張強華，李 強，萬 鈞

(1.浙江科技學院機械與能源工程學院，杭州310023;2.浙江德孚力汽車變速箱有限公司，杭州310014)

隨著傳統(tǒng)燃油汽車市場的逐漸飽和及汽車保有量與資源環(huán)境矛盾日益突出，促使眾多發(fā)達國家相繼出臺了關于禁售燃油車的計劃，轉(zhuǎn)而致力于新能源汽車的開發(fā)及推廣。于是純電動汽車憑借其零排放、低噪音等諸多優(yōu)勢，成為眾多汽車制造企業(yè)、科研院所及政府部門等的關注熱點。

國內(nèi)相關研究以電動汽車動力性和經(jīng)濟性為綜合設計目標，對驅(qū)動電機及變速參數(shù)進行優(yōu)化匹配，進而提升整車性能，例如:文獻［1-3］對純電動車驅(qū)動控制系統(tǒng)的匹配進行了研究，包括動力電池與驅(qū)動電機的參數(shù)計算與選型，并通過仿真驗證匹配后的動力性與續(xù)駛里程，但其驅(qū)動傳動系統(tǒng)中沒有考慮裝備變速器等因數(shù);文獻［4］在對電動汽車驅(qū)動電機參數(shù)匹配的研究中，考慮了變速器傳動比對驅(qū)動電機功率選擇的影響，提出了基于擴展轉(zhuǎn)速比的驅(qū)動電機參數(shù)設計方法，總結(jié)了驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的匹配原則，為驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的匹配提供了指導意義;文獻［5-8］對搭載無級變速器(continuously variable transmission，CVT)的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)性能進行了優(yōu)化設計及控制策略分析，通過建立傳動系統(tǒng)模型進行仿真驗證，保證車輛具有較好的動力性與經(jīng)濟性。上述研究都取得了較好的結(jié)果，但需要大量的試驗數(shù)據(jù)予以驗證。為此，本研究以純電動汽車為對象，通過純電動汽車驅(qū)動電機參數(shù)匹配，引入比傳統(tǒng)CVT變速器結(jié)構和控制原理都更為簡便的錐環(huán)式無級變速器(cone ring transmission，KRG)，根據(jù)動力性設計要求進行驅(qū)動電機參數(shù)匹配及選型，并對匹配后的車型進行行駛工況模擬仿真和整車性能試驗，以驗證所匹配的動力總成系統(tǒng)是否滿足設計要求。

1 KRG工作原理

圖1 KRG工作原理示意Fig.1 Operating principle of KRG

圖2 KRG實物圖Fig.2 Physical structure of KRG

傳統(tǒng)CVT變速機構的核心部件是槽寬可變的棘輪和包裹在槽中的鋼帶，通過調(diào)節(jié)主從動棘輪的槽寬實現(xiàn)速比的連續(xù)變化。本研究基于浙江德孚力汽車變速箱有限公司引進的KRG，將其串聯(lián)在純電動汽車的傳動系中，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)車輛的加減速，純電動汽車在具有變速能力的同時，還可以將驅(qū)動電機運行在較高效率的區(qū)域，以適應不同行駛工況下的動力需求。KRG工作原理及實物分別如圖1和圖2所示。由圖1可知，動力傳遞到輸入滾錐，通過嚙合的錐環(huán)將動力傳給輸出滾錐，實現(xiàn)動力輸出。傳動比為錐環(huán)所在平面中輸出滾錐與輸入滾錐的周長比。當錐環(huán)所在平面與輸入滾錐中心線垂直時，變速器以定傳動比輸出動力;當錐環(huán)角度發(fā)生傾斜時，錐環(huán)自身會在滾錐上軸向移動，實現(xiàn)速比的連續(xù)調(diào)節(jié)。錐環(huán)的左右移動依靠伺服電機通過速比調(diào)節(jié)機構來實現(xiàn)，且移動位置受限位裝置約束。輸出滾錐上的脹緊機構能使輸出滾錐和錐環(huán)之間有足夠的壓力，防止打滑并實時保證傳遞可靠的扭矩和提高傳動效率。

與傳統(tǒng)CVT相比，該款純電動汽車摒棄了倒檔行星齒輪系統(tǒng)和離合器。車輛倒車通過電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，保證了動力連續(xù)輸出，有利于簡化結(jié)構，減輕重量，節(jié)約成本。圖2中KRG的部分工作參數(shù)如表1所示。

表1 KRG部分參數(shù)Table 1 Partial parameters of KRG

2 電機匹配選型

2.1 動力性指標

某款純電動汽車動力性指標為:最高車速大于等于120 km/h，0～50 km/h加速時間小于等于8 s，最大爬坡度大于等于30%。同時在滿足動力性指標基礎上，考慮成本、后期維護保養(yǎng)等因素，優(yōu)選功率較小的動力電機。整車部分參數(shù)如表2所示。

2.2 驅(qū)動電機選擇

根據(jù)動力性指標參數(shù)，電機最大功率Pmax既要滿足最高車速時的功率要求，同時也要滿足以一定車速爬坡的功率要求［9-10］。取坡度為20%，爬坡車速為15 km/h，即 Pmax≥max{Pe，Pc，Pa}，其中Pe與 Pc的計算如下:

表2 整車部分參數(shù)Table 2 Partial parameters of pure electric vehicle

式(1)～(2)中:Pe為最高車速時的功率需求;ηT為傳動系效率;G為空載時整車總重量;f為滾動阻力系數(shù);umax為要求所能達到的最高車速;CD為風阻系數(shù);A為迎風面積;Pc為爬坡時的功率需求;αmax為最大爬坡度;u為當前車速。

代入整車參數(shù)和相應數(shù)據(jù)，求得Pe與Pc分別為25.18、38.26 kW?？紤]在水平路面上的加速需求，計算出加速時所需功率Pa:

式(3)中:δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為整車質(zhì)量;t為時間。

根據(jù)目標整車參數(shù)計算求得Pa為12.01 kW。選擇型號為TZ13X-20的永磁同步電機，該電機的性能曲線及參數(shù)分別如圖3和表3所示。

圖3 電機特性曲線Fig.3 Curve graph of motor properties

3 驅(qū)動性能計算

表3 電機部分技術參數(shù)Table 3 Partial parameters of drive motor

KRG和主減速器的傳動比匹配后確定出整車的動力傳動系統(tǒng)的速比區(qū)間為［2.441，13.9］。為便于有效區(qū)分不同檔位的動力性能，將 KRG 的速比范圍劃分為 8 檔，分別為 2.5、1.725、1.239、0.927、0.723、0.587、0.496、0.439。將所選動力電機與KRG裝配到該款純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，通過計算分析整車動力性能。

3.1 理論最高車速

驅(qū)動電機作為純電動汽車中唯一的動力源，在汽車行駛過程中其輸出功率要與汽車所受的阻力功率相平衡，由此得出汽車功率平衡方程式［11］:

式(4)中:Pf為滾動阻力功率;Pw為空氣阻力功率;Pi為坡度阻力功率;Pj為加速阻力功率;i為坡度角。

車輛在平坦路面上勻速運行時可忽略坡度阻力功率和加速阻力功率，由式(4)得出各檔位功率曲線及阻力功率曲線，如圖4所示。

圖4顯示了1～8檔的功率曲線與阻力功率曲線，理論上6檔可達到最高車速，約為147 km/h，此時電機峰值功率為42 kW，7～8檔主要用于路況良好的高速道路上行駛。若電機按照額定功率20 kW運行，則最高車速可達110 km/h，此時電機在良好的散熱條件下，可以保持短時峰值功率運行，滿足最高車速120 km/h的設計目標。

3.2 加速性能分析

圖4 整車功率平衡圖Fig.4 Power balance graph of pure electric vehicle

汽車的加速性能可用其在水平路面上的加速度評價，但由于加速度不便于直接測量，而從靜止到某一車速的加速時間可以間接反映出該車輛的加速性能，故利用加速時間曲線代替加速度進行分析［12］。加速時間t的計算公式為:

式(5)中:m為整車滿載質(zhì)量;Ft為驅(qū)動力;Fw為空氣阻力;Ff為滾動阻力。

根據(jù)0～50 km/h之間若干點的加速時間擬合出加速時間曲線，如圖5所示。

由圖5可知，該車在5 s內(nèi)能夠從靜止加速到50 km/h，且由曲線的整體趨勢可以看出，整個加速過程的加速度逐漸減小。這是由于剛起步時，電機恒轉(zhuǎn)矩的輸出特性致使短時間內(nèi)需要輸出較大轉(zhuǎn)矩;隨著車速的提高，電機工作在恒功率區(qū)域，輸出轉(zhuǎn)矩值下降，因此加速時間相對變長。

3.3 爬坡性能分析

圖5 0～50 km/h加速時間曲線Fig.5 0～50 km/h acceleration time curve graph

汽車的爬坡性能指其在良好路面上克服滾動阻力與空氣阻力之后，將剩余動力全部用來克服坡度阻力時能爬上的坡度。由汽車行駛方程式與驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖，可以算出汽車的爬坡性能:

經(jīng)計算求得汽車的最大爬坡度為57.69%。在功率平衡計算過程中，考慮坡度阻力功率Pi，求得40%坡度時功率平衡，如圖6所示。

由圖6可知，在車速低于25 km/h時，阻力功率Pi曲線在1檔功率曲線之下，這表明該車在1檔時可以爬上40%的坡度，達到了設計需求。在不同坡度下，車輛的載荷不同，坡度較小時阻力功率較小，圖6中的車輛在1檔時還有部分后備功率，即該車速下驅(qū)動電機的輸出功率與阻力功率的差值，該部分功率可用于加速爬坡。而2～3檔在最大功率處對應的車速分別為38、53 km/h，以滿足相對較低的阻力功率。

4 整車性能仿真與試驗

4.1 仿真實驗

利用ADVISOR軟件進行車輛性能仿真，該軟件基于Matlab/Simulink平臺進行二次開發(fā)。其仿真結(jié)構融合了后向與前向仿真模型［13］，首先根據(jù)循環(huán)工況要求，按照與實際功率流相反的方向(逆向)，計算出當前部件對上級部件的速度與轉(zhuǎn)矩需求，然后依次向上傳遞，直到驅(qū)動電機與電池模塊計算出各自提供的實際功率。再利用前向仿真算法，按照實際功率流動方向(正向)計算出各部件傳遞給下級部件的實際速度與轉(zhuǎn)矩，從而計算出實際車速。

中國現(xiàn)行的電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法是基于ECE15工況［14］的，后來演變?yōu)镋UDC(城郊高速公路工況)，包括4個相同城市模擬工況和1個城郊模擬工況，因此選用此工況進行仿真。其總運行時間為1 180 s，最高車速為120 km/h，行駛距離為11.022 km。對軟件中變速器和電機模型進行修改并輸入現(xiàn)有驅(qū)動系統(tǒng)及整車模型參數(shù)，進行EUDC工況下仿真計算。車速、電池電量以及電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線分別如圖7～9所示。

圖6 40%坡度時的功率平衡圖Fig.6 Power balance graph of electric vehicle under 40%gradient

圖7 EUDC循環(huán)工況車速曲線Fig.7 Speed curve graph of EUDC driving-cycle

圖8 電池SOC曲線Fig.8 SOC curve graph of batteries

圖7 顯示了該車按照EUDC循環(huán)工況運行時的車速與時間關系，前800 s為4個城市循環(huán)工況，最后部分為城郊工況。圖8顯示了車輛在該工況下運行過程時的電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的變化，由圖8可知，在前800 s內(nèi)，汽車按照城市循環(huán)工況低速短程運行時電量消耗總體較為平緩;800 s之后按照城郊高速工況運行時，由于車速提高及長時間循環(huán)工況行駛導致電量消耗較快。

由圖9可知，在車輛運行過程中，電機始終按照工況要求輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩，達到預定車速。由仿真結(jié)果可知，所選電機與裝載KRG的純電動汽車匹配后能夠滿足EUDC工況對車輛性能的要求，最高車速可以達到120 km/h。單個EUDC工況完成后電池剩余電量為79%。車輛在減速過程中電機通過制動轉(zhuǎn)矩輔助整車制動，從而達到較好的制動效果，同時回收部分制動能量對動力電池充電，以提高經(jīng)濟性。

圖9 電機轉(zhuǎn)矩輸出曲線Fig.9 Driving Torque curve graph of drive motor

4.2 實車性能測試

利用底盤測功機對匹配KRG的整車性能進行試驗驗證。參照GB/T18 386—2005電動汽車能量消耗和續(xù)駛里程試驗方法，利用底盤測功機模擬車輛運行時的道路負載［15］，對車輛0～50 km/h加速時間進行測試，初始SOC值為80%，最終測得的加速時間為4.53 s。

采用工況法依據(jù)EUDC工況對車輛續(xù)駛里程進行測試，測試過程中記錄電機轉(zhuǎn)矩和電池電量等信息。測試過程中記錄的部分數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測試過程中部分數(shù)據(jù)Table 4 Partial parameters of SOC and driving torque during testing process

表4中的數(shù)據(jù)記錄點是根據(jù)車輛在不同工況下的行駛狀態(tài)來劃分的，記錄的數(shù)據(jù)僅包含整個EUDC工況中的第1個和第5個子工況，由于前4個子工況是重復的過程，因此省略第2、3和4子工況。在每個子工況中，車輛按照要求進行加減速或勻速行駛甚至停車，表中記錄了該過程中的動力電池SOC及相應時刻下電機輸出轉(zhuǎn)矩值。由表4可知，車輛在部分制動過程中SOC值略有回升，有助于提高續(xù)駛里程，減小能耗。與前4個子工況相比，第5個子工況的時間跨度比較大，加減速持續(xù)時間較長，對電機轉(zhuǎn)矩需求相對較高，因此電量消耗相對較快，在工況結(jié)束后的電量約為78%。從實測結(jié)果分析可知，車輛在該工況下的百公里能耗為13.46 kW·h，續(xù)駛里程達到140 km。

5 結(jié)論

根據(jù)某型號純電動汽車動力性能要求，在其驅(qū)動系統(tǒng)中加入KRG并進行驅(qū)動電機功率計算與選型，完成驅(qū)動系統(tǒng)中電機的功率匹配，并根據(jù)選型結(jié)果進行加速性與爬坡性能分析，0～50 km/h的加速時間小于5 s，最大爬坡度為57.69%，驗證了所選電機滿足設計要求。最后基于ADVISOR軟件進行整車性能仿真與實車工況驗證。結(jié)果均表明搭載所選電機及匹配KRG的純電動汽車滿足預定的動力性能指標，且續(xù)駛里程達到140 km，基本滿足日常行駛需求。

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