純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配與仿真

景 柱，符純明，干年妃

（湖南大學(xué)新能源汽車研究中心，湖南，長(zhǎng)沙 410082）

面臨著全球能源危機(jī)的不斷逼近，各國(guó)政府和企業(yè)都投入巨大的資金研發(fā)新能源汽車。目前，純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車的成熟度還有待發(fā)展，純電動(dòng)汽車的瓶頸在于其動(dòng)力電池。動(dòng)力電池、電機(jī)參數(shù)、變速器匹配結(jié)果的優(yōu)劣決定著汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)電動(dòng)汽車的研究主要集中在動(dòng)力電池和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略兩個(gè)方面。查鴻山等從車輛動(dòng)力學(xué)出發(fā)建立電機(jī)功率計(jì)算模型，結(jié)合動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[1]；徐亞磊以電動(dòng)汽車動(dòng)力性和續(xù)駛里程為設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)元件參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]；王峰等提出了一種新型的調(diào)速電機(jī)和行星減速機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，并優(yōu)化該傳動(dòng)裝置參數(shù)以提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[3]；S. Rinderknecht等將純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)細(xì)分為輪轂驅(qū)動(dòng)、軸旁驅(qū)動(dòng)和軸中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并結(jié)合變速器進(jìn)行了匹配分析[4]。本文依托某純電動(dòng)汽車研發(fā)項(xiàng)目，對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)功率的選擇與單擋、兩擋和5擋變速器的匹配，理論計(jì)算證實(shí)采用相同功率的電機(jī)使用5擋變速器能更好地滿足動(dòng)力性要求，并運(yùn)用ADVISOR進(jìn)行5擋變速器與15 kW電機(jī)續(xù)駛里程仿真，仿真結(jié)果表明其續(xù)駛里程超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1 整車基本參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 整車參數(shù)

本項(xiàng)目研發(fā)的電動(dòng)汽車依托于傳統(tǒng)的微型車，在保留原有的懸架系統(tǒng)、換擋機(jī)構(gòu)和車架的基礎(chǔ)上，采用錳酸鋰電池作為動(dòng)力電池，永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。綜合權(quán)衡，其整車參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整車參數(shù)

1.2 動(dòng)力性指標(biāo)

根據(jù)本項(xiàng)目的市場(chǎng)定位和國(guó)標(biāo)GB/T 28382—2012標(biāo)準(zhǔn)，確定其整車動(dòng)力性指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)力性指標(biāo)

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)使電機(jī)盡可能工作在高效區(qū)，同時(shí)還需考慮電池組的峰值放電倍率。

2.1 最高車速時(shí)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率

在水平道路上以最高車速勻速行駛時(shí)忽略加速阻力[5-6]，假定風(fēng)速為0，則需電機(jī)輸出功率為

式中：P1為最高車速時(shí)驅(qū)動(dòng)功率；m為整車滿載質(zhì)量，kg；umax為最高車速，km/h；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ηt為機(jī)械傳動(dòng)效率；f(u)為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

其中[7]

根據(jù)國(guó)標(biāo)和實(shí)際需求選定車速為100 km/h，由式（2）計(jì)算得f(u)=0.015 24，由式（1）計(jì)算得P1≈13.2 kW。若車速只需滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不小于85 km/h，則可以選擇功率更小的電機(jī)。

2.2 最大爬坡度時(shí)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率

在計(jì)算最大爬坡度行駛時(shí)的所需功率，應(yīng)忽略加速阻力功率和空氣阻力功率[5-6]，其電機(jī)輸出功率為

式中：P2為最大爬坡度行駛功率；ua為爬坡時(shí)最低車速，30 km/h；i為爬坡度，20%。

由式（2）計(jì)算得f(u)≈0.012 7，由式（3）計(jì)算得P2≈26 kW。

2.3 加速性能計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率

在水平道路上，假定風(fēng)速為0，整車加速過(guò)程的末時(shí)刻為電動(dòng)汽車輸出最大功率，其加速過(guò)程所需最大功率為[8]

式中：P3為勻加速末所需的最大功率；ua為勻加速時(shí)末速度，km/h；ta為勻加速時(shí)間，s。

由國(guó)標(biāo)GB/T 28382—2012可知，0～50 km/h的加速時(shí)間不超過(guò)10 s，ta取10 s；由式（2）與式（4）計(jì)算可知 P3≈21.3 kW。

由式（1）計(jì)算可知選定電機(jī)的額定功率為15 kW，由式（3）與式（5）計(jì)算可知選定電機(jī)的峰值功率為30 kW?；跐M足實(shí)際需求和成本因素，選擇電機(jī)額定功率和峰值功率分別為15 kW和30 kW。

2.4 電機(jī)特性參數(shù)確定

參照電機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定額定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，電機(jī)的外特性控制成額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速以上恒功率，據(jù)此電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出電機(jī)外特性如圖1所示。

3 傳動(dòng)系傳動(dòng)比確定

假定電機(jī)特性與行駛條件不變，對(duì)以下4種傳動(dòng)比的變速器的使用選擇進(jìn)行動(dòng)力性分析比較。

3.1 單一傳動(dòng)比的動(dòng)力性能

為兼顧最高車速和最大爬坡度，采用固定傳動(dòng)比為6.963。其動(dòng)力與阻力平衡圖如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，最高車速能達(dá)到85 km/h，最大爬坡度只能達(dá)到12%。為了滿足爬坡性能的要求，不得不將電機(jī)功率加大到峰值45 kW，將電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到9 000 r/min。帶來(lái)的弊病是電池放電功率需要提高，減速器齒輪和潤(rùn)滑性能需要提高，還要考慮倒擋時(shí)減速器輸入軸反轉(zhuǎn)帶來(lái)的影響。

3.2 兩擋傳動(dòng)比的動(dòng)力性能

采用相同功率的電機(jī)輸入，兩擋變速器其高擋傳動(dòng)比為6.5，低擋傳動(dòng)比為10。計(jì)算得到的動(dòng)力與阻力平衡圖如圖3所示。

由圖3可知，最高車速只能達(dá)到90 km/h，最大爬坡度只能接近20%。因此，需要更高的車速和爬坡度則需更高功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同樣對(duì)電池的性能要求更高。

3.3 5擋傳動(dòng)比的動(dòng)力性能

3.3.1 15 kW電機(jī)與5擋變速器動(dòng)力性能分析

采用額定功率為15 kW的輸入，其5擋變速器最大傳動(dòng)比為3.538，最小傳動(dòng)比為0.78，倒擋速比為3.454，主減速傳動(dòng)比為3.765。此5擋變速器與15 kW電機(jī)其動(dòng)力性分析如圖4所示。由圖4可知最高車速可以達(dá)到96 km/h，最大爬坡度大大超過(guò)20%，能很好地滿足動(dòng)力性的要求。

3.3.2 11 kW電機(jī)與5擋變速器動(dòng)力性能分析

如果只需滿足最低標(biāo)準(zhǔn)車速為85 km/h的要求，則選擇電機(jī)額定功率為11 kW，其5擋變速器的最大傳動(dòng)比為5.494，最小傳動(dòng)比為1.033，倒擋速比為3.583，主減速傳動(dòng)比為4.314，此5擋變速器與11 kW電機(jī)的動(dòng)力平衡分析如圖5所示。

由圖5可知，最高車速滿足85 km/h的要求，其最大爬坡度也超過(guò)20%。采用兩擋時(shí)需電池提供30 kW的放電功率，其放電倍率約為1.28，采用5擋時(shí)滿足同樣的動(dòng)力性能只需電池提供15 kW放電功率，其放電倍率約為0.64，從而降低了對(duì)電池性能的要求。

3.4 三類變速器最高車速和最大爬坡度對(duì)比

結(jié)合以上動(dòng)力性能分析，得出15 kW電機(jī)與單擋、兩擋和5擋變速器的各自最高車速和最大爬坡度見(jiàn)表3。由表3可知，采用5擋變速器結(jié)合15 kW電機(jī)能很好地滿足爬坡度與最高車速要求，比采用單擋和兩擋其最高車速高出12.9%和6.7%，最大爬坡度約為26%。

表3 比較15 kW與不同擋位變速器動(dòng)力性

4 續(xù)駛里程仿真計(jì)算

ADVISOR是由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）開(kāi)發(fā)的一款用于電動(dòng)汽車仿真研究軟件。采用后向仿真與前向仿真相結(jié)合，但以后向仿真為主。后向仿真一般用于初期的系統(tǒng)預(yù)估，從系統(tǒng)需求出發(fā)，假定車輛按指定工況行駛，通過(guò)計(jì)算得到滿足工況要求的各個(gè)輸入變量的值[9]。

采用ADVISOR軟件原有的整車模型、電機(jī)模型、電池模型和減速器模型，按設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，采用電池的電壓為288 V，容量為70 A·h，并與5擋變速器聯(lián)合仿真，當(dāng)SOC低于30%時(shí)停止仿真。采用15 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)在50 km/h等速工況和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署EPA制動(dòng)的城市道路循環(huán)（Urban Dynamometer Driving Schedule，UDDS）工況下仿真[10-11]，其續(xù)駛里程分別為164.7 km和121 km。仿真結(jié)果表明，采用5擋變速器能很好地滿足續(xù)駛里程要求。

5 結(jié)論

本車型原配置5擋手動(dòng)變速器，在此基礎(chǔ)上，改成電動(dòng)汽車，可以獲得低成本高性能的效果，并且有利于產(chǎn)業(yè)化共線總裝，有利于持續(xù)發(fā)展。通過(guò)單擋、兩擋和5擋對(duì)比驗(yàn)證了改造的電動(dòng)汽車，使用傳統(tǒng)汽油車的變速器，是事半功倍的好途徑。

（1）使用5擋變速器其動(dòng)力性取得了令人滿意的效果，其續(xù)駛里程能達(dá)到121 km。

（2）在相同整車動(dòng)力性要求下，采用兩擋變速器則需要電機(jī)額定功率為30 kW，而5擋變速器只需將電機(jī)額定功率選為15 kW，這使電池的放電倍率由1.28降低為0.64，電池放電功率隨之降低，從而降低了對(duì)動(dòng)力電池的要求和減少了整車成本。

目前，5 擋變速器早已產(chǎn)業(yè)化，而兩擋變速器正處于研發(fā)階段，使用5 擋變速器不但能降低研發(fā)成本，還能降低對(duì)電機(jī)和電池的要求，是未來(lái)電動(dòng)汽車發(fā)展的方向。

References)

[1]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)：48-51.Zha Hongshan，Zong Zhijian，Liu Zhongtu，et al.Matching Design and Simulation of Power Train Parameters for Electrical Vehical[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2010，49(5)：48-51. (in Chinese)

[2]徐亞磊.純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型及仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.Xu Yalei. The Selection and Simulation Research of EV Drive System[D]. Wuhan：Wuhan University of Technology，2012. (in Chinese)

[3]王峰，方宗德，祝小元.純電動(dòng)汽車新型動(dòng)力傳動(dòng)裝置的匹配仿真與優(yōu)化[J].汽車工程，2011，33(9)：805-807.Wang Feng，F(xiàn)ang Zongde，Zhu Xiaoyuan. Matching，Simulation and Optimization of the New Power Transmission Device for an Electric Vehicle[J]. Automotive Engineering，2011，33(9)：805-807. (in Chinese)

[4]RINDERKNECHT S，MEIER T. Electric Power Train Configurations and Their Transmission Systems[C].International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion，2010：1564-1568.

[5]劉清虎，郭孔輝.動(dòng)力參數(shù)的選擇對(duì)純電動(dòng)汽車性能的影響[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，30(3)：62-64.Liu Qinghu，Guo Konghui. The Choice of Dynamic Parameters of the Performance of Electric Vehicle Influence[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences)，2003，30(3)：62-64. (in Chinese)

[6]曾虎，黃菊花.純電動(dòng)汽車的電機(jī)與變速器匹配[J]，裝備制造技術(shù)，2010(2)：40-42.Zeng Hu，Huang Juhua. The Matching of EV between the Motor and the Transmission[J].Equipment Manufacturing Technology，2010 (2)：40-42.(in Chinese)

[7]Huang Wei，Wang Yaonan，F(xiàn)eng Kun. Development of a Two-Speed Automatic Transmission for Pure Electric Vehicles [J].Automotive Safety and Energy，2011，2(1)：72-76.

[8]熊明潔，胡國(guó)強(qiáng)，閔建平.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇與匹配[J]. 汽車工程師，2011(5)：36-38.Xiong Mingjie，Hu Guoqiang，Min Jianping. Selecting and Matching on Power Train Parameters of Pure Electric Vehicles[J].Auto Engineer，2011(5)：36-38. (in Chinese)

[9]黃妙華，陳飚，陳勝金.電動(dòng)汽車仿真結(jié)構(gòu)比較[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(3)：66-69.Huang Miaohua，Chen Biao，Chen Shengjin. Comparison of Simulation Structures in Electrics in Electric Vehicle[J].Journal of Wuhan University of Technology，2005，27(3)：66-69.(in Chinese).

[10]MARKEL T，BROOKER A，HENDRICKS T，et al. ADVISOR：a Systems Analysis Tool for Advanced Vehicle Modeling[J]. Journal of Power Sources，2002(110)：255-266.

[11]WIPKE K B，CUDDY M R，BURCH S D. ADVISOR 2.1：A User-Friendly Advanced Powertrain Simulation Using a Combined Backward/Forward Approach[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1999，48(6)：1751-1761.