吳鐘鳴，楊 帆，郭 語，凌秀軍

（金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車作為主要的出行交通工具，增長迅速，內(nèi)燃機(jī)汽車造成的環(huán)境保護(hù)問題受到空前關(guān)注，各國制定的排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)汽車向新能源汽車發(fā)展的步伐越來越快。

新能源汽車的研發(fā)是目前實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)節(jié)能環(huán)保的最優(yōu)選擇，也是各大汽車廠商的關(guān)注重點(diǎn)。純電動汽車兼顧了環(huán)境與能源問題，并集高新技術(shù)于一體，做到了零排放。電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅可以促進(jìn)電子技術(shù)、控制技術(shù)、新材料等技術(shù)的發(fā)展，也會對新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[1]。

電驅(qū)動及其控制技術(shù)作為電動汽車的核心，對汽車的使用性能有重要影響，隨著電驅(qū)動技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化和智能化的控制技術(shù)將會得到廣泛應(yīng)用[2]。

電動汽車傳動系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一是驅(qū)動電機(jī)的選擇，而電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性取決于傳動系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)與匹配[3]。這里根據(jù)課題的要求，分別對設(shè)計(jì)車型在最高車速、最大爬坡度和加速性能下進(jìn)行電機(jī)功率計(jì)算。在完成參數(shù)的計(jì)算匹配后，通過計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行電動汽車的性能仿真測試。

2 設(shè)計(jì)要求

依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和典型的工況，根據(jù)課題要求確定整車技術(shù)參數(shù)，電動汽車整車參數(shù)和性能指標(biāo)，如表1、表2所示。

表1 電動汽車技術(shù)參數(shù)Tab.1 Electric Vehicle Technical Parameters

表2 整車性能參數(shù)指標(biāo)Tab.2 Vehicle Performance Parameter Index

3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

驅(qū)動電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要裝置，同時(shí)，電機(jī)也可以將動能轉(zhuǎn)化為電能并存儲到蓄電池中。在行駛過程中，電動汽車啟停頻繁，需要能夠承受較大的加、減速度，而且要求能夠?qū)崿F(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩爬坡，并在高速小轉(zhuǎn)矩和寬速度范圍運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，為了滿足汽車的使用性能要求，選擇合適的電機(jī)非常重要[4]。

根據(jù)技術(shù)要求的最高車速，匹配汽車以最大車速行駛時(shí)的電機(jī)功率，選擇的電機(jī)功率大于汽車以最高車速行駛時(shí)克服所有阻力消耗的功率總和，再依次計(jì)算最大爬坡度和加速性能下的功率[5]。

汽車以最高速度行駛時(shí)的功率其表達(dá)式為：

假設(shè)在汽車行駛過程中，用電設(shè)備全開，加上冗余后備功率，取電機(jī)的峰值功率Pmax=75kW。

額定功率為：

式中：λ—過載系數(shù)，取值范圍（2～4）[6]。經(jīng)計(jì)算，Pe=30kW。

電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速不同，可以分為低速、中速和高速三類。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低不但關(guān)系到自身的制造成本、工藝和可靠性，而且與之相連的變速器和減速器也會受到影響。因此，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇不宜過大也不宜過小。

電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的比值范圍稱為電動機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β，β的取值范圍在（2～4）之間[6，7]。結(jié)合設(shè)計(jì)要求的最高車速，選取電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速為10000r/min，對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速為（2500～5000）r/min，取4000r/min。

驅(qū)動電機(jī)的額定扭矩可由額定功率和額定轉(zhuǎn)速計(jì)算得出：

式中：Pe—額定功率，kW；ne—額定轉(zhuǎn)速，r/min。

經(jīng)計(jì)算，Te=71.625Nm。

驅(qū)動電機(jī)的最大扭矩：

經(jīng)計(jì)算，Tmax=215Nm。

電機(jī)額定電壓的確定會關(guān)系到電池組電壓的匹配。在保證汽車動力性的前提下，可以適當(dāng)提高電壓，電壓越高，能量輸出過程中的損耗就越小[8]。電動機(jī)的額定電壓與額定功率成正比，在計(jì)算出額定功率的基礎(chǔ)上選定電機(jī)電壓為300V。

3.2 蓄電池參數(shù)設(shè)計(jì)

蓄電池的電壓要求與電機(jī)電壓相一致，以確保電機(jī)能夠在不同電壓狀態(tài)下正常運(yùn)行，再加上汽車電器設(shè)備的耗能，電池組的總電壓應(yīng)該大于等于電機(jī)額定電壓，選擇的電池組電壓為300V。

按照設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)車型的續(xù)航里程消耗的總功率可由下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，電池容量C=45Ah。

鋰離子電池的單體電壓一般為（3.0～4.0）V，選用單體電池電壓為4V，因此，可根據(jù)電池組電池單體電壓確定單體電池的數(shù)量：

式中：Uc—驅(qū)動電機(jī)額定電壓；

Ub—蓄電池單體電壓[7，9]。

蓄電池存儲能量的大小取決于電池容量，電池的容量越大，電池的儲能就越多，汽車獲得的后備功率也會隨之增大。較大的電池能量有利于提高汽車的加速性能和最大爬坡度。但是，電池的容量過大會使電池體積質(zhì)量增大，從而影響整車的結(jié)構(gòu)布置和汽車行駛過程中的動力性。因此，電池參數(shù)的選擇需要經(jīng)過綜合考慮才能確定[10]。這里選取的電池參數(shù)，如表3所示。

表3 蓄電池參數(shù)Tab.3 Battery Parameter

3.3 傳動比設(shè)計(jì)

根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和最高車速確定傳動比上限，表達(dá)式如下：

式中：Fimax—最大爬坡度阻力；Tmax—驅(qū)動電機(jī)的峰值扭矩[11]。

由式（14）、式（16）和式（17）計(jì)算傳動比，傳動比上限i≤10.33，傳動比下限i≥6.46。本文電動汽車傳動系統(tǒng)選定的傳動比為7.1。

3.4 檔位數(shù)及布置形式的確定

電動汽車傳動系統(tǒng)的檔位數(shù)確定主要取決于所選電機(jī)的性能和動力性要求。這里選擇電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為4000r/min，最大轉(zhuǎn)速為10000r/min，nmax/ne= 2.5，電機(jī)的調(diào)速范圍較寬，適合汽車的正常使用性能，因此，不需要過多的檔位，選擇的傳動系統(tǒng)的檔位數(shù)為1，單級傳動固定速比方案[12]。設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)布置形式的基礎(chǔ)上取消了離合器，并用驅(qū)動電機(jī)代替發(fā)動機(jī)，剩余的空間用于放置控制器和蓄電池。為了合理分配整車的負(fù)載，部分動力電池可以放置在汽車后部左右合適的位置。

4 傳動系統(tǒng)仿真分析

汽車在行駛過程中，面對不同的路況，不可能長時(shí)間保持某一固定車速行駛。在進(jìn)行汽車仿真時(shí)，要合理選擇符合實(shí)際需求的工況，同時(shí)盡量能夠采用多種工況仿真的方法，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與有效性[13-14]。選取典型的兩種循環(huán)工況對整車的動力性進(jìn)行分析，這兩種工況也是系統(tǒng)仿真的邊界條件，通過仿真來分析系統(tǒng)是否達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

圖1 ECE_EUDC循環(huán)工況下車速Fig.1 ECE_EUDC Cycle Speed

圖2 UDDS循環(huán)工況下車速Fig.2 UDDS Cycle Speed

圖3 ECE_EUDC循環(huán)工況下電池SOC值Fig.3 Battery SOC Value Under ECE_EUDC Cycle Condition

圖4 UDDS循環(huán)工況下電池SOC值Fig.4 Battery SOC Value Under UDDS Cycle Condition

圖5 ECE_EUDC循環(huán)工況下電機(jī)功率Fig.5 Motor Power Under ECE_EUDC Cycle

圖6 UDDS循環(huán)工況下電機(jī)功率Fig.6 Motor Power Under UDDS Cycle

圖7 ECE_EUDC循環(huán)工況下電池電流Fig.7 Battery Current Under ECE_EUDC Cycle

圖8 UDDS循環(huán)工況下電池電流Fig.8 Battery Current Under UDDS Cycle

通過對兩種循環(huán)工況仿真結(jié)果的對比，無論汽車運(yùn)行時(shí)處于哪種工況，實(shí)際行駛車速曲線與循環(huán)工況速度相吻合，說明設(shè)計(jì)參數(shù)合理，整車在仿真過程中動力性良好；電池的SOC值隨汽車行駛距離的增大而逐漸降低，曲線變化平緩，說明放電性能優(yōu)良；電機(jī)功率曲線在零線上下波動，當(dāng)輸出功率位于零線上方，電機(jī)處于能量輸出階段，反之則處于再生制動階段；電池電流的變化曲線同樣以零線為分界，在零線上方時(shí)，電池處于放電階段，反之則在進(jìn)行能量存儲。

通過數(shù)據(jù)對比分析可知，設(shè)計(jì)車型的續(xù)航能力、加速性能和最大爬坡度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。兩種循環(huán)工況下的整車動力性仿真結(jié)果，如表4所示。

表4 兩種循環(huán)工況下仿真結(jié)果對照表Tab.4 Comparison of Simulation Results Under Two Cyclic Conditions

根據(jù)循環(huán)工況下仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對照表，在整車動力性能測試中，整車表現(xiàn)良好，續(xù)駛里程滿足設(shè)計(jì)要求；而（0～50）km/h加速時(shí)間和（0～100）km/h加速時(shí)間分別只要3s和8.1s，相比于設(shè)計(jì)參數(shù)，整車的加速性能表現(xiàn)更加優(yōu)異；在25km/h行駛時(shí)的最大爬坡度達(dá)到39.9%，且最高車速達(dá)到171.7km/h。

仿真結(jié)果輸出，如圖9 所示。由上至下的四幅圖分別表示車速和循環(huán)工況的運(yùn)行曲線、能量存儲系統(tǒng)的SOC 變化曲線、排放曲線和傳動系統(tǒng)總速比曲線[15]。續(xù)航能力是評價(jià)整車動力性的重要指標(biāo)，由第一幅圖可知，本文的設(shè)計(jì)車型至少能夠完成14 個(gè)循環(huán)工況，續(xù)駛里程達(dá)到150km 以上；第二幅圖反映了能量存儲系統(tǒng)的SOC 值變化情況，在逐漸下降的過程中出現(xiàn)波動則說明產(chǎn)生能量回饋；第三幅圖直接體現(xiàn)了純電動汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)；第四幅圖則體現(xiàn)了純電動汽車沒有傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)上的變速裝置。

仿真結(jié)果輸出，如圖9 所示。由上至下的四幅圖分別表示車速和循環(huán)工況的運(yùn)行曲線、能量存儲系統(tǒng)的SOC 變化曲線、排放曲線和傳動系統(tǒng)總速比曲線[15]。續(xù)航能力是評價(jià)整車動力性的重要指標(biāo)，由第一幅圖可知，這里的設(shè)計(jì)車型至少能夠完成14 個(gè)循環(huán)工況，續(xù)駛里程達(dá)到150km 以上；第二幅圖反映了能量存儲系統(tǒng)的SOC 值變化情況，在逐漸下降的過程中出現(xiàn)波動則說明產(chǎn)生能量回饋；第三幅圖直接體現(xiàn)了純電動汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)；第四幅圖則體現(xiàn)了純電動汽車沒有傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)上的變速裝置。

圖9 ECE_EUDC循環(huán)工況仿真結(jié)果Fig.9 ECE_EUDC Cycle Condition Simulation Results

5 結(jié)論

通過研究表明傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配是決定系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；趦煞N符合國內(nèi)道路實(shí)際行駛條件的工況，真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的傳動系統(tǒng)符合該設(shè)計(jì)電動汽車最高車速、最大爬坡度、加速性能和續(xù)駛里程的要求，為小型汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可以參考的案例。后續(xù)可進(jìn)一步開展特定環(huán)境下路況參數(shù)的建模仿真，進(jìn)而提高傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的針對性，開展系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。