輕型純電特種車輛動力傳動匹配仿真

徐正軍，鄧 雷，韓世偉，吳亞渝，徐 杰，樂幫文，夏利兵，王 濤

(重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶 400050)

隨著世界經濟的向前發展，各國對裝備作戰需求開始向新能源方向拓展。特別是以美國JLTV為代表的聯合輕型特種車輛，已經開始純電驅動特種車輛研制工作，并引領歐美等國家大力向該領域發展，目前其主流的布局方式為“電動機+二檔變速器”，其動力傳動的匹配關系著整車機動性、通過性等性能[1-2]。

1 車輛概況

1.1 基本參數

純電動車輛傳動系統主要包括驅動電動機和變速裝置，其動力性主要與驅動電動機參數和變速裝置傳動比有關，因此滿足純電動汽車的動力性，應對驅動電動機參數和變速裝置傳動比進行合理匹配。以某4×4輕型純電特種車輛為例，基本參數見表1。車輛設計目標要求：最高車速不低于110 km/h，最大爬坡度不低于20°，百公里加速不超過15 s。

表1 車輛基本參數

1.2 技術思路

基本技術思路(見圖1)：梳理數學模型，包括驅動電動機匹配模型、變速傳動比匹配模型、動力輸出模型；應用MATLAB軟件進行編程，仿真分析輸出結果。

圖1 基本技術思路

2 數學模型

2.1 驅動電動機匹配

驅動電動機參數主要包括額定功率、峰值功率、額定轉矩、峰值轉矩、額定轉速、最高轉速。電動機的額定電壓與電動機的額定功率成正比，額定功率越大，額定電壓也就越大。電動機的額定電壓選擇與車輛電池的電壓有密切的關系，要選擇合適的電池組電壓和電流以滿足整車能源的需要，不過最終都是由所選取的參數來決定額定電壓。驅動電動機是電動車輛行駛的動力源，對整車的動力性有直接影響，電動機的選取要求動力性好，即要求電動機匹配滿足車輛的最高車速、最大爬坡度及加速性能的要求。其數學模型見式1[3-4]。

(1)

2.2 傳動比匹配

采用二檔變速器可以滿足電動機工作在高效區，同時滿足經濟性要求。檔位選擇原則：一檔傳動比應滿足車輛的爬坡性能，同時兼顧電動機低速工作區的效率；二檔傳動比應滿足電動汽車行駛的最高車速，同時盡量降低電動機輸入軸的轉速，兼顧電動機高轉速工況下的效率。兩檔位傳動比之間應該分配合理，保證一、二檔驅動力連續，即二檔時電動機的基速驅動力應大于等于一檔時電動機最高轉速下驅動力，其數學模型見式2。

(2)

式中，i0為主減速比；ig12為一檔傳動比上限；b為質心到后軸距離；L為軸距；φ為路面附著系數；ig11為一檔傳動比下限；ig22為二檔傳動比上限；ig21為二檔傳動比下限；Tumax為最高車速下對應轉矩。

2.3 動力輸出模型

采用汽車理論基本知識，其數學模型見式3[5]。

(3)

式中，Ts為電動機輸出轉矩；n為電動機轉速；Ft為車輛驅動力；it為總傳動比；Ff為車輛滾動阻力；Fw為車輛空氣阻力[6]。

3 參數匹配計算

3.1 驅動電動機參數匹配

根據數學模型，應用MATLAB軟件編程仿真得到電動機功率-最高車速曲線、電動機功率-爬坡度曲線、電動機功率-加速時間曲線(見圖2)[7-8]。

a) 電動機功率-最高車速曲線

b) 電動機功率-爬坡度曲線

c) 電動機功率-加速時間曲線

從圖2可知，最高車速所需功率為19.4 kW，以20 km/h速度爬20°坡時所需功率為30.31 kW，加速時間14 s所需功率為54.8 kW，綜上，取電動機峰值功率為55 kW，過載系數取2.5，額定功率為22 kW。應用MATLAB軟件編程，利用電動機轉速模型得到最高轉速-最高車速曲線、最高轉速-傳動比曲線(見圖3)，電動機的額定轉速取3 000 r/min，最高轉速取8 000 r/min。綜上，電動機匹配參數見表2。

a) 最高轉速-最高車速曲線

b) 最高轉速-傳動比曲線

表2 驅動電動機匹配參數

3.2 二檔變速器參數匹配

根據數學模型，應用MATLAB軟件編程計算得到一檔、二檔傳動比范圍：1.93≤ig1≤2.26，0.22≤ig2≤1.69。綜合考慮，選擇一檔傳動比1.98，二檔傳動比1。

4 動力性仿真分析

根據數學模型，應用MATLAB軟件編程進行車輛動力性仿真，得到車輛驅動力-行駛阻力圖、加速度-速度曲線、爬坡度-速度曲線如圖4所示。

a) 車輛驅動力-行駛阻力圖

b) 加速度-速度曲線

c) 爬坡度-速度曲線

從圖4可知，車輛最大速度約為167 km/h；一檔加速度大于二檔加速度；一檔爬坡度大于二檔爬坡度。圖中加速度、爬坡度出現負值是因車速超過了最高車速。綜上，電動機參數匹配、傳動比匹配滿足車輛設計目標要求。

5 驗證與結論

依據國家標準《汽車最高車速試驗方法》《汽車加速性能試驗方法》《汽車爬陡坡試驗方法》對實車進行動力性測試，測試數據見表3。從表3中可以看出，仿真數據與試驗測試數據基本吻合，誤差主要由試驗路面引起。

表3 試驗測試數據

根據車輛概況梳理車輛基本參數及設計目標，擬定車輛動力傳動匹配技術思路。建立驅動電動機匹配、傳動比匹配、動力輸出的數學模型；應用MATLAB軟件編程仿真計算匹配驅動電動機參數、傳動比；進一步應用MATLAB軟件進行車輛動力性仿真分析，得到驅動電動機匹配、傳動比匹配滿足車輛的設計目標要求。對車輛下一階段工程設計具有較強的指導作用，對后續的試驗測試具有一定工程價值。