基于動力性的純電動專用車輛傳動系統匹配仿真

袁 新

(四川工業科技學院,四川 德陽 618500)

0 引言

隨著純電動汽車相關技術的不斷發展,對純電動汽車的各項使用性能要求也日益提升[1-2],特別是在純電動汽車動力性及續航里程方面存在的一些問題,在一定程度上制約著純電動汽車的發展,在純電動專用車輛方面也同樣如此[3-5]。因此,本文根據某純電動專用車輛設計參數和性能要求,對目標車輛電機及傳動系統等動力系統參數進行分析與匹配,以求提高車輛動力性,達到設計要求。

1 純電動專用車輛的基本參數

1.1 純電動專用車輛的技術參數

根據某純電動專用車輛的設計要求,其設計參數如表1所示。

表1 純電動專用車輛的設計參數

1.2 純電動專用車輛的性能指標

根據某純電動專用車輛設計用途,要求其動力性指標要求如表2所示。

2 驅動電機參數匹配

2.1 建立驅動電機匹配數學模型

驅動電機作為純電動汽車的動力源,對整車動力性有著至關重要的作用[6]。通常電機功率參數匹配可依據最高車速、最大爬坡度和加速性能等指標確定。

1)根據純電動專用車輛最高車速確定電機功率Pm1。電機的額定功率應滿足汽車以最高車速在水平道路行駛時滾動阻力和空氣阻力所消耗的功率之和

(1)

式中,m為整車質量,kg;f為滾動助力系數;CD為風阻系數;A為迎風面面積,m2;vmax為最高車速,km/h;ηT為傳動效率。

2)根據純電動專用車輛最大爬坡度確定電機功率Pm2。電機的額定功率應滿足汽車以最低擋勻速爬上最大坡度時滾動阻力、空氣阻力和坡道阻力所消耗的功率之和

(2)

式中,vp為爬坡速度,km/h;αmax為最大爬坡角度,(°)。

3)根據純電動專用車輛加速性能確定電機功率Pm3。電機的額定功率應滿足汽車以在水平道路加速行駛時滾動阻力、空氣阻力和加速阻力所消耗的功率之和

(3)

式中,ve為加速終了時的車速,km/h;δ為旋轉質量換算系數;te為加速時間,s。

電機額定功率必須滿足車輛最高車速要求,峰值功率應同時滿足動力性三大指標要求。因此,電機額定功率Pe和峰值功率Pemax分別為

Pe≥Pm1

(4)

Pemax≥max(Pm1,Pm2,Pm3)

(5)

電機峰值功率與額定功率關系為

Pemax=λPe

(6)

式中,λ為電機過載系數,取值范圍2～3,本文取2.5。

4)純電動專用車輛最高車速vmax與電機最高轉速nmax關系為

(7)

式中,imax為最大傳動比;r為輪胎滾動半徑,m。

電機額定轉速ne為

(8)

式中,β為電機的擴大恒功率區系數,取值范圍2～4。

電機額定轉矩Te為

(9)

電機峰值轉矩Temax為

(10)

2.2 基于MATLAB的驅動電機參數匹配

利用驅動電機功率和轉速數學模型,分別編寫驅動電機功率及轉速匹配的MATLAB程序。分別運行相關程序將得到以下數據。

圖1為電機功率-最高車速曲線。可見,最高車速在120 km/h時所需的電機功率為28.62 kW。

圖1 電機功率-最高車速曲線

圖2為不同爬坡速度下的電機功率-爬坡度曲線。可見,爬坡速度越高,所需電機功率越大,故以較低車速下爬坡能力確定所需電機功率。得出,最低爬坡速度20 km/h爬20°坡時所需的電機功率為34.13 kW。

圖2 電機功率-爬坡度曲線

圖3為電機功率-加速時間曲線。可見加速時間為15 s時所需的電機功率為58.47 kW。

圖3 電機功率-加速時間曲線

因此,選用電機類型為永磁同步電機,峰值功率取60 kW,過載系數取2.5,額定功率為24 kW。

圖4為電機最高轉速-最高車速曲線。圖5為電機最高轉速-傳動比曲線。可見,最高車速越高、傳動比越大,電機最高轉速越高。綜合分析,電機的最高轉速為8 000 r/min,額定轉速為3 000 r/min。

圖4 電機最高轉速-最高車速曲線

圖5 電機最高轉速-傳動比曲線

根據式(9)可得電機額定轉矩為76.4 N·m,根據式(10)可得電機的峰值轉矩為225 N·m。電機電壓選擇345 V。綜上所述,驅動電機匹配參數見表3。

表3 驅動電機匹配參數

3 二擋變速器參數匹配

在驅動電機輸出性能一定的前提下,傳動比的選擇主要取決于電動汽車的動力性[7]。驅動電機的外特性具有低速區恒轉矩輸出,高速區恒功率輸出的特征[8]。驅動電機較寬的工作范圍,適合電動汽車的運行,因此在變速器的匹配上,并不需要設置過多擋位[9]。為滿足電機工作于高效區域,且不必增加變速器的結構復雜性,因此選擇II擋變速器,這樣不僅可以控制成本,簡化操作,同時還能滿足電動汽車經濟性的要求。

3.1 建立二擋變速器的傳動比匹配數學模型

變速器傳動比的確定,主要受車輛動力性指標來確定[10]。I擋傳動比的選擇既要滿足動力性爬坡要求,又要兼顧電機低速區工作效率,同時,I擋驅動時的最大驅動力又應小于或等于驅動力的附著力。所以,I擋傳動比的上限應滿足

(11)

式中,i0為主減速器傳動比;ig12為變速器Ⅰ檔傳動比上限;r為輪胎滾動半徑,m;b為汽車質心到后軸的距離,m;L為軸距,m;φ為道路附著系數。

I擋傳動比的下限應滿足

(12)

式中,ig11為變速器I擋傳動比上限。

Ⅱ擋傳動比的選擇既要滿足電動汽車行駛的最高車速,同時也要盡可能地降低驅動電機轉速,兼顧電機高速工況下的效率,所以Ⅱ擋傳動比的上限應滿足

(13)

式中,ig22為變速器II擋傳動比上限。

Ⅱ擋傳動比的下限應滿足

(14)

式中,ig21為變速器Ⅱ擋傳動比上限;Tumax為最高車速對應的輸出轉矩,N·m。

為保證在換擋時動力輸出的連續性,避免由于換擋時的動力中斷影響駕駛體驗,II擋時電機基速下的驅動力應滿足以下要求

(15)

3.2 基于MATLAB的二擋變速器傳動比匹配

利用變速器傳動比匹配數學模型,編寫變速器傳動比匹配的MATLAB程序。運行相關程序將得到數據如下:I擋傳動比范圍為1.91≤ig1≤2.23;Ⅱ擋傳動比范圍為0.27≤ig2≤1.75。綜合考慮,選擇I擋傳動比為1.98,Ⅱ擋傳動比為1。

4 純電動專用車輛動力性仿真

4.1 建立純電動專用車輛動力性數學模型

根據驅動電機輸出特性,其電機輸出轉矩與轉速關系為

Ts=Temax(n≤ne)

(16)

(17)

式中,Ts為電機輸出轉矩,N·m;ne為電機轉速,r/min。

加速度為

(18)

式中,Ft為驅動力,N,Ff為滾動阻力,N,Fw為空氣阻力,N。

最大爬坡度為

(19)

4.2 基于MATLAB的純電動專用車輛動力性仿真分析

4.2.1 建立純電動專用車輛動力性模型

根據純電動專用車輛動力性數學模型,基于MATLAB/simulink建立了整車模型,如圖6所示。

圖6 純電動專用車輛動力性仿真模型

4.2.2 純電動專用車輛動力性仿真分析

運行純電動專用車輛動力性,可得到二擋變速器純電動專用車輛驅動力-行駛阻力平衡圖,如圖7所示,當變速器處于Ⅱ擋時,其行駛車速最高,最高車速約為159.2 km/h。二擋變速器純電動專用車輛加速度曲線如圖8所示,當變速器處于I擋時,其加速度最大,最大加速度約為3.044 m/s2。二擋變速器純電動專用車輛爬坡度曲線如圖9所示,當變速器處于I擋時,其爬坡度最大,最大爬坡度約為36.4%。

圖7 純電動專用車輛驅動力-行駛阻力平衡圖

圖8 純電動專用車輛加速度曲線

圖9 純電動專用車輛爬坡度曲線

5 結論

本文研究純電動專用車輛電機與傳統機械結構的參數進行合理匹配這一技術熱點問題,根據設計目標,完成電機各項參數匹配,匹配參數如表3,并匹配出變速器兩個擋位傳動比(I擋傳動比為1.98,II擋傳動比為1)。因此,基于MATLAB軟件建立整車模型,并進行性能分析以及對其傳動系統匹配仿真的方法可行,對研究兩擋變速器對提高純電動專用車輛動力性具有實際意義。

本文探索純電動專用車輛的simulink仿真模型的基本規律和有效方法,分析不同傳動系統對于車輛動力性的影響,為純電動專用車輛的傳動系統優化與升級提供了理論依據。