電動汽車動力傳動參數(shù)設計與分析

袁 涌，姚博煒

Yuan Yong1，Yao Bowei2

（1.武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

內(nèi)燃機汽車經(jīng)過100多年的發(fā)展，其技術已經(jīng)非常成熟，但是由于其本身固有的不足，它的發(fā)展也面臨著許多問題，如能源問題，環(huán)境污染問題。而電動汽車（EV）的優(yōu)點恰好可以彌補傳統(tǒng)汽車的不足，但是其包括動力電池等關鍵技術沒有取得突破進展，使得它的推廣受到了阻礙。因此，在動力電池等問題上取得進展以前，如何選擇傳動系的參數(shù)，使得傳動系與電池的匹配能夠最大限度地滿足動力性和經(jīng)濟性的要求，一直是設計人員的追求目標[1]。

1 電動汽車動力傳動參數(shù)計算與選擇

1.1 整車性能目標與整車基本參數(shù)

參照國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）純電動轎車的技術指標，確定如表1所示的性能目標。

表1 國家“863”電動汽車招標有關技術參數(shù)

所設計的電動汽車的動力性與同級別燃油車輛相當，故選擇某款傳統(tǒng)汽車整車技術參數(shù)作為該電動汽車的整車參數(shù)，見表2。

表2 整車基本參數(shù)

1.2 動力傳動參數(shù)的選擇方法

在匹配電動汽車的動力傳動參數(shù)時，要使它的性能參數(shù)能夠達到表1中的要求。這些動力傳動參數(shù)包括以下幾個方面：電機功率P，傳動比is，選定電池的數(shù)目n，雖然其他的參數(shù)也能影響其性能，且某一性能會被多個參數(shù)所影響，但是上述3個參數(shù)的影響是最主要的。

1.3 電機的參數(shù)選擇

電機功率通常由電動汽車的動力性來決定，即預期最高車速行駛時所消耗的功率Pv；以某一車速爬上一定坡度時所消耗的功率Pi；在水平路面上加速行駛所消耗的功率Pa；且由這三者中最大的值決定電機功率。在初選電機時一般用Pv來計算電機的額定功率，然后再核算其他兩項，即滿足[2]：

將最高車速120km/h代入，得到額定功率P為19.738 kW，選擇交流電機額定功率為21 kW。為了滿足表1中的加速性能，則加速度必須足夠大，也就是說由功率決定的低速下的轉(zhuǎn)矩必須足夠大，必須滿足下式：

式中，Pf為滾動阻力功率；Pw為空氣阻力功率。由于電機輸出功率低速時為恒轉(zhuǎn)矩輸出，即功率隨轉(zhuǎn)速線性增長，高速恒功率輸出，所以電機功率P即為轉(zhuǎn)速的函數(shù)P（n），在傳動比一定的情況下，電機功率是速度的函數(shù)P（v），代入公式（2），求出加速時間的表達式：

取過載系數(shù)為3，則電機的最大功率pmax為63kW，轉(zhuǎn)速范圍為0～9000r/min，最大轉(zhuǎn)矩為150Nm[3]。

1.4 傳動系傳動比的確定

傳動比is應該保證汽車的最大爬坡度與最高車速，它不能選得過大或者過小，太小不能保證最大爬坡度和克服最高車速的行駛阻力，太大不能保證電機達到最高車速要求的最高轉(zhuǎn)速，故必須滿足以下公式：

式中，nmax為電機最高轉(zhuǎn)速；Fvmax為最高車速時的阻力；Tnmax為電機最高轉(zhuǎn)速對應的轉(zhuǎn)矩；Fimax為最大坡度的阻力；Tmax為電機最大轉(zhuǎn)矩。由以上公式得：5.64≤ is≤8，取 is=7。

1.5 電池數(shù)目的選擇

電池數(shù)目的選擇主要考慮的是最大輸出功率和續(xù)駛里程，電池組的數(shù)量由以下公式的較大值決定：

式中，pbmax為電池最大輸出功率；ηe為電動機工作效率；ηec為電動機控制器工作效率；C為單節(jié)電池額定容量，Ah；U為單節(jié)電池電壓；ηdis為放電深度。動力電池采用80Ah的磷酸鐵鋰電池，工作電壓取3.2V，放電深度為0.9[4]，Wp為電動汽車行駛1km所消耗的能量。

為保證工況下續(xù)駛里程大于150km，還要對某一工況進行分析，選用NEDC（New European Driving Cyde）工況，如圖 1所示。該圖用式（1）即可得到各個時刻的功率曲線，然后對時間積分，就能求出一個循環(huán)工況所需要的最少功耗，大概為3400kJ。由速度曲線也可以求出一個循環(huán)工況下汽車行駛的距離大概為11km，按照表1的性能要求最少工況續(xù)駛里程為150km，即可求得150km下的平均功耗為 3400÷11×150=46364kJ，然后用這一功耗除以單個電池的功率即求得電池數(shù)目，綜合考慮以上3種情況，得到電池數(shù)為250塊。

1.6 動力傳動匹配結果

表3 電動汽車匹配參數(shù)

2 基于AMESim的電動汽車模型的建立與仿真

2.1 電動汽車模型的建立

在仿真軟件AMESim里建立電動汽車整車模型，它包括若干個子模型，如電池模型、電機模型、傳動模型、ECU模型、駕駛員模型等，如圖2所示。電動汽車制動能量回收確實能有效提高其續(xù)駛里程，但是制動的距離與大小由駕駛員決定，是一個不確定因素，所以沒有考慮電機的發(fā)電機工況。電機的特性曲線如圖3所示。電動機基頻對應的轉(zhuǎn)速為1400r/min，在此轉(zhuǎn)速前以恒轉(zhuǎn)矩（虛線所示）輸出，在此轉(zhuǎn)速后以恒功率（實線所示）輸出，由于最高轉(zhuǎn)速9000r/min遠大于1400r/min，其比值大于2.5，選擇一個擋位即可，即采用固定速比[5]。

2.2 電動汽車模型的仿真與結果

為了達到預期的最高車速、加速時間和最大爬坡度，駕駛員模型應在較短時間內(nèi)達到最大加速度，即以最大的加速強度來行駛，其速度曲線如圖4所示。從圖中可以看出其最高車速為127km/h，0～50km/h 的加速時間為8.5s，50～80km/h的加速時間為13.7s，均達到表1的性能要求。

為了求出其最大爬坡度，對其進行不同坡度值的多次試驗，這里選取坡度值20%，26%，27%和28%，見圖5。汽車在27%的坡度值上仍能前進，不過速度非常緩慢，但理論上認為其最大坡度為27%，大于所要求的20%，滿足要求。

續(xù)駛里程是制約電動汽車發(fā)展的重要因素，按照性能要求在工況下其續(xù)駛里程應為150km，仿真時長1.8×104s，采用NEDC工況，觀察電池荷電狀態(tài)SOC與行駛里程的關系，如圖6所示。其續(xù)駛里程大概為162km，滿足性能要求。

表1中所要求的能量消耗率為0.17kWh/km，換算單位后為612J/m，表示汽車每行駛1m，需要耗費不超過612J的能量，仿真依然采用NEDC工況的一次循環(huán)，行駛距離10100m，消耗功4.35534×106J，換算成能量消耗率為431J/m，小于要求的值，功耗與距離的曲線圖如圖7所示。

3 電動汽車動力性和經(jīng)濟性影響因素

從上述多個公式中可以看出，影響電動汽車的動力性和經(jīng)濟性的因素很多，如汽車質(zhì)量、風阻系數(shù)、迎風面積、電池的性能、傳動效率等，這些因素的改變對提高汽車性能非常有效，但改變這些參數(shù)非常困難，難以兼顧各方面的優(yōu)勢。這里將討論與分析汽車傳動系總傳動比對汽車性能的影響，從而找到一個最佳的傳動比，能夠兼顧動力性與經(jīng)濟性。

3.1 傳動比對動力性的影響

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，電機的功率隨轉(zhuǎn)速的變化已經(jīng)確定，不會因為傳動比的大小而改變電機隨轉(zhuǎn)速的功率，即最大功率已定，阻力功率曲線若已知，則最高車速就不會改變，所以改變傳動比是不會對最高車速有較大影響。

但是電機功率是隨著車速的改變而改變的，車速與電機轉(zhuǎn)速的紐帶便是傳動比的大小，傳動比大小不同，同樣的轉(zhuǎn)速下的電機功率會因為車速而變化，如圖8所示。

分別對傳動比i=5.7（實線所示）和i=7.5（虛線所示）的功率曲線進行對比，發(fā)現(xiàn)后者相對于前者向前“偏移”了一小段距離，即后者功率增長得快些，而他們的最大值是一樣的，與阻力功率曲線交于同一點，此點對應著最高車速不變。但是在較低車速下它們的后備功率是不一樣的，比如車速為20km/h時，傳動比值較大，其后備功率大，意味著在低車速下的加速性能更好，加速時間短；由于較大的傳動比也使汽車在低速下的轉(zhuǎn)矩更大，爬坡能力強，故動力性好。

3.2 傳動比對經(jīng)濟性的影響

電機在不同轉(zhuǎn)速下的效率是不一樣的，一般來說，轉(zhuǎn)速越高，效率越低，損失的功就會增大。這意味著，達到同樣大的速度，傳動比越小，電機轉(zhuǎn)速就越低，效率就高。圖9反映了在NEDC工況下的電池SOC在i=5.7（實線所示）和i=7.5（虛線所示）的變化規(guī)律，從圖中可以看出，前者更加節(jié)能。

比較3.1與3.2的內(nèi)容，可以得出傳動比對汽車動力性和經(jīng)濟性的影響是相反的，即在一定范圍內(nèi)，提高傳動比，有利于增強動力性，但經(jīng)濟性會降低，在合理選擇傳動比時，應在滿足動力性的條件下，優(yōu)先考慮提高電動汽車的經(jīng)濟性，即選取較小的傳動比值。

4 結 論

針對電動汽車性能要求的各項指標：最高車速、加速時間、最大爬坡度、續(xù)駛里程和能量消耗率，分別計算與設計了不同的動力傳動參數(shù)，用以保證其動力性和經(jīng)濟性均滿足要求。利用仿真軟件AMESim建立了電動汽車模型，仿真結果表明了參數(shù)設計的正確性和仿真模型建立的合理性。最后對傳動系總傳動比進行了分析，結果說明，傳動比對動力性和經(jīng)濟性造成相反的影響，應在保證動力性的前提下，盡可能多地提高經(jīng)濟性，即選用一定范圍內(nèi)較小的傳動比值。

［1］郭孔輝，姜輝，張建偉.電動汽車傳動系統(tǒng)的匹配及優(yōu)化［J］.科學技術與工程，2010，10（16）：3892-3896.

［2］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］姬芬竹，高峰，吳志新.電動汽車傳動系參數(shù)設計及動力性仿真［J］.北京航空航天大學學報，2006，32（1）：109-111.

［4］查鴻山，宗志堅，劉忠途，等.純電動汽車動力匹配計算與仿真［J］.中山大學學報（自然科學版），2010，49（5）：47-50.

［5］姬芬竹，高峰.電動汽車驅(qū)動電機和傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2006，34（4）：33-37.