馮志遠(yuǎn)，陶元芳

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原030024)

隨著環(huán)境污染、能源危機(jī)的不斷加劇，傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車暴露出了兩大缺點(diǎn):一是其動(dòng)力源石油不可再生;二是尾氣排放污染環(huán)境。因此環(huán)境污染小、能源利用率高的純電動(dòng)汽車開始不斷的走進(jìn)人們的生活［1］。從2014年起，我國(guó)的純電動(dòng)汽車市場(chǎng)迎來了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，政府部門出臺(tái)多項(xiàng)優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)推廣，同時(shí)號(hào)召高校、車企加大關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)力度。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車最重要的部分，其各項(xiàng)參數(shù)的合理匹配直接決定了整車性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的選型方法多是按照經(jīng)驗(yàn)值選取，然后進(jìn)行手工計(jì)算試湊，這種方法對(duì)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)要求高，且來回試湊效率低下。因此本文在分析了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力匹配方法的基礎(chǔ)上，提出了計(jì)算機(jī)輔助選型設(shè)計(jì)的方案，減輕了設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，降低了設(shè)計(jì)門檻，有利于純電動(dòng)汽車的研發(fā)、推廣。

1 選型匹配方法

1.1 電動(dòng)機(jī)的選型

電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有額定電壓、額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、最大扭矩［2］。

電動(dòng)機(jī)額定電壓的電壓等級(jí)要盡量高，以降低能量損耗，提升效率［3］。額定功率須滿足最高車速、最大爬坡度要求，峰值功率滿足加速性能要求。如果功率選擇過小會(huì)使電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過載，過大則無法保證功率的充分應(yīng)用，效率降低。通過式(1)可以計(jì)算出滿足最大爬坡度所需的電動(dòng)機(jī)功率P1，式(2)可以計(jì)算出滿足最高車速所需的電動(dòng)機(jī)功率P2，式(3)可以計(jì)算出滿足加速性能所需的電動(dòng)機(jī)功率P3［4］。最終所選電動(dòng)機(jī)的額定功率Pe應(yīng)大于P1和P2，峰值功率Pmax應(yīng)大于P3.

式中:va為爬坡車速(km/h);f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為風(fēng)阻系數(shù);m為整車整備質(zhì)量(kg);A為迎風(fēng)面積(m2);vmax為最高車速(km/h);αmax為最大爬坡度(%);δ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù) 取1.1;t為加速時(shí)間(s);vt為加速后末速度(km/h);η1為電動(dòng)機(jī)效率，取0.85;η2為傳動(dòng)系統(tǒng)效率，取0.8.

當(dāng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)適用型電動(dòng)汽車時(shí)，可不必按式(3)計(jì)算峰值功率。因?yàn)槔m(xù)駛里程長(zhǎng)、成本低是其最終設(shè)計(jì)目的，如果追求較高的加速性能必然要增加峰值功率，這樣會(huì)使得電機(jī)成本升高，運(yùn)行效率降低。在實(shí)際確定功率參數(shù)時(shí)，可不考慮加速性能要求，只考慮最高車速和最大爬坡度要求。

在市區(qū)行駛時(shí)，最高車速可設(shè)置為60～80 km/h，以最高車速行駛時(shí)，要求電機(jī)處于連續(xù)工作特性狀態(tài)，即電機(jī)輸出額定功率。且由于市區(qū)路況良好，汽車處于爬坡的工況比較少，所以可不必使電機(jī)額定功率也滿足最大爬坡度要求，峰值功率(電機(jī)的短時(shí)工作特性)滿足最大爬坡度要求即可。從圖1可以看出，經(jīng)過計(jì)算得出的最大爬坡度所需功率P1與最高車速所需功率P2有以下兩種關(guān)系:(1)P1＞P2，此時(shí)將P2作為電機(jī)的額定功率，P1作為峰值功率，電機(jī)以短時(shí)工作特性滿足最大爬坡度要求。(2)P1＜P2，此時(shí)將P2作為電機(jī)的額定功率，由于電機(jī)在連續(xù)工作特性時(shí)即能滿足最大爬坡度要求，所以不對(duì)峰值功率進(jìn)行要求。

圖1 最高車速和最大爬坡度所要求的功率曲線圖Fig.1 The required power curve of maximum speed and maximum climbing degree

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的選取與傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比的選取相互聯(lián)系，只有預(yù)先設(shè)置好轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩參數(shù)或傳動(dòng)比參數(shù)，才能進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)。因此，根據(jù)計(jì)算出的電機(jī)功率，并結(jié)合現(xiàn)有的電機(jī)產(chǎn)品，初步預(yù)先確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，以進(jìn)行傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比的選取。傳動(dòng)比確定之后，再進(jìn)行電機(jī)參數(shù)的微調(diào)。

1.2 傳動(dòng)裝置的選型

傳動(dòng)裝置的主要參數(shù)有主減速器傳動(dòng)比和變速器傳動(dòng)比。變速器可采用多檔傳動(dòng)或單檔傳動(dòng)。當(dāng)采用單檔傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)裝置體積小，質(zhì)量輕，但是對(duì)電機(jī)的性能要求比較高。采用多檔傳動(dòng)時(shí)，對(duì)于電機(jī)的性能要求相對(duì)較低，但是傳動(dòng)裝置的體積和質(zhì)量都會(huì)增大，還需要離合器配合換擋，操作不便。因此，目前大部分的電動(dòng)汽車上都采用了單檔傳動(dòng)裝置。

采用單檔傳動(dòng)可利用電動(dòng)機(jī)不同于內(nèi)燃機(jī)的工作特性優(yōu)勢(shì)。圖2為電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性曲線圖。從圖中可以看出，電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)輸扭矩不變，在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)輸出功率不變［5］。圖3描述了配置有四檔傳動(dòng)裝置的內(nèi)燃機(jī)車輛的驅(qū)動(dòng)力以及配置有單檔傳動(dòng)裝置的電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力關(guān)系［6］。顯然，電動(dòng)機(jī)可以采用單檔傳動(dòng)代替多檔傳動(dòng)，滿足整車性能要求。根據(jù)預(yù)先確定的電動(dòng)機(jī)參數(shù)與最高車速和最大爬坡度要求可進(jìn)行單檔傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比的選取［7］。

圖2 電動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線Fig.2 The characteristic curve of motor speed regulation

圖3 配置四檔傳動(dòng)裝置的內(nèi)燃機(jī)車輛以及配置單檔傳動(dòng)裝置的電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力關(guān)系圖Fig.3 The driving force relationship of gasoline engine with 4-speed gearshift and EV with 1-speed gearshift

根據(jù)最高車速可計(jì)算出所需傳動(dòng)裝置的最小傳動(dòng)比［8］:

式中:nmax為最高轉(zhuǎn)速;imin為最小傳動(dòng)比。

根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩可計(jì)算出所需傳動(dòng)裝置的最大傳動(dòng)比:

式中:Tmax為最大扭矩;imax為最大傳動(dòng)比。

通過計(jì)算得出的最大傳動(dòng)比和最小傳動(dòng)比可能有兩種結(jié)果:1)imax≥imin，當(dāng)最大傳動(dòng)比大于最小傳動(dòng)比時(shí)，采用單檔傳動(dòng)不能夠同時(shí)滿足最高車速和最大爬坡度要求。此時(shí)需要增大電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩或者最高轉(zhuǎn)速，使得最大傳動(dòng)比小于最小傳動(dòng)比。2)imax≤imin，當(dāng)最大傳動(dòng)比小于最小傳動(dòng)比時(shí)，單檔傳動(dòng)的傳動(dòng)比在兩者之間選取即可，可同時(shí)滿足最大爬坡度和最高車速的要求。

當(dāng)單檔傳動(dòng)比、最大轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩確定之后，可根據(jù)常規(guī)車速修正電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。由電機(jī)的效率特性曲線可知，電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，效率最高。因此，電動(dòng)汽車以常規(guī)車速行駛時(shí)，要求電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速工作，以保證行駛的經(jīng)濟(jì)性。

式中:n0為額定轉(zhuǎn)速，(r/min);v0為常規(guī)車速，(km/h);i為單檔傳動(dòng)傳動(dòng)比。

傳動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選取是個(gè)反復(fù)驗(yàn)證的過程，且符合同一整車性能要求的參數(shù)可有多種組合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選取最合理的一組參數(shù)。在軟件中，通過初步選型可得到一組參數(shù)，用戶在更改任何一個(gè)參數(shù)后，可進(jìn)行其它參數(shù)的自動(dòng)匹配，得到符合性能要求的另外幾組參數(shù)。

1.3 動(dòng)力電池的選型

現(xiàn)階段，動(dòng)力電池是限制純電動(dòng)汽車發(fā)展的最主要因素。市場(chǎng)上采用的單體電池主要有鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池和三元鋰電池。

要求電池組的終止放電電壓V1略大于電動(dòng)機(jī)額定電壓V2.電池組的能量要根據(jù)勻速續(xù)駛里程所需的能量來確定［9］，即:

式中:E為所需電池組能量(kwh);P為電動(dòng)機(jī)在勻速行駛時(shí)輸出的功率(kw);t為汽車行駛的時(shí)間(s);v為勻速行駛車速(km/h);S為續(xù)駛里程(km);F為勻速行駛時(shí)的道路阻力(N);ηDOD為電池的放電深度(%).

電池組一般采用先并聯(lián)成模組，再串聯(lián)成電池組的形式，可靠性較高［9］。根據(jù)現(xiàn)有電池產(chǎn)品，選取合適的單體電池。設(shè)單體電池額定電壓為v0，終止充電電壓為v1，額定容量c0，根據(jù)計(jì)算，可得出串聯(lián)電池模組的個(gè)數(shù):

則電池組的額定電壓V0為:

電池組額定電壓和能量確定之后，便可計(jì)算出額定容量，即:

由于電動(dòng)汽車電池質(zhì)量要占到整車質(zhì)量的20%或更高，電池質(zhì)量的增加對(duì)與整車質(zhì)量的增加有很大的影響。所以不能夠盲目的為了增加續(xù)駛里程，而增加電池質(zhì)量。由圖4可知，隨著電池重量的增加，續(xù)駛里程增加呈減緩趨勢(shì)，所以當(dāng)續(xù)駛里程超過一定值后，以電池質(zhì)量的增加換取續(xù)駛里程的增加是不可取的。

式中:C0—電池組額定容量，(Ah).

根據(jù)電池組額定容量和單體電池的額定容量，可計(jì)算并聯(lián)單體電池的個(gè)數(shù)，即:

圖4 電池組重量對(duì)續(xù)駛里程的影響Fig.4 The impact of battery weight on the driving range

2 軟件的開發(fā)

2.1 軟件的特點(diǎn)

軟件以Visual C++6.0為開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蠛涂梢暬姆椒ㄟM(jìn)行開發(fā)，具有人性化和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)［10］。圖5為軟件的程序流程圖。

軟件共分為五大模塊，分別是整車參數(shù)模塊、整車性能模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、傳動(dòng)裝置模塊、動(dòng)力電池模塊。各模塊的數(shù)學(xué)模型通過結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)、電力拖動(dòng)學(xué)和電池學(xué)搭建而成。從動(dòng)力匹配分析結(jié)果可以得出，電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和動(dòng)力電池各模塊之間是相互作用的，所以在只給定整車參數(shù)和整車性能的條件下不能計(jì)算出它們所有的參數(shù)值。因此本軟件在設(shè)計(jì)之初人為的設(shè)定了一些參數(shù)值以保證選型設(shè)計(jì)過程的正常運(yùn)行。用戶可以在后期的調(diào)整中對(duì)這些參數(shù)值進(jìn)行修改。在整車參數(shù)模塊中給出了7種車型的整車參數(shù)，為用戶輸入提供了參考依據(jù)。在傳動(dòng)裝置模塊中，當(dāng)用戶采用固定級(jí)數(shù)變速器時(shí)，由于只有一個(gè)檔位，想要達(dá)到較高的最高車速必然要以損失最大爬坡度為代價(jià)。所以該模塊提供了一個(gè)分析工具，可以顯示在不同傳動(dòng)比條件下所能達(dá)到的最高車速和最大爬坡度曲線，用戶可以根據(jù)曲線調(diào)整整車性能要求。

圖6 為軟件的選型主界面，其提供了一些輔助功能:1)參數(shù)匹配流程圖展示。2)整車參數(shù)和整車性能修改功能，修改之后可以一鍵自動(dòng)選型。3)廠家電動(dòng)機(jī)、電池選取功能，方便用戶快速熟悉現(xiàn)有產(chǎn)品的參數(shù)，為現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品匹配合適的傳動(dòng)比。廠家產(chǎn)品的數(shù)據(jù)記錄在EXCEL文件中，用戶可以在EXCEL中從宏觀的角度分析各廠家產(chǎn)品的差別。4)實(shí)時(shí)變化可調(diào)節(jié)的功率平衡圖和行駛阻力平衡圖，方便用戶查看在不同工況下負(fù)載與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作曲線的關(guān)系。5)可視化動(dòng)力電池匹配。6)仿真結(jié)果輸出，可與整車性能要求做出比較，然后進(jìn)行手動(dòng)的微調(diào)。7)可以自動(dòng)匹配電動(dòng)機(jī)或變速器，當(dāng)用戶微調(diào)了電動(dòng)機(jī)參數(shù)后可以點(diǎn)擊“匹配變速箱”按鈕，軟件就會(huì)以整車性能為目標(biāo)自動(dòng)匹配變速器。同理，修改了變速器參數(shù)后，可以點(diǎn)擊“匹配電動(dòng)機(jī)”按鈕，軟件自動(dòng)會(huì)匹配電動(dòng)機(jī)。8)方案選定之后可自動(dòng)輸出TXT文本格式的設(shè)計(jì)說明書。

2.2 軟件的使用方法

軟件采用對(duì)話框界面，人機(jī)對(duì)話簡(jiǎn)單、有效。軟件的主要操作步驟有1)按步驟輸入整車參數(shù)、整車性能要求。2)點(diǎn)擊自動(dòng)選型，得到一個(gè)初始選型方案。3)在可視化調(diào)整界面即選型主界面，根據(jù)實(shí)時(shí)的性能輸出結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的方案優(yōu)化調(diào)整。4)得到最終方案后輸出設(shè)計(jì)說明書。

3 實(shí)例應(yīng)用

本實(shí)例以純電動(dòng)汽車比亞迪e6整車和性能參數(shù)為輸入，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的選型。表1為e6的整車參數(shù)，表2為e6的整車性能。

圖6 選型主界面Fig.6 The main interface of selection

表2 比亞迪e6整車性能Tab.2 The performance parameters of BYD e6

選用永磁無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。將表1和表2中的整車參數(shù)分別代入式(1)、(2)和(3)，經(jīng)計(jì)算可得 P1=68.42 kW，P2=24.72 kW，P3=94.92 kW.依據(jù)功率選取方法，選取電動(dòng)機(jī)額定功率為69 kW，峰值功率為95 kW，參考滿足功率要求的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，初步確定電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為363 Nm.

傳動(dòng)裝置采用單檔傳動(dòng)。將相關(guān)參數(shù)代入式(4)和(5)計(jì)算得最大和最小傳動(dòng)比為:imin≤7.79，imax≥8.87.可以看出 imin＜ imax，因此必須增大電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速或最大轉(zhuǎn)矩，使imin＞imax，傳動(dòng)比可在最小和最大傳動(dòng)比之間選取。

如果單檔傳動(dòng)比i≥8.87，則必須增大最高轉(zhuǎn)速以滿足最高車速要求，所以電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)調(diào)整為:

如果單檔傳動(dòng)比i≤7.79，則則必須最大扭矩以滿足最大爬坡度要求，所以電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)調(diào)整為:

實(shí)例中選取單檔傳動(dòng)比為6.417，則電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩需調(diào)整為500 Nm，額定轉(zhuǎn)速調(diào)整為2 350 r/min，峰值功率調(diào)整為131 kW.

綜上，電機(jī)的額定功率為70 kW，峰值功率為131 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 350 r/min，最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩500 Nm，額定電壓為220 V，傳動(dòng)比為 6.417.

選用磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池。磷酸鐵鋰單體電池各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。

由表2可知，要求該電動(dòng)汽車以60 km/h的速度能夠行駛400 km.根據(jù)式(7)可計(jì)算出續(xù)駛里程所需電池組的能量E為62.03 kWh.根據(jù)式(8)～(11)可計(jì)算出串聯(lián)電池模塊個(gè)數(shù)N1=100，并聯(lián)單體電池個(gè)數(shù)N2=20，電池組額定電壓V3=320 V，電池組的額定容量C0=194 Ah.

表3 單體電池參數(shù)Tab.3 The parameters of battery

本實(shí)例通過軟件的操作同樣能夠?qū)崿F(xiàn)上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的參數(shù)選取。表4為比亞迪e6先行者的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)，可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)車參數(shù)大致相符，說明了設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)軟件的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

根據(jù)純電動(dòng)汽車整車性能要求，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和動(dòng)力電池的選型設(shè)計(jì)，基于此設(shè)計(jì)方法，在Visual C++6.0平臺(tái)上開發(fā)了純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助選型軟件。通過以比亞迪e6為實(shí)例進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法和軟件的準(zhǔn)確性，同時(shí)也說明了以專業(yè)理論為基礎(chǔ)，自行開發(fā)專業(yè)設(shè)計(jì)軟件是完全可行的。

表4 比亞迪e6先行者驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)Tab.4 The parameters of BYD e6 driving system

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