純電動物流車驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究

徐克， 陳子順， 劉芳， 石文豪

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300130；2.天津市河?xùn)|區(qū)職工大學(xué)，天津 300130）

關(guān)鍵字：純電動汽車；驅(qū)動系統(tǒng)；匹配設(shè)計；模擬仿真；驅(qū)動控制系統(tǒng)

0 引言

目前，環(huán)境污染和能源危機已經(jīng)促使汽車行業(yè)向清潔、高效和可持續(xù)的方向發(fā)展。電動汽車憑借其節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢被認(rèn)為是未來交通的唯一長遠(yuǎn)解決方案[1]。在驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)過程中，應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，不僅可以節(jié)約成本和縮短周期，而且能取得事半功倍的效果。本文以某企業(yè)的純電動物流車開發(fā)為例，根據(jù)整車設(shè)計性能指標(biāo)確定驅(qū)動電動機、動力電池和傳動系傳動比的參數(shù)。然后通過計算機仿真技術(shù)驗證匹配結(jié)果的合理性。最后，根據(jù)各部件控制原理，設(shè)計整車驅(qū)動控制系統(tǒng)[2-4]和CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)，從而形成了一套完善的驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)流程。

表1 整車基本參數(shù)

表2 整車設(shè)計性能指標(biāo)

1 電驅(qū)動系統(tǒng)的選型及匹配計算

1.1 整車基本參數(shù)及設(shè)計性能要求

根據(jù)市場調(diào)研、分析對標(biāo)車型及企業(yè)現(xiàn)有條件，設(shè)定研發(fā)的物流車整車基本參數(shù)如表1所示，物流車設(shè)計性能參數(shù)如表2所示。

1.2 驅(qū)動電動機選型及參數(shù)匹配

經(jīng)研究分析，當(dāng)前純電動汽車上驅(qū)動電動機主要有永磁電動機和感應(yīng)電動機。相比感應(yīng)電動機，永磁電動機具有能量密度高、效率高、體積小和響應(yīng)快等特點，更適用于純電動汽車[5-6]。

作為電動汽車上的動力源，驅(qū)動電動機對電動汽車的動力性能影響較大，驅(qū)動電動機的參數(shù)匹配包括電動機的峰值功率和額定功率、電動機的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速等。

1）驅(qū)動電動機功率匹配。根據(jù)整車設(shè)計性能指標(biāo)最高車速vmax≥100 km/h的要求，電動機需求功率p0由功率平衡方程變形可得：

式中：ηt=95%為機械傳動效率；G為整車的半載重量；f為滾動阻力系數(shù)；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A為整車迎風(fēng)面積。代入數(shù)據(jù)得p0=79.6 kW。

根據(jù)整車性能指標(biāo)，當(dāng)車速va=20 km/h時，最大爬坡度αmax≥25%的要求，電動機需求功率p1由功率平衡方程變形可得：

式中：G1為車的滿載質(zhì)量。代入數(shù)據(jù)得p1=95.89 kW。

根據(jù)整車性能設(shè)計指標(biāo)0～50 km/h的加速時間ta≤14 s的要求，電動機需求功率p2由功率平衡方程變形可得：

式中：δ=1.1為質(zhì)量換算系數(shù)；m為整備質(zhì)量；ve為整車的常規(guī)車速；ρa為常溫下空氣密度。代入數(shù)據(jù)得p2=67.14 kW。

電動機的額定功率應(yīng)當(dāng)滿足車輛最高車速vmax=100 km/h時，需求的電動機功率，因此電動機額定功率pe≥80 kW。根據(jù)電動機外特性，電動機的過載系數(shù)約為1.3～2.0（峰值功率與額定功率之比），因此峰值功率pmax為104～160 kW，且pmax≥（p0，p1，p2）。

2）驅(qū)動電動機峰值轉(zhuǎn)矩及主減速器速比選型。由分析可知，驅(qū)動電動機輸出的峰值轉(zhuǎn)矩Tmax1需滿足峰值轉(zhuǎn)矩乘以傳動比i0大于汽車以一定車速爬最大坡度時受到的阻力矩，且在最高車速行駛時，輸出的轉(zhuǎn)矩Tmax2乘以傳動比i0大于以最高車速行駛時受到的阻力矩。因此根據(jù)整車最高車速vmax≥100 km/h、最大爬坡度α≥25%的設(shè)計指標(biāo)，可得主減速器速比與電動機的峰值轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)速的關(guān)系:

式中，r為輪胎的半徑。

繪制圖譜如圖1所示。

圖1 電動機峰值轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)速曲線

由圖1可知，驅(qū)動電動機的峰值轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)速與主減速器的速比的取值密切相關(guān)，建議根據(jù)現(xiàn)有減速器廠家資源，對照圖1進(jìn)行反推，即可得到驅(qū)動電動機需求的最低峰值轉(zhuǎn)速及峰值轉(zhuǎn)矩。例如，減速器廠家現(xiàn)有產(chǎn)品速比為6，則所需求電動機峰值轉(zhuǎn)矩不小于808.4 N·m,電動機峰值轉(zhuǎn)速不小于4233 r/min,峰值轉(zhuǎn)矩越大則爬坡及加速性能越好，峰值轉(zhuǎn)速越高則最高車速越高[7]。

綜上所述，物流車仍使用現(xiàn)有的主減速器，減速比為i=5.37，代入式（4）和式（5）可得：nmax≥3800，T≥1250 N·m。

根據(jù)目前對國內(nèi)驅(qū)動電動機市場的調(diào)研，選擇廈門某企業(yè)的永磁同步電動機并匹配電動機控制器。該款電動機具體參數(shù)如表3所示，電動機和電動機控制器的實物如圖2所示。

表3 永磁同步電動機參數(shù)

1.3 動力電池選型及參數(shù)匹配

動力電池作為純電動汽車所有能量消耗的唯一來源，因此動力電池的性能參數(shù)都會影響整車的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能。動力電池的性能參數(shù)主要有電芯的能量密度、電池組個數(shù)和電池組容量等。

1）匹配電池單體個數(shù)。選擇三元鋰電池作為動力電池的電芯，三元鋰電池的單體標(biāo)稱電壓為3.6 V,單體容量為2.2 A·h。參考市場上的對標(biāo)車型，選擇電動汽車的電壓等級為540 V。由于電池單體標(biāo)稱電壓V0為3.6 V，根據(jù)式（8）可計算出單體個數(shù)為150個，初步選擇150節(jié)單體電池串聯(lián)方案。

2）匹配電池組容量。根據(jù)40 km/h等速行駛190 km的續(xù)駛里程要求來計算動力電池組的容量（整車機械傳動效率ηt為0.95），等速v0=40 km/h行駛電動機需求功率pmot由式（9）計算：

純電動汽車等速行駛工況下所消耗的能量可由電動機消耗功率pmot沿時間方向的積分獲得（整車傳動效率ηe為0.92）：

低壓附件電器平均消耗功率plow設(shè)計為800 W（空調(diào)、雨刷、音響等用電設(shè)備不開的情況下）左右，等速40 km/h等速行駛190 km所消耗的電池電量（電池+DC/DC效率按0.95）為

分析可知，等速40 km/h行駛190 km則需要68.8 kW·h電量（電池電動機效率），同時考慮到電池實際使用過程中的安全限值（按放電深度90%計算）以及生命周期過程中的容量衰減特性，電池電量應(yīng)為77 kW·h，可得容量C為

式中：ξDOD為電池放電深度；ηb為電池放電效率。

綜合以上結(jié)果，選擇天津某企業(yè)的型號為M5328145D1鎳鈷錳酸鋰電池。該款電池的具體參數(shù)如表4所示。

表4 鎳鈷錳酸鋰電池參數(shù)

2 基于CRUISE的動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真

2.1 整車聯(lián)合仿真模型的建立

圖2 整車聯(lián)合仿真模型

根據(jù)整車的功率流向及中置后驅(qū)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，搭建如圖2所示的整車聯(lián)合仿真模型。模型采用了Cruise_MATLAB DLL聯(lián)合仿真，該方法是通過SIMULINK的RTW生成動態(tài)鏈接庫（DLL）文件并集成到CRUISE中進(jìn)行耦合仿真[9-10]。Cruise_MATLAB DLL聯(lián)合仿真的主要優(yōu)點便于使用者進(jìn)行復(fù)雜控制策略的制定。

2.2 功能模塊參數(shù)的輸入

首先分別將表1、表3、表4里面的參數(shù)輸入到車身功能模塊、驅(qū)動電動機功能模塊、電池功能模塊里相對應(yīng)的位置，完成參數(shù)的輸入。

2.3 設(shè)計計算任務(wù)

根據(jù)整車性能設(shè)計指標(biāo)，本次仿真設(shè)置了NEDC循環(huán)工況、爬坡性能分析、等速40 km/h穩(wěn)態(tài)行駛性能、0～50 km/h原地起步加速性能、最高車速分析共五個計算任務(wù)。

2.4 分析仿真結(jié)果

2.4.1 動力性仿真結(jié)果分析

如圖3所示，整車在30 min內(nèi)維持最高車速100 km/h運行時，驅(qū)動電動機的功率維持在70 kW·h。0～50 km/h的加速時間是5.7 s，車速為20 km/h時，最大爬坡度為28%。

圖3 動力性仿真結(jié)果

2.4.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果分析

如圖4所示，整車的等速40 km/h工況和NEDC工況的續(xù)駛里程分別為202 km和137 km。

圖4 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

2.4.3 結(jié)果對比

設(shè)計性能指標(biāo)與仿真對比如表5所示。

綜上所述，選定的驅(qū)動電動機和動力電池的參數(shù)滿足整車設(shè)計性能指標(biāo)。

表5 結(jié)果對比

3 驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)原理

完成驅(qū)動部件參數(shù)設(shè)計及選型之后，兼顧汽車的啟停性能、輔助部件可靠性、整車電安全和傳統(tǒng)車的操作流程，設(shè)計如圖5所示的整車驅(qū)動控制原理圖，其中低壓部件由24 V蓄電池供電。

圖中低壓部件主要包括各種控制器（VCU、MCU、DC/AC、DC/DC）、冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇、照明系統(tǒng)、檔位器、剎車踏板，高壓部分為驅(qū)動電動機、轉(zhuǎn)向油泵、打氣泵（制動采用氣動剎車）等。

圖5 整車驅(qū)動系統(tǒng)控制原理圖

1）初始化。首先閉合蓄電池機械開關(guān)（防止蓄電池自放電，造成車輛無法啟動），啟動電池管理系統(tǒng)（BMS）,BMS系統(tǒng)完成自檢后吸合高壓總負(fù)繼電器。其次，點火開關(guān)由OOF檔轉(zhuǎn)到ACC檔時，VCU接入低壓蓄電池的24 V電完成啟動，VCU完成自檢后，吸合低壓主繼電器，此時整車實現(xiàn)的功能主要有：a.VCU能通過接受的駕駛員意圖發(fā)出相應(yīng)控制指令，控制冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇和照面系統(tǒng)等低壓部件正常工作。b.DC/DC控制器正常工作，將動力電池輸出的540 V直流高壓轉(zhuǎn)換成24 V直流低壓給低壓蓄電池充電。c.啟動氣壓傳感器和加速踏板，采集氣壓傳感器的壓力值等。最后，點火開關(guān)由ACC檔轉(zhuǎn)到ON檔時，蓄電池供電，啟動檔位器和剎車踏板，從而實現(xiàn)踩剎車才能換擋的功能。VCU吸合高壓總負(fù)繼電器和預(yù)充電接觸器，完成對電動機控制器、DC/AC、DC/DC等容性負(fù)載預(yù)充電（避免電容短路電流過大，擊穿電容）。當(dāng)MCU檢測到端電壓為540 V,預(yù)充電完成，VUC斷開預(yù)充電接觸器，吸合主驅(qū)動接觸器，完成高壓部件的上電。此時整車實現(xiàn)的主要功能有：可以啟動空調(diào)壓縮機，可以啟動轉(zhuǎn)向助力油泵，可以啟動打氣泵工作等。

2）行車控制。當(dāng)點火開關(guān)位于START時，儀表顯示Ready信號，車輛進(jìn)入啟動狀態(tài)。VCU采集加速踏板和制動踏板的角度信號并根據(jù)檔位狀態(tài)，經(jīng)過VCU的驅(qū)動控制策略的處理得到需求的電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并將需求轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過動力總線傳輸?shù)組CU控制電動機實現(xiàn)需求目標(biāo)，實現(xiàn)對車輛運行的控制。其中，在車輛的整個運行過程中，BMS對電池組放電進(jìn)行均衡管理，并通過整車CAN將單體電池的電壓、電流和溫度反饋到組合儀表中。

3.2 整車CAN總線通信設(shè)計

圖6 整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network,CAN）的簡稱，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線相比，CAN總線具有簡單可靠，節(jié)約空間，輕量化等突出優(yōu)點，與目前常用的LIN總線相比，其特點在于傳輸速率高[11-12]。

根據(jù)整車通信原理，設(shè)計開發(fā)的整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示，整車采用雙CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，分別是連著整車控制器（VCU）與電動機控制器（MCU）的動力CAN總線（CAN0）以及連接整車控制器（VCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儀表控制器、空調(diào)控制器、充電動機、制動DC/AC、轉(zhuǎn)向DC/AC和DC/DC的車身CAN網(wǎng)絡(luò)（CAN1）。

其中，CAN總線通信電纜采用屏蔽雙絞線，且所用通信電纜盡量離開動力線（0.5 m）、離開24 V控制線（0.1 m以上）。為了提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的拓?fù)淠芰Γ谕ㄐ烹娎|中的信號反射。根據(jù)CAN總線ISO11898協(xié)議規(guī)定，CAN總線必須在網(wǎng)絡(luò)的兩端之間安裝合適的總線終端電阻，通常是網(wǎng)絡(luò)主控制器和網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)端的節(jié)點之間安裝合適的總線終端電阻。如圖6所示，兩網(wǎng)段總線120 Ω的終端電阻分別定在整車控制器和電動機控制器（動力CAN0）以及整車控制器和儀表控制器上（車身CAN1），其他節(jié)點均不加終端電阻。整車控制器作為網(wǎng)關(guān)。兩路CAN總線的通信波特率均為250 kB/s。

4 結(jié)論

通過對常用的驅(qū)動電動機和動力電池的不同類型的比較，為驅(qū)動系統(tǒng)選擇永磁同步電動機和三元鋰電池并根據(jù)設(shè)計性能指標(biāo)完成其參數(shù)匹配，并將電動機、電池以及整車參數(shù)輸入到CRUISE中，對動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果滿足整車性能設(shè)計指標(biāo)，驗證電動機和電池參數(shù)匹配的正確性。根據(jù)輔助部件控制原理兼顧汽車的啟停性能、輔助部件可靠性及整車電安全，設(shè)計了驅(qū)動控制系統(tǒng)，闡述了其控制原理和控制流程并設(shè)計整車CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)。