高樹健，陳丁躍

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

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能仿真

高樹健，陳丁躍

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

以某款普及型轎車為改裝對(duì)象，對(duì)純電動(dòng)汽車系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì).根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)其動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，并對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置合理選型.利用電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR建立了該電動(dòng)汽車模型，最后進(jìn)行了動(dòng)力性能仿真.仿真結(jié)果表明：設(shè)定動(dòng)力參數(shù)合理，電動(dòng)汽車能良好運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期期望.

純電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；動(dòng)力參數(shù)；性能仿真

隨著環(huán)境污染的加劇和資源的日益短缺，純電動(dòng)汽車（EV）成為當(dāng)前研制取代內(nèi)燃機(jī)汽車的首選車型，前景廣闊.我國(guó)的純電動(dòng)汽車大都建立在改裝車基礎(chǔ)上，目前電動(dòng)汽車存在的主要問題是動(dòng)力電池成本高和續(xù)駛里程不理想.對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，是提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和增加續(xù)駛里程的有效手段.

電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator，簡(jiǎn)稱ADVISOR）在電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)中具有重要作用，在提高汽車性能的同時(shí)還可以縮短設(shè)計(jì)周期，降低開發(fā)成本.本文通過理論方法設(shè)計(jì)了某電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并利用ADVISOR對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了提高電動(dòng)汽車動(dòng)力性能和續(xù)駛里程的目標(biāo).

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)形式

不同的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)形式的EV.本文所設(shè)計(jì)EV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.［1］

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池組、電動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、主減速器、差速器和驅(qū)動(dòng)輪等部件組成，這些組成部件的參數(shù)選擇將直接影響電動(dòng)汽車的整車動(dòng)力性能和續(xù)駛里程.

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

以某款普及型轎車為原型對(duì)其進(jìn)行改裝，根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)出電動(dòng)汽車，其部分技術(shù)參數(shù)目標(biāo)見表1.［2－3］2.1電動(dòng)機(jī)功率選擇

表1 電動(dòng)汽車部分技術(shù)參數(shù)期望值

電動(dòng)機(jī)功率的選擇依據(jù)是汽車對(duì)最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度的要求.

首先，電動(dòng)機(jī)應(yīng)為電動(dòng)汽車提供恒定的保證汽車最高速行駛一段時(shí)間的功率，因此可以根據(jù)電動(dòng)汽車最高車速確定電機(jī)額定功率：

其中：vmax為電動(dòng)汽車最高車速，單位為km／h；m為汽車最大總質(zhì)量，單位為kg；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，單位為m2.

其次，電動(dòng)機(jī)還需具備一定的過載能力以滿足電動(dòng)汽車對(duì)加速性能的要求，試驗(yàn)所選電機(jī)初定為交流感應(yīng)電機(jī)，設(shè)其輸出功率峰值為PP，過載系數(shù)為λ，那么它的額定功率

第三，電動(dòng)汽車應(yīng)具備持續(xù)爬坡能力，根據(jù)最大爬坡度確定電機(jī)額定輸出功率

其中vi為電動(dòng)汽車爬坡速度，單位為km／h.要使電動(dòng)汽車能正常行駛，電機(jī)額定功率Per必須同時(shí)滿足以上3個(gè)條件，又考慮到機(jī)械傳遞效率η，則

此外，電機(jī)轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T也均應(yīng)滿足電動(dòng)汽車各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo).考慮到電機(jī)效率與汽車行駛環(huán)境等的影響，電機(jī)參數(shù)的選擇值應(yīng)適當(dāng)大于理論計(jì)算值［4］.

2.2 傳動(dòng)系傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定最大傳動(dòng)比

其中R為車輪滾動(dòng)半徑，Ne，max為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速.由電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)最大輸出扭矩和最大行駛車速對(duì)應(yīng)行駛阻力確定傳動(dòng)比的最小值為

其中Tv，max為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大輸出扭矩，單位為N·m.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系傳動(dòng)比it介于it，max和it，min之間就能滿足電動(dòng)汽車行駛性能.

2.3 電池組容量設(shè)計(jì)

電池組容量選擇主要考慮電動(dòng)汽車行駛時(shí)的最大功率和行駛一定距離所消耗的能量.在選定蓄電池型號(hào)的條件下，電池組容量取決于蓄電池?cái)?shù)目.因此，根據(jù)電動(dòng)汽車所需最大功率和續(xù)駛里程確定蓄電池?cái)?shù)目n.

電池組攜帶的能量至少需滿足電動(dòng)汽車最大功率消耗，那么它所要求的蓄電池?cái)?shù)目n1應(yīng)滿足如下關(guān)系：

其中：Pb，max為每塊蓄電池的最大功率，單位為k W；Pe，max為電動(dòng)汽車消耗最大功率，單位為k W；ηe為電機(jī)工作效率；ηec為控制器工作效率.另外，電池組攜帶能量對(duì)續(xù)駛里程有直接影響，要使電動(dòng)汽車達(dá)到目標(biāo)續(xù)駛里程，蓄電池?cái)?shù)目n2應(yīng)滿足其中：Cs，Vs分別為每塊蓄電池的容量和電壓；W為單位路程（km）所消耗能量，單位為k W；L為續(xù)駛里程，單位為km.

根據(jù)（7），（8）式所列條件得到n1，n2，則電動(dòng)汽車需要蓄電池?cái)?shù)目即為n≥max｛n1，n2｝.

2.4 驅(qū)動(dòng)參數(shù)確定

為了所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車能夠有可靠的性能，根據(jù)動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)原則，在理論計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加一些裕量［5］.

（1）電動(dòng)機(jī)參數(shù).根據(jù)計(jì)算結(jié)果要求，所選電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：額定功率19 k W，峰值功率47 k W；額定轉(zhuǎn)矩130 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩200 N·m；額定轉(zhuǎn)速4 000 r／min，最高轉(zhuǎn)速8 000 r／min.

（2）傳動(dòng)比設(shè)定.由于原車傳動(dòng)比符合電動(dòng)汽車傳動(dòng)比理論計(jì)算范圍，為了減少對(duì)原車結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，保持原車主減速器傳動(dòng)比i0為3.863；原車4個(gè)前進(jìn)擋對(duì)應(yīng)傳動(dòng)比分別為i1＝2.910，i2＝1.540，i3＝1.000，i4＝0.730.

（3）電池組容量選擇.本設(shè)計(jì)選用Ovonic公司研制的鎳－氫蓄電池，模塊電池額定容量為90 Ah，額定電壓為12 V，額定能量達(dá)1 100 Wh，峰值功率為7.0 k W.經(jīng)計(jì)算，為達(dá)到電動(dòng)汽車最大功率和續(xù)駛里程要求，需要該種蓄電池32塊.

3 性能仿真

在實(shí)車改造之前，為了分析所設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車是否滿足各方面性能要求，基于前述驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行了仿真分析.采用模塊化思想利用ADVISOR建模，建立的電動(dòng)汽車主要部件及整車模型如圖2所示［6］.

圖2 模塊化EV仿真模型

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在ADVISOR提供的原始模型基礎(chǔ)上，純電動(dòng)汽車仿真模塊主要有：整車模型、車輪模型、主減速器和變速器模型、電動(dòng)機(jī)模型、動(dòng)力電池模型以及車輛模型等.針對(duì)所設(shè)計(jì)動(dòng)力參數(shù)及表1所述電動(dòng)汽車期望目標(biāo)，設(shè)置主要仿真參數(shù)如表2.

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真分析

圖3 電動(dòng)汽車UDDS工況下仿真結(jié)果

目前純電動(dòng)汽車主要用于城市代步，因此該純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性仿真環(huán)境選擇CYC＿UDDS（美國(guó)城市工況）作為道路循環(huán)工況.UDDS城市道路的行駛里程是11.99 km，最高車速91.25 km／h，仿真時(shí)間為1 369 s，怠速時(shí)間為259 s，停車次數(shù)為17次.仿真結(jié)果如圖3所示，根據(jù)仿真曲線對(duì)電動(dòng)汽車車速、荷電狀態(tài)、蓄電池電流和電動(dòng)機(jī)功率輸入進(jìn)行分析：車輛的仿真速度與工況要求車速基本一致，最高車速能達(dá)到91.25 km／h；荷電狀態(tài)曲線在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)下降比較平緩，由初始值SOC＝1下降終了值SOC＝0.84，其中上升段為蓄電池進(jìn)行充電階段；蓄電池電流曲線中正值代表蓄電池工作時(shí)的放電電流，負(fù)值表示在能量回收過程中蓄電池的充電電流；電機(jī)功率輸入中也包括正負(fù)值，正值表示電動(dòng)機(jī)提供功率時(shí)的工作功率，負(fù)值表示電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，向蓄電池提供的充電功率.后者對(duì)電動(dòng)汽車節(jié)省能源和增加續(xù)駛里程有非常重要的意義.根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力性要求，設(shè)置電動(dòng)汽車仿真模型的最高車速、加速性和爬坡度仿真參數(shù)，得出整車動(dòng)力性仿真結(jié)果：最高車速109.7 km／h；0～40 km／h加速時(shí)間6.8 s；12～15 km／h時(shí)最大爬坡度23.3%.

通過以上仿真結(jié)果可以看出：設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車動(dòng)力性達(dá)到目標(biāo)期望，并且能在城市道路循環(huán)工況下良好運(yùn)行.

4 結(jié)語

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)配置對(duì)整車動(dòng)力性能及延長(zhǎng)續(xù)駛里程有重要影響.以某款普及型轎車為原型，通過一系列參數(shù)計(jì)算對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改裝，并運(yùn)用ADVISOR對(duì)其建模仿真，仿真結(jié)果顯示該電動(dòng)汽車各項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，并能在UDDS工況下良好運(yùn)行，證明了本文對(duì)設(shè)計(jì)改裝的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)參數(shù)是合理的.

［1］ 張 珍.純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整車性能仿真［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

［2］ 黃菊花，徐仕華，劉淑琴，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配及性能仿真［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)：工科版，2011，33（4）：391－394.

［3］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：74－83.

［4］ MICHAEL H WESTBROOK.The Electric Car［M］.London：The Institution of Electrical Engineers，2001.

［5］ 薛念文，高 非，徐 興，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（4）：304－307.

［6］ 鄭慧勤.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

Power Train Design and Performance Simulation for Pure Electric Vehicle

GAO Shu－jian，CHEN Ding－yue
（School of Automobile，Chang－an University，Xi’an 710064，China）

Based on a popular sedan，a pure electric vehicle was designed.The determination of dynamic parameters and the selection of power devices were according to the design target.The dynamic performance of the vehicle was built and simulated by using the simulation software of ADVISOR.The simulation result demonstrated that the selection of dynamic parameters were feasible.The pure electric vehicle could run with good performance and the design target was achieved.

pure electric vehicle；power train；dynamic parameter；performance simulation

book=79,ebook=162

U469.72

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.04.018

（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

1007－2985（2012）04－0079－04

2012－03－28

高樹?。?988－），男，山東臨沂人，長(zhǎng)安大學(xué)碩士研究生，主要從事汽車新能源研究；陳丁躍（1960－），男，安

徽安慶人，長(zhǎng)安大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事新能源車輛、控制技術(shù)和太陽能汽車等研究.