電動汽車驅動系統的參數設計與仿真

周振響，張琦

引言

電動汽車因其零排放、高效率、結構簡單、維修方便、操作性好等優勢成為解決上述問題的首選車型。目前，電動汽車技術還不太成熟，其主要問題是動力電池組成本高和續駛里程不理想，對驅動系統的合理設計以求各部件參數達到最佳匹配，是提高電動汽車動力性和增加續駛里程的有效手段[1]。本文是建立在傳統汽車驅動系統的基礎上，對電動汽車驅動系統的參數進行了設計方法與仿真。

1、驅動系統的基本結構布置

采用不同的電驅動系統形式總體上可分為兩種：集中驅動和車輪獨立驅動。本文研究的電動汽車電驅動結構形式是集中驅動，基本結構如圖1所示[2]。

其驅動模式與傳統汽車驅動系統的布置一致，帶有變速器和離合器，只是將發動機換成電動機，這種布置可以提高電動汽車的起動轉矩，增加低速時電動汽車的后備功率。

2、驅動系統的參數設計

電動汽車驅動系統由蓄電池組、功率轉換器、電動機、離合器、變速器、主減速器、差速器和驅動輪等主要部件組成。集中驅動是利用一個動力源通過變速器和減速器減速增扭，最后經差速器將驅動轉矩大致平均地分配給左右驅動半軸到達驅動輪，其驅動形式采用前輪驅動。驅動系統的技術參數由電動汽車動力性能指標決定[3][4]。

2.1 驅動電機參數確定

電動汽車的功率全部由電機來提供，所以電機功率的選擇須滿足汽車最高車速、加速時間和最大爬坡度等動力要求[5]。

2.1.1 滿足汽車最高車速時驅動電機的功率

車輛在水平良好路面上，以最高車速勻速行駛，坡度阻力和加速阻力為零，驅動電機輸出功率應至少為：

式中：P1為最高車速時驅動電機功率，kW；Tη為傳動系統效率；m為車輛滿載質量，kg；f為滾動阻力系數；maxu為最高行駛車速，km/h；CD為空氣阻力系數；A為車輛迎風面積，m2；g為重力加速度，9.8N/kg。

2.1.2 滿足汽車爬坡性能時驅動電機的功率

電動汽車以某一車速爬上一定坡度時，驅動電機輸出功率應至少為：

式中：P2為滿足爬坡性能時驅動電機功率，kW；α為爬坡角度， α = a rctani ，i為道路坡度； ua為爬坡時最低車速，km/h。

2.1.3 滿足汽車加速性能時驅動電機的功率

電動汽車加速過程中，所需的最大功率為加速至目標車速下的功率，忽略坡道阻力，驅動電機輸出功率應至少為：

式中：P3為滿足加速性能時驅動電機功率，kW； um為加速后期車速，km/h；δ為汽車旋轉質量換算系數；為加速后期加速度，m/s2。

電動汽車的驅動電機最大功率應該同時滿足車輛在最高車速、最大爬坡度和最大加速度時所需的功率，所以驅動電機的最大功率為：

驅動電機的額定功率為：

式中：Pe為驅動電機的額定功率，kW；λ為驅動電機的過載系數，一般取2～3。

2.1.4 驅動電機轉速的確定

式中：ne為驅動電機的額定轉速，r/min；maxn 為驅動電機的最大轉速，r/min；β為驅動電機的擴大恒功率區系數，一般取2～4。

2.1.5 驅動電機轉矩的確定

式中：Te為驅動電機的額定轉矩，N·m。驅動電機的最大轉矩為：

2.2 傳動系傳動比參數確定

在驅動電機輸出特性一定時，電動汽車傳動比的選擇依賴于整車的動力性能指標，即應該滿足汽車最高車速、最大爬坡度以及對加速時間的要求[6]。

2.2.1 最小傳動比的確定

根據驅動電機最高轉速和最高行駛車速確定最小傳動比[7]。若變速器的最高擋為直接擋時，即此擋的傳動比為 1，則最小傳動比即為主減速器的傳動比，有：

式中：0i為主減速器傳動比；minti 為傳動系最小傳動比；r為車輪滾動半徑，m。

2.2.2 最大傳動比的確定

電動汽車最大傳動比的確定，要考慮以下兩個方面的問題：最大爬坡度和附著率。電動汽車在滿足最大爬坡度的條件下，車輛的最大傳動比為：

式中：1gi為變速器I擋傳動比；maxti 為傳動系最大傳動比；maxα為車輛I擋時的最大爬坡角度；maxuα為車輛最大爬坡度時的速度，km/h。

電動汽車傳動系傳動比應滿足： itmin≤i≤itmax。

3、驅動系統設計

某款電動汽車驅動模式與傳統汽車驅動系統的布置一致，采用前輪前驅形式，其基本參數及動力性能需求如表 1所示。

表1 電動汽車基本參數和動力性能要求

3.1 驅動電機參數的選擇

驅動電機類型選取交流感應電動機。

由公式（1）～（4）計算得到驅動電機的最大功率為82.6kW；取λ=3由公式（5）得額定功率為27.5kW。由公式（6）得驅動電機最大轉速為 6000r/min，額定轉速為3000r/min。由公式（7）（8）得驅動電機最大轉矩為219.2 N·m，額定轉矩為87.7 N·m。

3.2 傳動系傳動比的選擇

本文設計的變速器為3擋，各擋以等比級數分配，且3擋為直接擋即 ig3=1，由公式（9）得主減速器傳動比i0= 5 .7；由公式（10）得1、2、3擋傳動比分別為 ig1=2.9， ig2=1.7，ig3=1。

4、仿真分析

利用ADVISOR軟件對混合動力汽車動力性能進行仿真分析。ADVISOR軟件能夠依據汽車動力系統的性能要求對一定行駛循環工況下汽車的動力性能、經濟性能和排放性能進行估算。

在UDDS工況下仿真結果如圖2至圖5所示。汽車的最高車速為 133km/h，最大爬坡度為 32%。發動機的轉速在UDDC道路工況下不斷的發生變化，汽車在加速運動時，電機能夠提供額外轉矩，而在減速情況下電機開始發電，有效的回收能量為蓄電池充電。從圖中得出，SOC呈動態變化，但波動很小，實現了充放電的平衡，滿足了設計的要求。

5、結論

驅動系統是汽車的核心組成部分，而對電動汽車更為重要，驅動系統的參數匹配將影響到電動汽車的動力性能和續駛里程等指標。通過對電動汽車驅動系統的研究，對驅動系統各主要部件的具體計算方法和基本參數的選擇進行了說明，為實現驅動系統各部件的參數達到最佳匹配提供了理論基礎。通過仿真軟件驗證了所設計驅動系統的主要參數，滿足了動力性能和經濟性的要求。

[1] 張珍,陳丁躍,劉棟.電動汽車驅動系統的參數設計及匹配[J].上海汽車,2010.

[2] 黃菊花，徐仕華，劉淑琴等.電動汽車動力參數匹配及性能仿真[J].南昌大學學報：工科版，2011，33(4)：391-394

[3] 余志生.汽車理論[M](第五版).北京：機械工業出版社,2009.

[4] 趙立軍,佟欽智.電動汽車結構與原理[M].北京：北京大學出版社,2012.

[5] 張羅曦.電動車用集成式驅動系統的研究[D].武漢理工大學,2010：1-19.

[6] 吳敏.電動汽車動力驅動系統參數優化設計及性能仿真研究[J].制造業自動化,2012，34(5)：127-141.

[7] 高樹健，陳丁躍.電動汽車驅動系統設計及性能仿真[J].吉首大學學報（自然科學報）,2012，33(4)：79-82.