秦東晨，謝銀倩，潘守辰，陳江義，劉竹麗

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

傳統(tǒng)的燃油汽車加劇了大氣污染和能源危機(jī)，電動汽車作為新能源汽車的代表，具有能源多樣性、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，被公認(rèn)為21世紀(jì)汽車工業(yè)改造和發(fā)展的主要方向.電動汽車動力傳動系統(tǒng)是制約純電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，也是目前電動汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一.筆者選用鋰離子電池組，在動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，仿真分析了整車的動力性能和續(xù)駛里程，并對相關(guān)的影響因素做了進(jìn)一步的仿真分析.

1 動力傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

電動汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配主要是通過計(jì)算，選擇合適的電動機(jī)參數(shù)、傳動比和動力電池組容量，以滿足電動汽車對整車動力性能和續(xù)駛里程的要求.

1.1 動力設(shè)計(jì)要求

某純電動汽車的動力設(shè)計(jì)要求如表1所示.

1.2 驅(qū)動電機(jī)參數(shù)選擇

電動機(jī)的功率直接影響整車的動力性能.電動機(jī)的功率越大，車輛的后背功率也越大，加速性和爬坡性越好，同時(shí)電動機(jī)的體積和質(zhì)量也會增加，從而影響電動汽車的續(xù)駛里程［1］.筆者選用交流感應(yīng)電動機(jī)，同時(shí)根據(jù)最高車速vmax確定電機(jī)的最大功率Pmax1［2］;根據(jù)整車以 vi行駛的最大爬坡度確定Pmax2;根據(jù)加速性能確定Pmax3.動力源總功率Pmax必須要滿足上述三項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求，即

驅(qū)動電機(jī)的額定功率可由峰值功率求得:

式中:λ為電機(jī)過載系數(shù).

表1 整車動力性能指標(biāo)Tab.1 Vehicle dynamic performance indexes

1.3 傳動系參數(shù)選擇

采用固定速比變速傳動，可以有效減少機(jī)械傳動裝置的重量和體積，并使整車結(jié)構(gòu)變得較為簡單、可靠.這樣，設(shè)計(jì)時(shí)就要求電動機(jī)既能在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩(額定值的3～5倍)，又能在恒功率區(qū)提供較高的運(yùn)行速度(基速的 3 ～5 倍)［3］.

(1)最大傳動比的選擇［4］

傳動系最大傳動比imax是變速器最低檔速比ig1與主減速比i0的乘積，由電動機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩Tmax和車輛最大爬坡度角αmax決定.

式中:r為車輪滾動半徑;f為滾動阻力系數(shù);ηt為傳動系總效率.

(2)最小傳動比的選擇

傳動系最小傳動比imin是變速器最高檔速比igmax與主減速器速比i0的乘積，由電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax和電動汽車的最高車速vmax決定，

1.4 動力電池組參數(shù)選擇

鋰電池［5］具有較高的能量密度，工作電壓高(單體工作電壓為3.7 V或3.2 V)，自放電率低，充電效率高，循環(huán)壽命長，無記憶效應(yīng)，并且綠色環(huán)保，是目前市場前景最好的電池之一.因此，選用了磷酸鐵鋰電池組(單個(gè)電池規(guī)格為3.2 V/80 Ah)，并根據(jù)續(xù)駛里程確定蓄電池?cái)?shù)目.電動汽車一次充電以va勻速行駛路程S所需的功率P1可由下式計(jì)算:

P1再加上原車的用電設(shè)備功率消耗，即為行駛里程S所需的總功率P.所需的電池個(gè)數(shù)n為:

式中:η為電池放電深度;u為單體電池電壓;Cr為單體電池容量.

1.5 匹配結(jié)果

通過理論計(jì)算和工程分析最終獲得動力系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示.

表2 純電動汽車參數(shù)表Tab.2 Pure electric vehicle parameters

2 純電動汽車仿真模型的建立

ADVISTOR是美國國家能源可再生能源實(shí)驗(yàn)室于1994年研制的用于各種車輛的計(jì)算機(jī)仿真程序［6］.純電動汽車的整車仿真模型如圖1所示.基于ADVISOR軟件建立電動汽車整車模型，就是對車輛模型系統(tǒng)中的車輛、電動機(jī)、動車速v/(km·h-1)鋰電池、車輪、主減速器和變速器等模塊進(jìn)行修改和定義［7-9］.由于篇幅限制，這里只給出車輛模塊和動力電池模塊中需要修改和定義的參數(shù).

圖1 電動汽車整車仿真模型Fig.1 Simulation model of the electric vehicle

2.1 車輛模塊

車輛模塊中需要定義的參數(shù)有:veh_CD=0.3;%定義空氣阻力系數(shù);

veh_FA=2.4;%定義迎風(fēng)面積，m2;

veh_cg_height=0.55;%定義質(zhì)心高，m;

veh_front_wt_frac=0.55;%定義整車靜止前軸承載系數(shù);

SOC值veh_cargo_mass=300;%定義最大裝載質(zhì)量，kg.

2.2 動力電池模塊

蓄電池模塊中需要定義的參數(shù)有:

ess_max_ah_cap=［68 70 74］;%定義電池容量隨SOC值溫度的變化;

電動機(jī)功率/kWess_min_volts=2.5;%定義電池的最小電壓，V;

ess_max_volts=3.6;%定義電池的最大電壓，V;ess_module_num=110;%定義電池?cái)?shù)量;

ess_module_mass=2.25;%，kg，定義電池的質(zhì)量，kg.

3 仿真分析結(jié)果

3.1 動力性能

典型循環(huán)工況ECE—EUDC下，該車的動力性能仿真結(jié)果如表3所示.從表中可以看出，該車的動力性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，而且加速性能良好.

表3 ECE—EUDC工況下動力性能仿真結(jié)果Tab.3 The simulation results of the dynamic performance by the ECE-EUDC conditions

圖2為該仿真過程中，車速、荷電狀態(tài)、電動機(jī)功率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線.其中，車速曲線最后稍有不吻合，這是由于該工況下的最高車速為120 km/h，略高于該車的最大車速.

3.2 續(xù)駛里程和燃油經(jīng)濟(jì)性

150 kg負(fù)載、40 km/h勻速工況下，最大續(xù)駛里程為165.7 km，滿足設(shè)計(jì)要求.圖3為該仿真過程中電動汽車的能源消耗圖，從中可以看到動力電池、電動機(jī)和變速器等部件的能源轉(zhuǎn)換過程和利用效率，由于仿真工況是勻速工況，所以再生回饋模式?jīng)]有能量轉(zhuǎn)換過程，純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的總體效率為0.378.

該車的燃油經(jīng)濟(jì)性如表4所示.由于ECE—EUDC工況下需要頻繁啟動、加速和減速，所以車輛油耗要大于勻速循環(huán)工況下的車輛油耗.總體來看，該車的燃油經(jīng)濟(jì)性較為合理.

表4 車輛燃油經(jīng)濟(jì)性Tab.4 Fuel economy of the vehicle

4 整車靈敏度分析及參數(shù)研究

4.1 整車靈敏度分析

為進(jìn)一步了解整車性能，筆者通過直接修改ADVISOR仿真界面中的參數(shù)值，對不同負(fù)載、不同工況和不同車速進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明:該車的動力性能良好;30～80 km/h勻速運(yùn)行駛時(shí)整車效率較高，續(xù)駛里程較遠(yuǎn).表5所示為不同負(fù)載下的動力性能仿真結(jié)果.

表5 整車質(zhì)量對動力性能的影響Tab.5 The impact of the vehicle loads on dynamic performances

4.2 參數(shù)研究

影響整車性能的因素主要有整車質(zhì)量、滾動阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)、車輪半徑、電動機(jī)和動力電池的固有特性等.其中整車質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)及滾動阻力系數(shù)這3個(gè)參數(shù)對加速性能相互影響的參數(shù)仿真分析結(jié)果如圖4所示.

圖4 3個(gè)參數(shù)對加速性能相互影響的仿真分析圖Fig.4 Simulation analysis chart of three parameters on the acceleration performance influence each other

在ADVISOR仿真界面中改變上述參數(shù)值，仿真分析這些參數(shù)對整車性能的影響，得出結(jié)論.

(1)滾動阻力系數(shù)和空氣阻力系數(shù)對續(xù)駛里程的影響較大(尤其是滾動阻力系數(shù)).

(2)車輪半徑對動力性能影響較大，對續(xù)駛里程也有一定影響.

(3)電池的容量越大，續(xù)駛里程越遠(yuǎn);最低電壓越低，加速和爬坡性越好，最高電壓越高，續(xù)駛里程越遠(yuǎn).

(4)電動機(jī)功率增大，動力性能會提高，但同時(shí)續(xù)駛里程會減小，電動機(jī)功率對動力性能和續(xù)駛里程的影響較小，其類型對二者的影響則較大.

4.3 提高整車性能的措施

為增加電動汽車的續(xù)駛里程，可以在城市工況中以中高速行駛，同時(shí)降低輪胎滾阻系數(shù)和風(fēng)阻系數(shù)，提高動力電池容量;為提高動力性能和爬坡度，應(yīng)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)能囕啺霃?，選用合適類型的電動機(jī)和電壓特性較好的動力電池.

5 結(jié)論

通過運(yùn)用ADVISOR軟件對該車的動力性能、續(xù)駛里程和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該車的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配較為合理.同時(shí)，通過參數(shù)研究得出:除了電池和電動機(jī)這2個(gè)關(guān)鍵部位外，滾阻系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)和車輪半徑等參數(shù)對電動汽車的整車性能也有一定影響.這為純電動汽車的設(shè)計(jì)提供了一定的理論參考.

［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(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，24(1):78-79.

［2］王慶年，何洪文，李幼德，等.并聯(lián)混合動力汽車傳動系參數(shù)匹配［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000，30(1):72-75.

［3］陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002:91-92.

［4］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］.吉林:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2008:20-21.

［5］李相哲，蘇芳，林道勇.電動汽車動力電源系統(tǒng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011:53-64.

［6］張翔，錢立軍，張炳力，等.電動汽車仿真軟件進(jìn)展［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004，16(8):1621-1623.

［7］SUPPES G J.Roles of plug-in hybrid electric vehicles in the transition to the hydrogen economy［J］.International Journal of Hydrogen Energy.2006(31):353-360.

［8］鄭慧琴.純電動汽車動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，2009:41-51.

［9］秦緒鑫.基于ADVISOR的復(fù)合電源電動汽車仿真軟件的開發(fā)［D］.長安:長安大學(xué)汽車學(xué)院，2010:18-23.