基于電機效率的純電動汽車傳動系統參數匹配研究

彭鵬峰，許新權，曾潔瓊

(1.廣東工貿職業技術學院，廣東 廣州 510510；2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096)

1 引言

近年來，在國家政策的支持下純電動汽車得到了快速的發展，但續航里程短的問題依然存在。目前，提高續航里程常見的做法是增加電池數量，但是電池多勢必造成成本上揚。為提高續航里程，部分學者在整車動力系統參數匹配方面做研究，高二客等[1]以續航里程及能量消耗為優化目標，以傳動系速比為優化變量建立參數優化模型進行求解，得到最優傳動比；文獻[2]采用非線性權重粒子群算法，以整車經濟性為優化目標進行動力系統參數優化；文獻[3]通過研究不同的循環工況來優化電機參數，從而提高純電動汽車的經濟性。但是上述研究均圍繞單速變速器的純電動汽車，沒有考慮到變速器擋位對整車能耗的影響。

實際上，電機的工作區域存在高效率區和低效率區，采用單速變速器，無法實現電機長時間工作在高效率區，降低了能量利用率。為解決單檔變速器存在的問題，龔賢武等[4]將一款單擋傳動方案的純電動汽車改為兩檔變速傳動，采用遺傳算法對傳動系統的參數進行優化設計；文獻[5]依據動力性要求，提出了一種兩檔變速器動力系統匹配方法；文獻[6]對比單級變速器和兩檔變速器對整車的性能影響，結果表明使用兩檔自動變速器可提升純電動續航里程(2～3)%。然而，上述研究都是基于兩檔變速器，且傳動系統參數是采用各種優化算法確定的，在實際使用中很難操作。為探索多檔傳動系統對純電動汽車能耗的影響，首先分析了電機的工作特性，在此基礎上提出了以提高電機效率為目標的三檔傳動系統參數匹配方法；然后以某純電動汽車為研究對象，對其驅動系統進行了改動，建立了兩種整車模型，并運用所提出的方法確定各檔位傳動比；最后利用ADVISOR軟件對兩種整車模型進行了NEDC工況仿真，并對仿真結果進行對比分析。

2 電機工作特性

電機是純電動汽車唯一的動力源，將電能轉換為機械能，驅動整車行駛。然而，在能量轉換過程中，電能不能100%轉化為機械能，電機的工作效率受電機轉速和扭矩的影響。研究所用的某純電動汽車上的電機效率特性圖，如圖1所示。由圖1可見，在中等轉速、中等扭矩區域，電機的工作效率較高，最高達0.94；而在低速大扭矩和高速低扭矩區域，電機的工作效率低，最低為0.80。若能將電機高效區的轉速區間覆蓋到更廣的車速范圍，則可降低整車能耗，提高續航里程。

圖1 電機效率特性圖Fig.1 Chart of Motor Efficiency

電機的扭矩和功率隨轉速變化特性[7]，如圖2所示。在電機整個轉速范圍內，可分為恒轉矩區和恒功率區。在額定轉速以下，電機處于恒轉矩輸出狀態，但功率隨著轉速的上升逐漸增大；在額定轉速以上，電機以恒功率輸出，但扭矩逐漸減小。

圖2 電機外特性曲線Fig.2 External Characteristic Curve of Motor

3 三檔傳動系統參數匹配方法

增加變速器擋位數，可使電機高效區覆蓋的車速范圍變廣。但是，檔位數越多，變速器結構越復雜，成本也越高?；谝陨戏治?，選取檔位數為三檔。下面介紹以提高電機效率為目標的三檔傳動系統參數匹配方法，在滿足整車動力性要求下，實現電機整體工作效率達到最高。

3.1 最低檔傳動比的選取

3.1.1 傳動比取值范圍的確定

最低檔傳動比的選擇主要是用來滿足低速爬坡行駛要求[8]。此時車輛的驅動力應大于各種行駛阻力，即：式中：Ttmax—電機最大扭矩；i1—變速器處于一檔時傳動系統總傳動比；ηt—傳動系機械效率；r—車輪半徑；m—整車滿載質量；g—重力加速度；f—滾動阻力系數；a—根據整車動力性要求需滿足的最大爬坡度，通常a=arctan0.3；CD—空氣阻力系數；A—汽車迎風面積；ua—爬坡車速，通常取20km/h。

需要說明的是，傳動系統總傳動比等于變速器傳動比和主減速器傳動比之積。由于主減速器傳動比是一個固定值，為簡化分析和計算，不單獨計算變速器傳動比，文中提到的傳動比均指傳動系統總傳動比。

根據式(1)可以確定一檔傳動比的下限：

同時，車輛的最大驅動力需滿足地面附著條件的限制要求，即：

由此確定一擋傳動比的上限：

式中：φ—附著系數；Fz1—驅動輪承受的載荷，Fz1=mg?，?—前軸軸荷系數。

綜上，一檔的傳動比取值范圍為：i1min≤i1≤i1max

3.1.2 傳動比的選取

圖3 低速大扭矩工況電機效率曲線圖Fig.3 Efficiency Curves of Motor under Low Speed and Large Torque

汽車用一擋行駛時常處于低速大扭矩工況，研究所用的某純電動汽車上的電機在低速大扭矩工況下效率曲線圖，如圖3所示?？梢?，在電機扭矩恒定的情況下，電機效率基本上隨轉速的上升而提高；對于同一電機轉速而言，電機扭矩越小，效率越高。一擋傳動比越大，則同樣的車速下所需的電機轉速越高，而電機扭矩卻越小。根據低速大扭矩工況電機效率變化規律可知，電機轉速越高，電機效率越高；電機扭矩越小，電機效率也越高。因此，一擋傳動比取上限值i1max。此外，傳動比越大，車輛的驅動力越大，加速性能也越好。

3.2 最高檔傳動比的選取

3.2.1 傳動比取值范圍的確定

最高檔傳動比i3的選取應滿足最高車速的要求，即：

式中：nmax—電機最高轉速；umax—汽車最高車速；r—車輪半徑。

我國高速公路限速120km/h，車輛在高速公路行駛時常用車速為(100～120)km/h，為了使此車速區間內電機工作在高效率區，最高檔傳動比應滿足：

式中：u1—車速，取值為120 km/h；n1—電機高效區上限轉速，由電機效率特性圖確定。

同時，在車輛滿載以最高車速行駛時，驅動電機輸出的轉矩應能克服此時的行駛阻力矩，即：

根據上式確定三檔傳動比應滿足：

式中：Tt—電機速度最大時對應的電機扭矩。

綜上，最高檔傳動比取值范圍為：max(i3min1,i3min2)≤i3≤i3max

3.2.2 傳動比的選取

汽車用最高檔行駛常處于高速小扭矩工況，高速小扭矩工況電機效率曲線圖，如圖4所示?？梢?，在此工況下，電機效率隨著扭矩的增大而增大，但是隨電機轉速提高而降低。

圖4 高速小扭矩工況電機效率曲線圖Fig.4 Efficiency Curves of Motor under High Speed and Small Torque

3.3 中間擋傳動比的選取

中間檔傳動比i2的選取應保證傳動系統相鄰檔位比值小于(1.7～1.8)，否則會造成換擋困難。即：

目前，我國電動汽車綜合續航里程采用歐盟NEDC測試標準。為提高電機效率，以提升續航里程，對NEDC循環工況進行分析，NEDC工況統計圖，如圖5所示?？梢?，90%的工況車速是在70km/h以下。為使電機高效區盡可能多地覆蓋這個區間，則二檔高效區最低車速不應大于一檔高效區最高車速。為此二檔傳動比需滿足：

式中：n2—電機高效區下限轉速；

u2—一檔高效區最高車速。

綜上可確定二檔傳動比取值范圍，然后以相鄰檔位傳動比比值盡量相近為原則選取二檔傳動比數值。若i2min2不在［i1/1.7,1.7i3］范圍內，則二檔傳動比取(1.7i3+i1/1.7)/2。

圖5 NEDC工況統計圖Fig.5 Statistics of NEDC Working Condition

4 純電動汽車整車模型的建立

以市場上某緊湊型純電動汽車作為原型車，該車動力電池采用酸鐵鋰磷電池，驅動電機采用永磁同步電機，變速器為固定齒數比的單速變速器，整車主要技術參數，如表1所示。整車最高車速達130km/h，百公里加速時間小于12s，NEDC綜合續航里程為400km。為分析三檔傳動系統的降耗效果，對原型車驅動系統進行改動，建立了兩種整車模型。

表1 整車主要技術參數Tab.1 Main Technical Parameters of Vehicle

4.1 整車模型一

在不改變原車型動力系統參數的基礎上，將傳動系統由一檔改為三檔。按照前述三檔傳動系統參數匹配方法確定各檔位傳動比，并根據電機高效區轉速計算出各檔位對應的高效區車速，如表2所示。

表2 原車型三檔傳動系統匹配結果Tab.2 Matching Results of Three-Speed Transmission System of Original Vehicle

4.2 整車模型二

由于原車型采用單速傳動，為滿足最高車速和最大爬坡度的要求，必須配備大功率高速電機。而采用多檔傳動機構，可降低對電機的要求。采用較低扭矩的電機，不僅有利于電機工作效率的提高，而且可降低電機成本[9]?；诖?，在滿足整車動力性指標要求下對電機重新選型并匹配三檔傳動系統，建立第二種整車模型。

4.2.1 電機參數確定

(1)電機峰值功率

根據整車動力性能指標，純電動汽車電機峰值功率的選擇需要同時滿足最大爬坡度和百公里加速時間兩種情況的功率需求[10]。

滿足最大爬坡度所需要的功率為：

式中：ua為爬坡速度，為20km/h；a=arctanimax，imax為最大爬坡度，為30%。

滿足百公里加速時間所需要的功率為[11]

式中：δ—旋轉質量換算系數，取1.1；um—車輛原地起步加速的終止速度，為100km/h；tm—車輛加速到um所用的時間，取11s。

綜上，電機峰值功率為：Pmax=max(Pi_max,Pa_max)

(2)電機額定功率的確定

電機的額定功率一般取水平路面上最高車速的90%或者120km/h勻速運行時的電機功率[12]，此時電機所需的功率應滿足

式中：車速u—120km/h。

(3)電機轉速和轉矩的確定

電機轉速影響電機的穩定性和成本。電機轉速越高，對軸承要等部件要求越高，電機成本也越高，且過高的轉速還會增加機械損失。因此，電機轉速不宜選取過高。選取電機的最高轉速為7000r/min。

電機最高轉速與額定轉速滿足以下關系式：

式中：β—驅動電機擴大恒功率區系數，一般取(2～3)，這里取2。

電機的額定轉矩TN和峰值扭矩Tmax由以下式子確定：

式中：λ—電機的過載系數。

基于以上分析，將相關參數帶入式中計算，得到電機的各項參數，如表3所示。

表3 重新選型的電機參數Tab.3 Re-Selection of Motor Parameters

4.2.2 傳動系參數匹配

在電機參數確定以后，根據3.1～3.3傳動比的選取方法，重新匹配傳動系統參數，各檔位的傳動比和高效區車速如表4所示。根據各檔位的高效區車速，選取1檔到2檔的換擋車速為35km/h，2檔到3檔換擋車速是60km/h。

表4 電機重新選型后匹配的三檔傳動系統參數Tab.4 Three-Speed Transmission System Parameters Matched After Motor Re-selection

5 仿真分析

5.1 仿真模型的搭建與驗證

應用ADVISOR軟件搭建純電動汽車仿真模型進行整車性能仿真分析。只有仿真模型正確，仿真結果才有參考的價值。ADVISOR針對每個部件都提供了很多類型，部件類型的正確選擇與否，將直接影響仿真結果。應用原型車的參數對搭建的仿真模型進行驗證。仿真模型選用電池類型為ESS_L17，電機類型為MC_PM100_UQM，變速器類型為TX_1SPD，車輪類型為WH_SMCAR。用原型車的電池、電機、變速器等部件參數替代模型原參數，選擇新標歐洲循環工況CYC_NEDC(見圖6)進行測試，設置循環數為37個，電池SOC初始值為1。仿真結果,，如圖7所示。NEDC續航里程為400km，最高車速為130.1km/h，百公里加速時間為9.8s，與原車的性能參數相符，說明該仿真模型可用。

圖6 NEDC循環工況Fig.6 NEDC Cycle Condition

圖7 原車型參數下的整車性能仿真結果Fig.7 Simulation Results of Vehicle Performance Under Original Vehicle Parameters

5.2 仿真結果

采用NEDC循環工況，設定電池SOC初值為1，分別對整車模型一和整車模型二進行仿真，仿真結果，如表5所示。為方便比較分析，將原型車的相關數據也列入表中。

表5 仿真結果對比Tab.5 Comparison of Simulation Results

由表5可以看出，與原型車相比，模型一的續航里程增加了36.9km，最高車速提高了43.4km/h，加速時間縮短了0.1s，最大爬坡度提升了7%?？梢?，整車的動力性和經濟性都得到了提升。模型二的續航里程增加了56.5km，最高車速基本沒變，加速時間延長了2.1s，最大爬坡度降低了4.5%。雖然加速和爬坡性能有所下降，但加速時間仍在12s以內，最大爬坡度仍在30%以上，滿足整車動力性能要求，說明重新匹配的電機和傳動系統參數符合要求。

圖8 三種整車結構下電機工作點分布圖Fig.8 Distribution of Motor Working Points under Three Vehicle Structures

與原型車相比，優化后的整車模型一續航里程提高了9.2%，經換算百公里電耗降低了1.28kW·h；整車模型二的續航里程提高了14.1%，百公里電耗降低了1.87kW·h。三種整車結構在NEDC工況仿真中電機工作點分布圖，如圖8所示。電機工作點分布范圍廣，幾乎涵蓋整個電機轉速區間，電機工作點效率普遍較低，如圖8(a)所示。電機工作點基本上分布在轉速6000r/min以下的區間，位于高效區的電機工作點數量明顯增多，如圖8(b)所示。與圖8(b)相比，圖8(c)中電機工作點在縱向和橫向上分布都更廣，位于高效區及周圍的工作點數量更多；且在能量回收部分，電機工作點也由低效率區向中心高效區移動，電機總體效率更高。從上面的對比分析中可以看到，正是由于電機工作點向高效率區移動，提高了電機工作效率，從而提高了能量利用率，這也是整車續航里程得以提升的原因所在。

6 結語

在分析電機工作特性的基礎上提出了以提高電機效率為目標的純電動汽車三檔傳動系統參數匹配方法，并以某純電動汽車為研究對象進行參數匹配與仿真分析，得出的結論如下：(1)在不改變原車型動力系統參數的情況上將傳動系統由一檔傳動改為三檔傳動，整車的動力性和經濟性都得到了提升，續航里程提高了9.2%，百公里電耗降低了1.28kW·h。(2)根據整車動力性能指標要求對電機重新選型后，采用三檔傳動可以進一步提高電機能量利用率，整車續航里程提高了14.1%，百公里電耗降低了1.87kW·h。(3)根據仿真結果可知，純電動汽車采用三檔傳動有助于提升續航里程，也驗證了提出三檔傳動系統參數匹配方法的有效性。該方法操作方便、快速，可用于電動汽車開發初期傳動系參數的確定。