徐展

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基于AVL CRUISE的某純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方案分析及參數(shù)匹配

徐展

（蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215104）

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方案的選擇及動(dòng)力匹配是電動(dòng)汽車開發(fā)過程中的關(guān)鍵，因此，文章以某微型純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，開展不同驅(qū)動(dòng)方案和不同設(shè)計(jì)側(cè)重下電動(dòng)汽車的對(duì)比研究，首先根據(jù)整車基本參數(shù)和性能要求進(jìn)行理論計(jì)算，然后使用Matlab軟件在不同側(cè)重點(diǎn)下進(jìn)行了主減速器傳動(dòng)比的參數(shù)匹配，最后使用AVL CRUISE軟件進(jìn)行模擬仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析，確定具體方案。結(jié)果表明，側(cè)重經(jīng)濟(jì)性匹配的電動(dòng)輪式驅(qū)動(dòng)方案能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在城市行駛工況下，能夠保證一定的動(dòng)力性，且經(jīng)濟(jì)性最佳。

電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)方案；參數(shù)匹配；AVL CRUISE

前言

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方案的選擇及動(dòng)力匹配是電動(dòng)汽車開發(fā)過程中的關(guān)鍵，本文以一種微型純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象[1]，對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)方案影響因素分析及參數(shù)匹配，以實(shí)現(xiàn)車輛具備相應(yīng)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。

1 驅(qū)動(dòng)方案選取

電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案主要有三種：差速半軸驅(qū)動(dòng)方案、整體驅(qū)動(dòng)橋式驅(qū)動(dòng)方案及電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)方案[2]。

差速半軸驅(qū)動(dòng)方案，采用一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源，由控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用差速器將驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩分配到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，與傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)相同，無需復(fù)雜的控制算法，利用差速器便可實(shí)現(xiàn)軸荷的合理分配，車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性良好，具有設(shè)計(jì)周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。擬定方案采用電機(jī)軸與驅(qū)動(dòng)軸相互平行的方案更為緊湊，使用低傳動(dòng)比微型車常用傳動(dòng)部件[3]，主減速器采用的單級(jí)圓柱斜齒齒輪減速并用圓錐滾子軸承支撐，差速器選用對(duì)稱式圓錐行星齒輪，采用獨(dú)立懸架，等速萬向節(jié)。由于差速半軸式以單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余兩種均以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)方案之間的可比性，采用改變差速半軸驅(qū)動(dòng)方案的電機(jī)參數(shù)，使其驅(qū)動(dòng)能力與采用兩電機(jī)的其他驅(qū)動(dòng)方案基本一致。

整體驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)方案中電機(jī)控制器控制兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，各驅(qū)動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，省去了差速機(jī)構(gòu)，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器制作為一體，無需傳動(dòng)軸、萬向節(jié)等零件，所需的布置空間大為減小，傳動(dòng)效率有所提高，但電機(jī)控制器中的控制算法要求高，需起到差速器作用，對(duì)軸荷進(jìn)行合理分配。擬定方案采用雙聯(lián)式整體驅(qū)動(dòng)橋式，選取單級(jí)減速錐齒輪，圓錐滾子軸承支撐，等速萬向節(jié)，是當(dāng)前常見的驅(qū)動(dòng)方案之一。

電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)方案中驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)嵌有輪轂電機(jī)，無需經(jīng)過其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接由輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。這種驅(qū)動(dòng)方案極大地減小了傳動(dòng)系統(tǒng)所占空間，減輕了整車質(zhì)量，且使汽車重心下降，穩(wěn)定性提高，但相對(duì)成本較高。擬定方案采用NGW行星圓柱齒輪減速器，以中心輪輸入、行星架固定、內(nèi)齒圈輸出，實(shí)現(xiàn)輪邊減速，可以提供較大的減速比，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性要求比較低，動(dòng)力損失較小，且增加有用空間，目前這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。

2 車輛性能要求及動(dòng)力匹配分析

2.1 樣車參數(shù)及動(dòng)力性要求

樣車主要應(yīng)用在路面狀況良好，但加減速比較頻繁的市內(nèi)交通，要求整車最高車速不低于90km/h，最大爬坡度不低于20%，整車質(zhì)量800kg，質(zhì)心高度0.56m，輪胎半徑0.245m，空氣阻力系數(shù)0.417，滾動(dòng)阻力系數(shù)0.0173，迎風(fēng)面積1.7m2，前橋升力系數(shù)0.02，后橋升力系數(shù)0.015。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

基于樣車參數(shù)、動(dòng)力性要求和應(yīng)用工況，根據(jù)汽車行駛方程式，汽車在最高車速下的行駛阻力功率P為：

其中，u為電動(dòng)汽車的最高行駛車速，單位為km/h。行駛阻力功率P單位為kW。根據(jù)整車參數(shù)可計(jì)算得，在u為90km/h的條件下，該電動(dòng)汽車受到行駛阻力的功率為10.18kW。因此，要求每種驅(qū)動(dòng)方案采用的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)滿載功率之和應(yīng)在較廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到11kW以上，即單電機(jī)功率5.5kW以上。電機(jī)過載系數(shù)一般取2~3，因此，電機(jī)的最大功率應(yīng)在11~16.5 kW，所以初步假設(shè)電機(jī)的峰值功率為15kW。

電機(jī)額定功率取5.5kW，額定轉(zhuǎn)速取2500r/min，計(jì)算出所用電機(jī)的額定扭矩應(yīng)達(dá)到21.01kN·m。電機(jī)峰值功率取15 kW ，額定轉(zhuǎn)速取2500r/min，計(jì)算出所用電機(jī)的最大扭矩應(yīng)達(dá)到57.3kN·m。再考慮到永磁直流無刷電機(jī)功率密度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，研究選用尤奈特BLT5/10-2500/72型永磁直流無刷電機(jī)作為三種驅(qū)動(dòng)方案的驅(qū)動(dòng)力來源。

2.3 傳動(dòng)比確定

電動(dòng)機(jī)型號(hào)確定后，外載荷特性方面，電機(jī)轉(zhuǎn)速在1000r/ min以下時(shí)，電機(jī)可獲得最大轉(zhuǎn)矩T，平均為78.9 kN·m左右。電機(jī)最大轉(zhuǎn)速n=4100r/min。在2300r/min轉(zhuǎn)速處，電動(dòng)機(jī)獲得最大輸出功率15.8kW。部分負(fù)荷特性方面，在負(fù)荷60%以上時(shí)，部分負(fù)荷與滿負(fù)荷的電機(jī)效率相差不超過5%。驅(qū)動(dòng)方案均采用固定傳動(dòng)比式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，無變速箱和離合器，需通過選擇合理的傳動(dòng)比。

進(jìn)行最大爬坡計(jì)算時(shí)，電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行在轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)矩最大的工況下。則電動(dòng)汽車傳動(dòng)比需滿足：

其中，α為最大爬坡角，要求不低于20%，根據(jù)三種方案的傳動(dòng)效率的差異，計(jì)算得，傳動(dòng)比需不小于2.8。

在最高行駛車速下，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力需克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力。

指電動(dòng)車運(yùn)行在要求達(dá)到的最高行駛車速時(shí)，單個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。由于與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈一定的函數(shù)關(guān)系，且該函數(shù)關(guān)系難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式加以描述。因此，研究選用Matlab軟件作為數(shù)學(xué)工具，幫助進(jìn)行動(dòng)力匹配的計(jì)算。

推導(dǎo)汽車行駛速度與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

式中，汽車行駛車速u單位為km/h，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n及車輪轉(zhuǎn)速n單位為r/min，其他均為國(guó)際單位制。

將式（3）可寫為：

函數(shù)編寫實(shí)際采用的公式為：

F的物理意義為驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力與滾動(dòng)阻力和空氣阻力的合力，方向以驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)檎?。設(shè)計(jì)的最高車速需不低于90km/h，由爬坡度計(jì)算結(jié)果，傳動(dòng)比不小于2.8。故在Matlab中，令從2.8開始增加，直至F≤0，確定傳動(dòng)比的取值范圍。

進(jìn)一步在Matlab/Simulink環(huán)境下建立如圖1所示的電動(dòng)車參數(shù)匹配仿真模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖1 Matlab/Simulink參數(shù)匹配仿真模型

Matlab仿真結(jié)果如圖2所示，以差速半軸式方案為例，不可大于3.8。綜上所述，為滿足動(dòng)力性要求，傳動(dòng)比取值范圍為2.8≤≤3.8。在保證電動(dòng)車的動(dòng)力性的前提下，若以經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重進(jìn)行動(dòng)力匹配，則傳動(dòng)比均選為3.0。若以動(dòng)力性為側(cè)重進(jìn)行動(dòng)力匹配，則傳動(dòng)比均選為3.7。

圖2 差速半軸式純電動(dòng)汽車Fsum-i仿真計(jì)算曲線

2.4 蓄電池選擇

為在AVL_Cruise環(huán)境下進(jìn)行純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性建模，還需設(shè)定蓄電池參數(shù)，由于重點(diǎn)分析不同驅(qū)動(dòng)方案及不同設(shè)計(jì)側(cè)重情況下的車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此，僅對(duì)蓄電池進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，僅滿足仿真需要，保證蓄電池能驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，在30min的循環(huán)工況內(nèi)能量豐沛，不會(huì)發(fā)生SOC值過小，引起功能效能下降的問題。行駛阻力的功率經(jīng)計(jì)算得10.18kW，所以總能量為5.09 kW。由于電機(jī)的額定電壓為72V，得出電池容量為70.69 A·h，選擇由單體電池電壓為3V的鋰電池作為動(dòng)力源，以串聯(lián)形式連接，單體電池總數(shù)為24個(gè)。某電池生產(chǎn)廠家提供的蓄電池總電量150A·h，即研究Cruise仿真分析中電池模塊所采用的數(shù)據(jù)。

3 純電動(dòng)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真及分析

3.1 仿真模型的建立

在AVL_Cruise環(huán)境下，根據(jù)三個(gè)不同驅(qū)動(dòng)方案建立整車模型，以電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)方案為例，如圖3所示，輸入整車質(zhì)量、車輪直徑及主要部件參數(shù)。

圖3 電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)方案模型

模型中采用的元件塊及機(jī)械連接關(guān)系、信息流、能量流，依據(jù)驅(qū)動(dòng)方案的具體結(jié)構(gòu)確定，蓄電池、電動(dòng)機(jī)元件塊參數(shù)根據(jù)其特性試驗(yàn)填寫，傳統(tǒng)系統(tǒng)元件參數(shù)則參考目前純電動(dòng)汽車工業(yè)生產(chǎn)中所生產(chǎn)相關(guān)零部件的一般情況填寫。以發(fā)動(dòng)機(jī)元件塊為例，參數(shù)設(shè)定如圖4所示，與其他各元件塊連接的信息關(guān)系如圖5所示。仿真中不考慮曲線行駛的電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，選用的電機(jī)控制策略為驅(qū)動(dòng)防滑控制（Anti-Slip control）。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)元件塊部分參數(shù)設(shè)置

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)與其他各元件塊連接的信息關(guān)系

3.2 仿真任務(wù)的建立及仿真結(jié)果分析

3.2.1動(dòng)力性對(duì)比分析

分別選擇3.0（經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重）和3.7（動(dòng)力性為側(cè)重）兩種傳動(dòng)比，對(duì)每個(gè)電動(dòng)汽車模型設(shè)計(jì)了滿負(fù)荷加速能力計(jì)算任務(wù)和爬坡能力計(jì)算任務(wù)。

選擇傳動(dòng)比3.0（經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重）進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖6所示，三種驅(qū)動(dòng)方案的最高車速差異不大，0-50km/h加速時(shí)間依次是：電動(dòng)輪式7.0s、整體驅(qū)動(dòng)橋式7.5s、差速半軸式7.9s。

圖6 傳動(dòng)比3.0的不同驅(qū)動(dòng)方案滿負(fù)荷加速能力對(duì)比

選擇傳動(dòng)比3.0（經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重）進(jìn)行爬坡能力仿真計(jì)算，如圖7所示，最大爬坡度依次是：電動(dòng)輪式24.7%、整體驅(qū)動(dòng)橋式23.3%、差速半軸式21.8%。12%坡道車速依次是：電動(dòng)輪式83.1km/h，整體驅(qū)動(dòng)橋式81.0km/h，差速半軸式78.2km/h。

綜上所述，傳動(dòng)比3.0的三種驅(qū)動(dòng)方案均滿足設(shè)計(jì)要求，電動(dòng)輪式要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動(dòng)方案，電動(dòng)輪式與動(dòng)力性最差的差速半軸式相比，在0-50km/h加速時(shí)間縮短11.4%，在最大爬坡度提高13.3%，在12%坡道車速上提高6.3%。

在側(cè)重動(dòng)力性（傳動(dòng)比3.7）的情況下，三種驅(qū)動(dòng)方案的最高車速差異不大，0-50km/h加速時(shí)間依次是：電動(dòng)輪式5.8s、整體驅(qū)動(dòng)橋式6.2s、差速半軸式6.6s。爬坡能力方面，最大爬坡度依次是：電動(dòng)輪式31.5%、整體驅(qū)動(dòng)橋式29.6%、差速半軸式27.7%。12%坡道車速依次是：電動(dòng)輪式75.2km/h，整體驅(qū)動(dòng)橋式74.0km/h，差速半軸式72.3km/h。

綜上所述，傳動(dòng)比3.7的三種驅(qū)動(dòng)方案均滿足設(shè)計(jì)要求，在動(dòng)力性比較中，無論是加速能力還是爬坡能力，電動(dòng)輪式要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動(dòng)方案，電動(dòng)輪式與動(dòng)力性最差的差速半軸式相比，在0-50km/h加速時(shí)間上縮短12.1%，在最大爬坡度上提高13.7%。

3.2.2經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

選擇Japan_Mode_1_URBAN循環(huán)工況作為目標(biāo)行駛工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，實(shí)際速度變化情況如圖8所示，以百公里耗電量作為評(píng)判電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 循環(huán)工況速度變化情況

如圖9所示，將傳動(dòng)比3.0（經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重）的三種方案，在一個(gè)循環(huán)工況下，差速半軸式電動(dòng)汽車消耗電能5442.0kJ，比能耗391.80kJ/km；整體驅(qū)動(dòng)橋式消耗電能5189.5kJ，比能耗373.64kJ/km；電動(dòng)輪式消耗電能4966.4kJ，比能耗357.55kJ/km。電動(dòng)輪式的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動(dòng)方案，與經(jīng)濟(jì)性最差的差速半軸式相比，能耗低8.7%。

圖9 傳動(dòng)比3.0的不同驅(qū)動(dòng)方案能耗對(duì)比

傳動(dòng)比3.7（動(dòng)力性為側(cè)重），在一個(gè)循環(huán)工況下，差速半軸式電動(dòng)汽車消耗電能5548.9kJ，比能耗399.49kJ/km；整體驅(qū)動(dòng)橋式消耗電能5300.5kJ，比能耗381.63kJ/km；電動(dòng)輪式消耗電能5078.0kJ，比能耗365.59kJ/km。電動(dòng)輪式的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動(dòng)方案，與經(jīng)濟(jì)性最差的差速半軸式相比，能耗低8.5%。

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比范圍內(nèi)，選取3.0和3.7兩種傳動(dòng)比，再結(jié)合三種不同驅(qū)動(dòng)方案，進(jìn)行了動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性分析，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

將同一驅(qū)動(dòng)方案，傳動(dòng)比3.0與傳動(dòng)比3.7相比較，最高車速提高了15.2%-16.0%，比能耗降低了2.0%-2.2%，但0-50km/h加速時(shí)間增加了19.7%-21.0%，最大爬坡度減少了21.3%-21.6%。

無論是傳動(dòng)比3.0還是傳動(dòng)比3.7，仿真結(jié)果均表明電動(dòng)輪式在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于整體驅(qū)動(dòng)橋式優(yōu)于差速半軸式。

表1 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)

將傳動(dòng)比3.7的電動(dòng)輪式與傳動(dòng)比3.0的整體驅(qū)動(dòng)橋式驅(qū)動(dòng)方案相比，動(dòng)力性側(cè)重的電動(dòng)輪式不僅在動(dòng)力性上有較大優(yōu)勢(shì)，0-50km/h加速時(shí)間減少了22.3%，最大爬坡度提高了35.2%，而且經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)反而也略好，比能耗降低了2.2%，因此，在不考慮成本因素的情況下，差速半軸式與整體驅(qū)動(dòng)橋式非理想方案，尤其是側(cè)重動(dòng)力性的差速半軸式與整體驅(qū)動(dòng)橋式方案最不適合。

將傳動(dòng)比3.0的電動(dòng)輪式與傳動(dòng)比3.7的整體驅(qū)動(dòng)橋式驅(qū)動(dòng)方案相比，最高車速提高16.6%，0-50km/h加速時(shí)間增加了12.9%，最大爬坡度減少了16.6%，比能耗降低了6.3%，在最高車速與能耗方面的增益效果更顯著。

綜上所述，電動(dòng)輪式是理想的驅(qū)動(dòng)方案，在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面均優(yōu)于其他方案，在城市工況中，應(yīng)優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)最高車速的意義也要大于加速能力。所以，最佳方案為傳動(dòng)比3.0的電動(dòng)輪式驅(qū)動(dòng)方案，該方案最高車速110.9km/h，最大爬坡度24.7%，滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求。其次是傳動(dòng)比3.7的電動(dòng)輪式驅(qū)動(dòng)方案，能與經(jīng)濟(jì)性側(cè)重的整體驅(qū)動(dòng)橋式、差速半軸式能耗相當(dāng)?shù)那闆r下，具有更強(qiáng)的動(dòng)力性能，需要一定操控性時(shí)可選擇該方案?？紤]城市工況，經(jīng)濟(jì)性側(cè)重的方案優(yōu)先于動(dòng)力性側(cè)重的方案。

[1] 岳崇會(huì).微型純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

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Driving Scheme Analysis and Parameter Matching of a Pure Electric Vehicle Based on AVL CRUISE

Xu Zhan

（Suzhou Institute of Construction & Communications, Jiangsu Suzhou 215104）

The selection of driving scheme and power matching are the key points in the development of electric vehicles. This paper takes a miniature pure electric vehicle as the research object, and carries out comparative research on different driving schemes and different design emphases of electric vehicles. Firstly, the theoretical calculation is carried out according to the basic parameters and performance requirements of the whole vehicle. Then, the transmission ratio of the main reducer is matched by using MATLAB software under different emphasis points. Finally, AVL CRUISE software is used to simulate and analyze the simulation results scientifically to determine the concrete scheme. The results show that the electric wheeled driving scheme with emphasis on economic matching can meet the design requirements. Under urban driving cycle, it can ensure the certain power performance and the best economy.

electric vehicle;driving scheme;parameter matching;AVL CRUISE

A

1671-7988(2019)05-41-05

U469.7

U469.7

A

1671-7988(2019)05-41-05

徐展，就職于蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.012