劉成武 念 健

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純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及動力性能仿真

劉成武 念 健

福建工程學院機電及自動化工程系

根據(jù)某款純電動汽車的動力設計要求，構建其動力系統(tǒng)結構模型和控制策略。在理論分析基礎上，對其電機、傳動系傳動比以及電池進行了參數(shù)匹配計算，并利用ADVISOR仿真軟件對其進行了仿真分析，結果表明這種動力系統(tǒng)設計方法有效可行。

純電動汽車；動力性能；參數(shù)匹配；ADVISOR

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油汽車在給人類生活帶來極大便利的同時，也帶來了嚴重的環(huán)境污染和能源危機。因而，當今汽車工業(yè)的發(fā)展勢必尋求向低噪聲、零排放、綜合利用能源的方向發(fā)展。而電動汽車被看成能夠解決這兩大問題的重要途徑之一[1- 2]。然而電動汽車續(xù)駛里程制約了電動汽車的普及和發(fā)展。因此，對動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行合理設計和匹配，已成為電動汽車研究熱點之一[3-5]。

目前，在動力電池和其他技術取得有效突破之前，對電動汽車動力傳動系部件的設計參數(shù)進行研究是提高電動汽車性能的重要手段之一。電動汽車的能量供給和消耗，與蓄電池的性能密切相關，而驅動電機直接影響電動汽車的動力性，傳動系統(tǒng)設計的關鍵是確定合理的傳動比。這些動力傳動系統(tǒng)參數(shù)均是影響電動汽車動力性和經(jīng)濟性的因素。

1 動力設計要求及動力系統(tǒng)結構選型

1.1 動力設計要求

純電動汽車的動力性能主要取決于動力系統(tǒng)參數(shù)匹配(包括動力源、驅動電機、控制器、傳動系等)以及控制策略和各部件的特性等。為了節(jié)約能量以提高其動力性能，要求電動車具有能量再生能力。根據(jù)設計要求，本文設計的以某款純電動SUV整車動力性指標如表1所示。

表1　整車動力性能指標

1.2 動力系統(tǒng)結構選型

其動力系統(tǒng)采用鋰電池作為其主要動力源,并回收制動能量。采用變頻控制的直流永磁無刷電機,該電機具有效率高、可靠性好、免維護及有效實現(xiàn)再生制動等優(yōu)點。傳動系中取消變速器，保留主減速器。在結構上電機與主減速器之間取消傳動軸，采用模塊整體化設計，安放在后橋中。其動力系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 動力系統(tǒng)結構框圖

電動汽車動力系統(tǒng)控制策略：當汽車起步加速和正常行駛時，電池給電機供電驅動車輪，并向車載用電器供電；當汽車下坡或剎車減速時，電機作為發(fā)電機給電池充電，從而實現(xiàn)能量有效回收。

2 動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配

動力傳動系統(tǒng)是電動汽車最主要的系統(tǒng),電動汽車運行性能主要由其動力傳動系統(tǒng)的性能決定。一個電動汽車的動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配，主要包括電機參數(shù)選擇、傳動比選擇、電池組容量選擇。

2.1 電機參數(shù)的選擇

根據(jù)電機的外特性[6]，驅動電機在低轉速區(qū)可獲得恒定最大扭矩，同時在高轉速區(qū)獲得恒定的較高功率。驅動電機最大轉速的選擇要結合傳動系減速比、驅動電機效率和連續(xù)轉動特性來考慮。驅動電機效率是扭矩和轉速的函數(shù)，在保障轉速和扭矩要求情況下，力求最大驅動電機工作效率。

綜合以上因素，計算并選擇電機額定功率為30 kW，峰值功率為90 kW；選擇電機額定扭矩為80 N·m（最大扭矩為240 N·m），額定轉速為4800 r/min(最大轉速為7200 r/min)。

2.2 傳動比設計

傳動系的總傳動比上限可以根據(jù)下式確定：

（1）由電動機最高轉速對應最大輸出扭矩和最高車速對應行駛阻力確定傳動系速比下限

（2）由電動機最大輸出扭矩和最大爬坡度對應的行駛阻力確定速比下限值

根據(jù)以上計算結果，最后選定傳動比為7.22。

2.3 電池組容量選擇

電池容量的選擇主要考慮最大輸出功率和能量，以保證電動車的動力性和續(xù)駛里程。電池數(shù)目確定有以下2種方法：

（1）由最大功率選擇電池數(shù)目

（2）由續(xù)駛里程選擇電池數(shù)目

通過理論計算和工程分析獲得動力系統(tǒng)設計參數(shù)如表2所示。

表2 動力傳動系統(tǒng)主要設計參數(shù)

3 電動汽車動力性能仿真

3.1 循環(huán)工況選擇

當前評價整車性能的循環(huán)工況主要有CYC_ECE_EUDC、CYC_UDDS和CYC_HWFET，我國主要是以CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況為主。其循環(huán)周期為1 225 s，行駛距離為10. 93 km，最大行駛速度為120 km/h，平均速度為32.1 km/h。最大加速度為1.05 m/s2，最大減速度為-1.39 m/s2，停車次數(shù)為13次。

3.2 仿真結果分析

根據(jù)以上技術參數(shù),基于ADVISOR仿真軟件，采用CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況對已建立整車仿真模型進行仿真，仿真結果如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，動力性仿真參數(shù)基本符合前述的動力性設計要求，尤其汽車最高車速和加速時間等動力性能得到了很大的提高，其續(xù)駛里程也基本滿足要求。

表3 循環(huán)工況仿真結果

仿真的車速情況如圖2所示, EV實際車速完全可以滿足其工況需求車速,體現(xiàn)出良好的動力性能。

圖2 車速隨時間變化曲線

電機的實際輸出轉矩如圖3所示。電機驅動車輪工作時，轉矩為正值；在汽車減速回饋制動時，電機輸出轉矩為負值（其絕對值比牽引轉矩?。?，有效地回收了部分制動能量，從而增加了行駛里程，使整車經(jīng)濟性能得到較大的提高。

圖3 電機輸出轉矩

鋰電池SOC值變化如圖4所示. 車輛在頻繁加減速的工作過程中，可以回收能量給蓄電池充電。在開始階段，電池荷電狀態(tài)SOC值下降較快，這是由于電池放電極化現(xiàn)象引起的。在SOC到達0.75以后，其值下降趨于平緩，這時電池工作在較平穩(wěn)的區(qū)域。

圖4 電池的荷電狀態(tài)

4 結論

以純電動SUV為研究對象，對動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行合理匹配設計，建立了動力性仿真模型。利用ADVISOR電動汽車仿真軟件，對整車的動力性進行了仿真分析。結果表明，以鋰離子電池為能源的電動汽車的加速性、爬坡能力、最大車速、續(xù)駛里程等動力性能夠滿足設計要求，說明整車匹配方案是合理的，從而進一步驗證了仿真模型的正確性，為電動汽車的設計、性能預測和分析提供了一種方法和手段。

[1] 鐘磊,高松,張令勇. 純電動轎車動力傳動裝置參數(shù)匹配與動力性仿真[J]. 山東理工大學學報:自然科學版,2010, 24(1): 78~80.

[2] 姬芬竹,高峰,吳志新. 電動汽車傳動系參數(shù)設計及動力性仿真[J]. 北京航空航天大學學報,2006,32(1): 108~111.

[3] 姬芬竹,高峰.電動汽車驅動電機和傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J].華南理工大學學報: 自然科學版, 2006,34（4）：33~37.

[4] 陳志雄,鐘紹華.基于Advisor的純電動汽車動力性能仿真[J].上海汽車,2008.1.

[5] 王玨童. 純電動客車動力傳動系參數(shù)匹配及整車性能研究[D]. 長春：吉林大學,2008.

[6] 劉靈芝,張炳力,湯仁禮.某型純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究[J].合肥工業(yè)大學學報: 自然科學版, 2007,30（5）：591~593.

Parameter Matching and Dynamic Functions Simulation of Electric Vehicle Power System

Liu Chengwu, Lian Jian

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

The dynamic power system structure model and the control strategy of an electric vehicle were established in accordance with power design requirements. The parameter matching of the motor, transmission and battery was conducted. Simulation analysis of the matching was made via the software Advisor. The results indicate that the design method of the power system is valid.

pure electric vehicle; power performance; parameter matching; ADVISOR

福建省自然科學基金項目（2009J01228），福建省科技平臺建設項目（2008J1002）。