg為汽車(chē)勻速行駛的速度，取49km/h；ξsoc為電池組放電深度；Uess為電池組電壓。

通過(guò)先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式[12]滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)電壓和電容的需求，并結(jié)合電池供應(yīng)商情況，選擇電池組參數(shù)如表4。

表4 電池參數(shù)

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配

在電機(jī)輸出特性不變的情況下，傳動(dòng)系的速比主要取決于整車(chē)的動(dòng)力性指標(biāo)。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)只有減速器。因此速比應(yīng)滿(mǎn)足：

(3)

(4)

式中：nmax為電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)速，r/min；r為車(chē)輪的滾動(dòng)半徑；Vmax為最高車(chē)速；通過(guò)計(jì)算減速比取值范圍為8.2≥i≥5.8，初步選取減速比值i=7。

3 影響汽車(chē)性能參數(shù)分析

續(xù)駛里程是微型電動(dòng)汽車(chē)首要設(shè)計(jì)目標(biāo)[7]，動(dòng)力性是汽車(chē)性能最基本的目標(biāo)。根據(jù)匹配的電機(jī)和蓄電池參數(shù)以及汽車(chē)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)，將分析參數(shù)分為3組，分析同類(lèi)參數(shù)之間的影響趨勢(shì)及控制優(yōu)化區(qū)間。

SOC代表著能量存儲(chǔ)系統(tǒng)剩余可用電量，由公式(5)確定，通過(guò)分析SOC達(dá)到優(yōu)化續(xù)駛里程的目的：

(5)

1) 微型汽車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化規(guī)律

選擇汽車(chē)整備質(zhì)量(800≤veh_mass≤1 374)、質(zhì)心高度(0.4≤veh_cg_height≤0.6)、前軸載荷(0.3≤veh_front_wt_frac≤0.65)3個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化規(guī)律分析的自變量，每個(gè)參數(shù)等步長(zhǎng)取3個(gè)離散點(diǎn)進(jìn)行分析。優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

圖3 微型汽車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響

由圖3可以看出3個(gè)參數(shù)作用下續(xù)駛里程和加速度的最優(yōu)取值范圍，與兩個(gè)因變量之間有一定的重合。整備質(zhì)量和加速度、續(xù)駛里程均呈負(fù)相關(guān)，對(duì)續(xù)駛里程的影響為線性。前軸載荷對(duì)加速度和續(xù)駛里程的影響均呈非線性正相關(guān)，且對(duì)加速度影響更大。質(zhì)心高度對(duì)加速度和續(xù)駛里程的影響規(guī)律相反且都呈線性。

2) 電機(jī)相關(guān)參數(shù)對(duì)汽車(chē)性能的影響

選擇電機(jī)最大電流(100≤mc_max_crrnt≤300)、電機(jī)最小電壓(60≤mc_min_volts≤85)、電機(jī)過(guò)載系數(shù)(1.2≤mc_overtrq_fractor≤4)3個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化規(guī)律分析的自變量，每個(gè)參數(shù)等步長(zhǎng)取3個(gè)離散點(diǎn)進(jìn)行分析。優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖4 電機(jī)相關(guān)參數(shù)對(duì)汽車(chē)性能的影響

由圖4可知：兩個(gè)因變量最優(yōu)取值變化規(guī)律基本相反；電機(jī)的最大電流在一定范圍內(nèi)與續(xù)駛里程呈負(fù)相關(guān)，和加速度呈正相關(guān)。電機(jī)最小電壓對(duì)兩個(gè)因變量均沒(méi)有影響。電機(jī)過(guò)載系數(shù)對(duì)續(xù)駛里程也沒(méi)有影響，在一定范圍內(nèi)與加速度呈正相關(guān)。

3) 電池組參數(shù)對(duì)汽車(chē)性能的影響

根據(jù)匹配參數(shù)選取的情況，選擇單體電池最大電壓(3≤ess_max_volts≤3.5)、單體電池最小電壓(2≤ess_min_volts≤3)、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)電量(18≤ess_module_num≤30)3個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)等步長(zhǎng)取3個(gè)離散點(diǎn)進(jìn)行分析。優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 電池組參數(shù)對(duì)汽車(chē)性能的影響

由圖5可以看出電池組相關(guān)3個(gè)參數(shù)作用下因變量的最優(yōu)取值范圍，且兩個(gè)因變量之間變化規(guī)律基本相反：?jiǎn)蝹€(gè)電池最小電壓在一定范圍內(nèi)對(duì)續(xù)駛里程和最大加速度都沒(méi)有影響；電池組數(shù)、單體電池最大電壓與續(xù)駛里程在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)。電池組數(shù)與最大加速度呈負(fù)相關(guān)，自變量單個(gè)電池最小電壓在拐點(diǎn)之后與加速度呈負(fù)相關(guān)。

采用極差和標(biāo)準(zhǔn)差分析多因素靈敏度[13]的方法，進(jìn)一步對(duì)比不同類(lèi)別組參數(shù)對(duì)兩個(gè)因變量?jī)?yōu)化目標(biāo)的影響敏感度，如表5所示。由于單體電池串聯(lián)數(shù)和單體電池最大電壓影響的均是整個(gè)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的最高電壓，因此，對(duì)微型電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程影響最大的前3位參數(shù)是：能量存儲(chǔ)系統(tǒng)最高電壓、汽車(chē)總重以及電機(jī)允許的最大電流。對(duì)微型電動(dòng)汽車(chē)最高加速度影響最大的前3位參數(shù)依次是：前軸載荷、電機(jī)過(guò)載系數(shù)和車(chē)重。

表5 因變量的極差和標(biāo)準(zhǔn)差

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)微型電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)設(shè)計(jì)要求，對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配，并用ADVISOR仿真驗(yàn)證了結(jié)果。以控制變量法為基礎(chǔ)，將匹配參數(shù)分為3個(gè)方向：汽車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)、電機(jī)參數(shù)以及蓄電池參數(shù)，研究匹配參數(shù)對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)微型電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能和續(xù)駛里程影響的最優(yōu)取值范圍和規(guī)律，結(jié)果表明：

1) 汽車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)可以同時(shí)兼顧續(xù)駛里程和動(dòng)力性選取最優(yōu)值。而電機(jī)參數(shù)和電池組參數(shù)在續(xù)駛里程和動(dòng)力性?xún)蓚€(gè)方向最優(yōu)取值范圍沒(méi)有重合，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮實(shí)際需求進(jìn)行取舍。

2) 對(duì)于在城市道路行駛的微型電動(dòng)汽車(chē)，盡量提高能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的最高電壓，減輕汽車(chē)總重，降低電機(jī)/控制器允許的最大電流，適當(dāng)增加前軸載荷比重，能夠提高微型汽車(chē)的續(xù)駛里程。

3) 前驅(qū)微型電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)增加前軸載荷比重、加大電機(jī)過(guò)載系數(shù)和減輕車(chē)重，適當(dāng)增大電機(jī)/控制器允許的最大電流都能夠提高微型電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性。