周振響，張琦

引言

電動汽車因其零排放、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、操作性好等優(yōu)勢成為解決上述問題的首選車型。目前，電動汽車技術(shù)還不太成熟，其主要問題是動力電池組成本高和續(xù)駛里程不理想，對驅(qū)動系統(tǒng)的合理設(shè)計以求各部件參數(shù)達到最佳匹配，是提高電動汽車動力性和增加續(xù)駛里程的有效手段[1]。本文是建立在傳統(tǒng)汽車驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)進行了設(shè)計方法與仿真。

1、驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)布置

采用不同的電驅(qū)動系統(tǒng)形式總體上可分為兩種：集中驅(qū)動和車輪獨立驅(qū)動。本文研究的電動汽車電驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式是集中驅(qū)動，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

其驅(qū)動模式與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動系統(tǒng)的布置一致，帶有變速器和離合器，只是將發(fā)動機換成電動機，這種布置可以提高電動汽車的起動轉(zhuǎn)矩，增加低速時電動汽車的后備功率。

2、驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)由蓄電池組、功率轉(zhuǎn)換器、電動機、離合器、變速器、主減速器、差速器和驅(qū)動輪等主要部件組成。集中驅(qū)動是利用一個動力源通過變速器和減速器減速增扭，最后經(jīng)差速器將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大致平均地分配給左右驅(qū)動半軸到達驅(qū)動輪，其驅(qū)動形式采用前輪驅(qū)動。驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)由電動汽車動力性能指標決定[3][4]。

2.1 驅(qū)動電機參數(shù)確定

電動汽車的功率全部由電機來提供，所以電機功率的選擇須滿足汽車最高車速、加速時間和最大爬坡度等動力要求[5]。

2.1.1 滿足汽車最高車速時驅(qū)動電機的功率

車輛在水平良好路面上，以最高車速勻速行駛，坡度阻力和加速阻力為零，驅(qū)動電機輸出功率應(yīng)至少為：

式中：P1為最高車速時驅(qū)動電機功率，kW；Tη為傳動系統(tǒng)效率；m為車輛滿載質(zhì)量，kg；f為滾動阻力系數(shù)；maxu為最高行駛車速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風面積，m2；g為重力加速度，9.8N/kg。

2.1.2 滿足汽車爬坡性能時驅(qū)動電機的功率

電動汽車以某一車速爬上一定坡度時，驅(qū)動電機輸出功率應(yīng)至少為：

式中：P2為滿足爬坡性能時驅(qū)動電機功率，kW；α為爬坡角度， α = a rctani ，i為道路坡度； ua為爬坡時最低車速，km/h。

2.1.3 滿足汽車加速性能時驅(qū)動電機的功率

電動汽車加速過程中，所需的最大功率為加速至目標車速下的功率，忽略坡道阻力，驅(qū)動電機輸出功率應(yīng)至少為：

式中：P3為滿足加速性能時驅(qū)動電機功率，kW； um為加速后期車速，km/h；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為加速后期加速度，m/s2。

電動汽車的驅(qū)動電機最大功率應(yīng)該同時滿足車輛在最高車速、最大爬坡度和最大加速度時所需的功率，所以驅(qū)動電機的最大功率為：

驅(qū)動電機的額定功率為：

式中：Pe為驅(qū)動電機的額定功率，kW；λ為驅(qū)動電機的過載系數(shù)，一般取2～3。

2.1.4 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的確定

式中：ne為驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速，r/min；maxn 為驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)速，r/min；β為驅(qū)動電機的擴大恒功率區(qū)系數(shù)，一般取2～4。

2.1.5 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩的確定

式中：Te為驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩，N·m。驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)矩為：

2.2 傳動系傳動比參數(shù)確定

在驅(qū)動電機輸出特性一定時，電動汽車傳動比的選擇依賴于整車的動力性能指標，即應(yīng)該滿足汽車最高車速、最大爬坡度以及對加速時間的要求[6]。

2.2.1 最小傳動比的確定

根據(jù)驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定最小傳動比[7]。若變速器的最高擋為直接擋時，即此擋的傳動比為 1，則最小傳動比即為主減速器的傳動比，有：

式中：0i為主減速器傳動比；minti 為傳動系最小傳動比；r為車輪滾動半徑，m。

2.2.2 最大傳動比的確定

電動汽車最大傳動比的確定，要考慮以下兩個方面的問題：最大爬坡度和附著率。電動汽車在滿足最大爬坡度的條件下，車輛的最大傳動比為：

式中：1gi為變速器I擋傳動比；maxti 為傳動系最大傳動比；maxα為車輛I擋時的最大爬坡角度；maxuα為車輛最大爬坡度時的速度，km/h。

電動汽車傳動系傳動比應(yīng)滿足： itmin≤i≤itmax。

3、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

某款電動汽車驅(qū)動模式與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動系統(tǒng)的布置一致，采用前輪前驅(qū)形式，其基本參數(shù)及動力性能需求如表 1所示。

表1 電動汽車基本參數(shù)和動力性能要求

3.1 驅(qū)動電機參數(shù)的選擇

驅(qū)動電機類型選取交流感應(yīng)電動機。

由公式（1）～（4）計算得到驅(qū)動電機的最大功率為82.6kW；取λ=3由公式（5）得額定功率為27.5kW。由公式（6）得驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)速為 6000r/min，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。由公式（7）（8）得驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩為219.2 N·m，額定轉(zhuǎn)矩為87.7 N·m。

3.2 傳動系傳動比的選擇

本文設(shè)計的變速器為3擋，各擋以等比級數(shù)分配，且3擋為直接擋即 ig3=1，由公式（9）得主減速器傳動比i0= 5 .7；由公式（10）得1、2、3擋傳動比分別為 ig1=2.9， ig2=1.7，ig3=1。

4、仿真分析

利用ADVISOR軟件對混合動力汽車動力性能進行仿真分析。ADVISOR軟件能夠依據(jù)汽車動力系統(tǒng)的性能要求對一定行駛循環(huán)工況下汽車的動力性能、經(jīng)濟性能和排放性能進行估算。

在UDDS工況下仿真結(jié)果如圖2至圖5所示。汽車的最高車速為 133km/h，最大爬坡度為 32%。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在UDDC道路工況下不斷的發(fā)生變化，汽車在加速運動時，電機能夠提供額外轉(zhuǎn)矩，而在減速情況下電機開始發(fā)電，有效的回收能量為蓄電池充電。從圖中得出，SOC呈動態(tài)變化，但波動很小，實現(xiàn)了充放電的平衡，滿足了設(shè)計的要求。

5、結(jié)論

驅(qū)動系統(tǒng)是汽車的核心組成部分，而對電動汽車更為重要，驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)匹配將影響到電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程等指標。通過對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的研究，對驅(qū)動系統(tǒng)各主要部件的具體計算方法和基本參數(shù)的選擇進行了說明，為實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)各部件的參數(shù)達到最佳匹配提供了理論基礎(chǔ)。通過仿真軟件驗證了所設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)的主要參數(shù)，滿足了動力性能和經(jīng)濟性的要求。

[1] 張珍,陳丁躍,劉棟.電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計及匹配[J].上海汽車,2010.

[2] 黃菊花，徐仕華，劉淑琴等.電動汽車動力參數(shù)匹配及性能仿真[J].南昌大學學報：工科版，2011，33(4)：391-394

[3] 余志生.汽車理論[M](第五版).北京：機械工業(yè)出版社,2009.

[4] 趙立軍,佟欽智.電動汽車結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：北京大學出版社,2012.

[5] 張羅曦.電動車用集成式驅(qū)動系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學,2010：1-19.

[6] 吳敏.電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及性能仿真研究[J].制造業(yè)自動化,2012，34(5)：127-141.

[7] 高樹健，陳丁躍.電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及性能仿真[J].吉首大學學報（自然科學報）,2012，33(4)：79-82.