電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

袁 涌，姚博煒

Yuan Yong1，Yao Bowei2

（1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)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(jī)汽車經(jīng)過100多年的發(fā)展，其技術(shù)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(dòng)汽車（EV）的優(yōu)點(diǎn)恰好可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)汽車的不足，但是其包括動(dòng)力電池等關(guān)鍵技術(shù)沒有取得突破進(jìn)展，使得它的推廣受到了阻礙。因此，在動(dòng)力電池等問題上取得進(jìn)展以前，如何選擇傳動(dòng)系的參數(shù)，使得傳動(dòng)系與電池的匹配能夠最大限度地滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，一直是設(shè)計(jì)人員的追求目標(biāo)[1]。

1 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算與選擇

1.1 整車性能目標(biāo)與整車基本參數(shù)

參照國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）純電動(dòng)轎車的技術(shù)指標(biāo)，確定如表1所示的性能目標(biāo)。

表1 國家“863”電動(dòng)汽車招標(biāo)有關(guān)技術(shù)參數(shù)

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

表2 整車基本參數(shù)

1.2 動(dòng)力傳動(dòng)參數(shù)的選擇方法

在匹配電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)參數(shù)時(shí)，要使它的性能參數(shù)能夠達(dá)到表1中的要求。這些動(dòng)力傳動(dòng)參數(shù)包括以下幾個(gè)方面：電機(jī)功率P，傳動(dòng)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(huì)被多個(gè)參數(shù)所影響，但是上述3個(gè)參數(shù)的影響是最主要的。

1.3 電機(jī)的參數(shù)選擇

電機(jī)功率通常由電動(dòng)汽車的動(dòng)力性來決定，即預(yù)期最高車速行駛時(shí)所消耗的功率Pv；以某一車速爬上一定坡度時(shí)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(jī)功率。在初選電機(jī)時(shí)一般用Pv來計(jì)算電機(jī)的額定功率，然后再核算其他兩項(xiàng)，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(jī)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(dòng)阻力功率；Pw為空氣阻力功率。由于電機(jī)輸出功率低速時(shí)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(jī)功率P即為轉(zhuǎn)速的函數(shù)P（n），在傳動(dòng)比一定的情況下，電機(jī)功率是速度的函數(shù)P（v），代入公式（2），求出加速時(shí)間的表達(dá)式：

取過載系數(shù)為3，則電機(jī)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(dòng)系傳動(dòng)比的確定

傳動(dòng)比is應(yīng)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(jī)達(dá)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(jī)最高轉(zhuǎn)速；Fvmax為最高車速時(shí)的阻力；Tnmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩；Fimax為最大坡度的阻力；Tmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。由以上公式得：5.64≤ is≤8，取 is=7。

1.5 電池?cái)?shù)目的選擇

電池?cái)?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(dòng)機(jī)工作效率；ηec為電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(dòng)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(jìn)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(gè)時(shí)刻的功率曲線，然后對時(shí)間積分，就能求出一個(gè)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(gè)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(gè)電池的功率即求得電池?cái)?shù)目，綜合考慮以上3種情況，得到電池?cái)?shù)為250塊。

1.6 動(dòng)力傳動(dòng)匹配結(jié)果

表3 電動(dòng)汽車匹配參數(shù)

2 基于AMESim的電動(dòng)汽車模型的建立與仿真

2.1 電動(dòng)汽車模型的建立

在仿真軟件AMESim里建立電動(dòng)汽車整車模型，它包括若干個(gè)子模型，如電池模型、電機(jī)模型、傳動(dòng)模型、ECU模型、駕駛員模型等，如圖2所示。電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收確實(shí)能有效提高其續(xù)駛里程，但是制動(dòng)的距離與大小由駕駛員決定，是一個(gè)不確定因素，所以沒有考慮電機(jī)的發(fā)電機(jī)工況。電機(jī)的特性曲線如圖3所示。電動(dòng)機(jī)基頻對應(yīng)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(shí)線所示）輸出，由于最高轉(zhuǎn)速9000r/min遠(yuǎn)大于1400r/min，其比值大于2.5，選擇一個(gè)擋位即可，即采用固定速比[5]。

2.2 電動(dòng)汽車模型的仿真與結(jié)果

為了達(dá)到預(yù)期的最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度，駕駛員模型應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大加速度，即以最大的加速強(qiáng)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(shí)間為8.5s，50～80km/h的加速時(shí)間為13.7s，均達(dá)到表1的性能要求。

為了求出其最大爬坡度，對其進(jìn)行不同坡度值的多次試驗(yàn)，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(jìn)，不過速度非常緩慢，但理論上認(rèn)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(dòng)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(yīng)為150km，仿真時(shí)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(guān)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(fèi)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(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響因素

從上述多個(gè)公式中可以看出，影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的因素很多，如汽車質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積、電池的性能、傳動(dòng)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(dòng)系總傳動(dòng)比對汽車性能的影響，從而找到一個(gè)最佳的傳動(dòng)比，能夠兼顧動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。

3.1 傳動(dòng)比對動(dòng)力性的影響

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的功率隨轉(zhuǎn)速的變化已經(jīng)確定，不會(huì)因?yàn)閭鲃?dòng)比的大小而改變電機(jī)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(huì)改變，所以改變傳動(dòng)比是不會(huì)對最高車速有較大影響。

但是電機(jī)功率是隨著車速的改變而改變的，車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速的紐帶便是傳動(dòng)比的大小，傳動(dòng)比大小不同，同樣的轉(zhuǎn)速下的電機(jī)功率會(huì)因?yàn)檐囁俣兓?，如圖8所示。

分別對傳動(dòng)比i=5.7（實(shí)線所示）和i=7.5（虛線所示）的功率曲線進(jìn)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(diǎn)，此點(diǎn)對應(yīng)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(shí)，傳動(dòng)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(shí)間短；由于較大的傳動(dòng)比也使汽車在低速下的轉(zhuǎn)矩更大，爬坡能力強(qiáng)，故動(dòng)力性好。

3.2 傳動(dòng)比對經(jīng)濟(jì)性的影響

電機(jī)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(huì)增大。這意味著，達(dá)到同樣大的速度，傳動(dòng)比越小，電機(jī)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(shí)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(dòng)比對汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響是相反的，即在一定范圍內(nèi)，提高傳動(dòng)比，有利于增強(qiáng)動(dòng)力性，但經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低，在合理選擇傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)在滿足動(dòng)力性的條件下，優(yōu)先考慮提高電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性，即選取較小的傳動(dòng)比值。

4 結(jié) 論

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

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

［2］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］姬芬竹，高峰，吳志新.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系參數(shù)設(shè)計(jì)及動(dòng)力性仿真［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（1）：109-111.

［4］查鴻山，宗志堅(jiān)，劉忠途，等.純電動(dòng)汽車動(dòng)力匹配計(jì)算與仿真［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，49（5）：47-50.

［5］姬芬竹，高峰.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，34（4）：33-37.