超高速電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能研究?

周 凱，臧經(jīng)倫

(哈爾濱理工大學(xué)汽車電子驅(qū)動(dòng)控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心，俄亥俄州立大學(xué)汽車研究中心，哈爾濱 150080)

超高速電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能研究?

周 凱，臧經(jīng)倫

(哈爾濱理工大學(xué)汽車電子驅(qū)動(dòng)控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心，俄亥俄州立大學(xué)汽車研究中心，哈爾濱 150080)

超高速電動(dòng)汽車是為突破電動(dòng)車極限速度而研發(fā)，旨在使車輛達(dá)到400mph的速度。車輛動(dòng)力學(xué)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型和制動(dòng)系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)直接影響車輛的動(dòng)力性能。本文中采用仿真與臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方式，獲取車輛的動(dòng)力性能。結(jié)果表明，新一代超高速電動(dòng)汽車的最高時(shí)速可超過400mph。

超高速電動(dòng)汽車；動(dòng)力系統(tǒng)；傳動(dòng)系統(tǒng)；動(dòng)力性能

前言

七葉樹子彈賽車(buckeye bullet)從設(shè)計(jì)之初至今已將世界電動(dòng)汽車最高時(shí)速推至超過300mph。為此，一項(xiàng)新的賽事應(yīng)運(yùn)而生：陸地速度賽。所有為陸地速度賽設(shè)計(jì)的賽車只有一個(gè)目的，就是刷新最高時(shí)速。

第一代七葉樹子彈賽車(BB1)借鑒豐田普銳斯動(dòng)力系統(tǒng)，以鎳氫電池作為儲(chǔ)能單元，采用交流感應(yīng)電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)模式，總質(zhì)量1 700kg，最高時(shí)速可達(dá)315mph[1]。而后的幾年中，氫燃料電池的儲(chǔ)能技術(shù)逐漸成熟，第二代七葉樹子彈賽車(BB2)采用氫燃料電池作為儲(chǔ)能單元，能為車輛提供300kW的功率，該賽車沿用了第一代的動(dòng)力系統(tǒng)，只是將后輪驅(qū)動(dòng)改為前輪驅(qū)動(dòng)。由于改變了儲(chǔ)能單元并增加了額外的電源管理系統(tǒng)，整車質(zhì)量增加到2 600kg，在2009年的測(cè)速賽中獲得了303mph的最高時(shí)速[2]。因?qū)淙剂想姵氐睦靡堰_(dá)到了極限，故須尋求功率密度更高的儲(chǔ)能系統(tǒng)。近幾年，鋰離子電池的較高可靠性以及高功率密度，使其成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選。將第二代賽車儲(chǔ)能單元用鋰離子電池組替代，作為第二代與下一代賽車的過渡車型(BB2.5)，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)功率密度的增加，賽車總質(zhì)量下降到2 000kg，在2010年的測(cè)速賽中獲得了308mph的最高時(shí)速[3]。

目前，課題組開始了第三代七葉樹子彈賽車(BB3)的設(shè)計(jì)，采用全新的動(dòng)力系統(tǒng)，力爭將最高時(shí)速提高到400mph。4代七葉樹子彈賽車系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)比較

1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為達(dá)到400mph的目標(biāo)時(shí)速，車輛的結(jié)構(gòu)需要更精確的設(shè)計(jì)。第三代七葉樹子彈賽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[4-5]。

圖1 VBB3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總裝圖

該系統(tǒng)采用鋰離子動(dòng)力電池組作為儲(chǔ)能單元和四輪驅(qū)動(dòng)模式，4臺(tái)永磁同步電機(jī)和4臺(tái)三相電壓型逆變器作為動(dòng)力單元，采用雙電機(jī)串聯(lián)形式分別為前、后軸提供動(dòng)力，電機(jī)輸出軸通過離合器與兩速齒輪變速器連接，為車輪提供動(dòng)力，前、后軸傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。制動(dòng)器與齒輪變速器相連。前后兩組電池組采用并聯(lián)形式連接。動(dòng)力系統(tǒng)的能量傳遞如圖2所示。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞

駕駛員的安全是設(shè)計(jì)過程中首先要考慮的環(huán)節(jié)，駕駛艙和控制系統(tǒng)位于車輛的中間部位，使駕駛員盡量遠(yuǎn)離高壓系統(tǒng)，同時(shí)在駕駛艙內(nèi)部安裝防火系統(tǒng)和駕駛員保護(hù)系統(tǒng)。

獲得極限速度是該電動(dòng)賽車的最終目標(biāo)，因此，各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都要求達(dá)到極致，其設(shè)計(jì)涵蓋多個(gè)工程領(lǐng)域，如車體空氣動(dòng)力學(xué)、制動(dòng)與懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和冷卻系統(tǒng)熱分析，而最重要的部分便是動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)部件的集成[6-7]。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

下面分別對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中的重要部件予以闡述。

2.1 電池

A123電池組由型號(hào)為32113的圓柱形電池芯組成，大約2 000顆電池芯通過串并聯(lián)集成到8個(gè)電池組中，電池組在充放電過程中，電壓會(huì)有一定的波動(dòng)，但基本維持在750～900V，每個(gè)電池組內(nèi)分別集成有電源管理系統(tǒng)，電池組的總質(zhì)量大約占整車質(zhì)量的45%。電池組模型如圖3所示[8]。

圖3 電池組模型

對(duì)電池組中兩組20A·h電源模塊進(jìn)行放電測(cè)試，放電電流234A，放電時(shí)間80s。圖4為電源模塊熱圖像，兩組模塊經(jīng)大電流放電后，電源模塊溫度分別升至63.9和65.8℃，電池溫升滿足要求。

圖4 電池組溫升測(cè)試

2.2 電機(jī)與逆變器

電機(jī)的設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素，如整車質(zhì)量、高速運(yùn)行時(shí)車身空氣阻力、輪胎相關(guān)參數(shù)以及變速器速比等。電機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度為-40～140℃，最高運(yùn)行溫度180℃，電機(jī)質(zhì)量41.2kg，星型連接，極對(duì)數(shù)5?？傃b時(shí)，采取雙電機(jī)串聯(lián)形式，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

逆變器為三相電壓型，額定輸入直流電壓850V，控制系統(tǒng)額定電壓24V，由獨(dú)立的鉛酸電池供電?？刂破鞑捎肅AN總線通信方式，采用直接轉(zhuǎn)矩控制算法。

為保證高壓逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行，預(yù)充電路的設(shè)計(jì)十分重要，它可對(duì)逆變器中的電容起保護(hù)作用，防止瞬間大電流對(duì)其造成永久損壞，預(yù)充電路如圖6所示。

圖6 逆變器預(yù)充電路

2.3 離合器

圖7 離合器結(jié)構(gòu)和工作原理

傳統(tǒng)車輛的離合器難以滿足高速要求，因此設(shè)計(jì)了這款同步自動(dòng)離合器，離合器結(jié)構(gòu)和工作原理如圖7所示。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩從輸入軸輸入，只有當(dāng)離合器完全接合同時(shí)防轉(zhuǎn)桿與滑移件分離時(shí)，才能進(jìn)行轉(zhuǎn)矩對(duì)的傳遞，如果輸入軸轉(zhuǎn)速低于輸出軸轉(zhuǎn)速，螺旋鍵槽上的轉(zhuǎn)矩將會(huì)反向傳遞，這會(huì)導(dǎo)致滑移件從接合位置分離[9]。

2.4 制動(dòng)器

當(dāng)車輛以400mph的速度行駛時(shí)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的性能要求十分嚴(yán)格，主制動(dòng)方式為制動(dòng)傘(其作用如降落傘，即借助傘的氣動(dòng)阻力進(jìn)行制動(dòng))，但如果發(fā)生制動(dòng)傘無法打開的情況，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，因此還需增加輔助的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，以確保車輛安全。制動(dòng)器模型如圖8所示。

圖8 制動(dòng)器模型

制動(dòng)器與齒輪變速器相連，當(dāng)制動(dòng)器工作時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩將通過齒輪變速器傳遞給車輪。制動(dòng)器原則上只能應(yīng)用于車速在100mph以下的情況，如果車輛在350mph時(shí)采用機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)，制動(dòng)器將要吸收170MJ的能量，散熱器的溫度將達(dá)到1 000℃，制動(dòng)器會(huì)失去制動(dòng)性能[10]。

2.5 懸架系統(tǒng)

400mph的時(shí)速對(duì)道路車輛來說需具備極高的穩(wěn)定性，懸架的設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。VBB3采用上下等長的A支臂獨(dú)立懸架，球形連接點(diǎn)位于車輪中軸線處，用于消除主銷偏距，懸架系統(tǒng)模型如圖9所示。

圖9 懸架系統(tǒng)模型

動(dòng)力、懸架和制動(dòng)系統(tǒng)總裝如圖10所示。

圖10 動(dòng)力和制動(dòng)系統(tǒng)總裝圖

3 動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真

車輛性能仿真平臺(tái)的建立需要考慮諸多因素，主要包括以下幾部分。

(1)駕駛員行為，包括車輛加速、轉(zhuǎn)向角、加減擋以及緊急制動(dòng)。

(2)軌跡模型，能夠在超時(shí)狀態(tài)下估算車輛軌跡與速度。

(3)車輛動(dòng)力學(xué)模型，包括輪胎模型、質(zhì)心轉(zhuǎn)移模型、縱向與橫向動(dòng)力學(xué)模型和空氣動(dòng)力學(xué)模型。

(4)傳動(dòng)系統(tǒng)模型，包括電池模型、控制器模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型和電機(jī)與逆變器模型，可利用查表方式估算電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流和電壓等參數(shù)。

3.1 電機(jī)特性

由于在電機(jī)控制方面采用直接轉(zhuǎn)矩控制，因此分析電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系對(duì)車輛獲得最高時(shí)速有著重要意義。電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和效率曲線如圖11所示。

圖11 電機(jī)轉(zhuǎn)矩和效率曲線

由圖11可見，在電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，電機(jī)的效率較高，而當(dāng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)和超過額定轉(zhuǎn)速后時(shí)效率較低。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與功率曲線如圖12所示。電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，可采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式，當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，可采用恒功率控制方式。

圖12 電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率曲線

3.2 逆變器損耗

逆變器的損耗主要是功率元件開閉過程中產(chǎn)生的損耗。逆變器的損耗如圖13所示。

圖13 控制器損耗

由圖13可見，逆變器損耗與總輸入能量近似呈線性關(guān)系，逆變器的效率在98%以上。

3.3 風(fēng)阻和傳動(dòng)系統(tǒng)損耗

通常來說，風(fēng)阻與速度的平方呈正比，這意味著當(dāng)車速達(dá)到400mph時(shí)，其風(fēng)阻約為300mph時(shí)的1.8倍，風(fēng)阻和傳動(dòng)系統(tǒng)損耗如圖14所示。

圖14 風(fēng)阻和傳動(dòng)系統(tǒng)損耗

由圖14可見，當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，風(fēng)阻損耗占據(jù)主導(dǎo)，因此車輛迎風(fēng)面的設(shè)計(jì)也要求嚴(yán)格。

3.4 迎風(fēng)面的優(yōu)化

BB2與BB3迎風(fēng)面的設(shè)計(jì)如圖15所示。

圖15 BB2與BB3迎風(fēng)面設(shè)計(jì)

由圖15可見，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，第三代賽車迎風(fēng)面積減小0.14m2，這可使車輛在高速行駛時(shí)的風(fēng)阻降低16.5%。

4 系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試

動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D16所示。

圖16 動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

由于實(shí)驗(yàn)電機(jī)最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速可達(dá)10 500r/min，故保證實(shí)驗(yàn)人員的安全十分重要。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝于密閉集裝箱內(nèi)，控制室通過攝像裝置觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)室整體布局如圖17所示。

圖17 動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)以電動(dòng)方式運(yùn)行，負(fù)載電機(jī)以發(fā)電方式運(yùn)行，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，負(fù)載電機(jī)的電能通過控制器直接回饋給電源。實(shí)驗(yàn)過程中的能量傳遞如圖18所示。

圖18 能量傳遞圖

通過仿真和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式可對(duì)車輛的高速運(yùn)行性能進(jìn)行估算。也即將臺(tái)架實(shí)驗(yàn)得到的電機(jī)數(shù)據(jù)輸入仿真模型，利用動(dòng)力系統(tǒng)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型和前后軸模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)VBB3的啟動(dòng)和加速過程的仿真，結(jié)果如圖19所示。

圖19 實(shí)驗(yàn) 仿真結(jié)果

由圖19可見，BB3的實(shí)驗(yàn) 仿真結(jié)果最高車速已超過400mph。

5 結(jié)束語

由于采用了更高效、更先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)，使第三代七葉樹子彈賽車在仿真平臺(tái)上的測(cè)算速度能夠超過400mph，而在整體方案改進(jìn)的過程中，動(dòng)力系統(tǒng)性能的分析起到了決定性的作用，接下來的工作將圍繞驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略和車輛安全的方面展開，這些前期工作將會(huì)為實(shí)車路試打下良好基礎(chǔ)。

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A Research on the Structure and Performance of Powertrain in a Ultrahigh Speed Electric Vehicle

Zhou Kai＆Zang Jinglun
Ministry of Education Engineering Research Center of Automotive Electronics Drive Control and System Integration，Harbin University of Science and Technology，Center for Automotive Research，The Ohio State University，Harbin150080

Ultrahigh speed electric vehicle is developed for breaking through the extreme speed limit of electric vehicle，aiming at the target of maximum speed reaching 400mph.The models of vehicle dynamics，drivetrain and braking system directly affect the power performance of vehicle.In this paper，the way of combining simulation with bench test is adopted to obtain the power performance of vehicle.The results show that the newest generation of ultrahigh speed electric vehicle has reached a maximum speed higher than 400mph.

ultrahigh speed electric vehicle；powertrain；drivetrain；power performance

?國家留學(xué)基金資助。

原稿收到日期為2016年8月10日，修改稿收到日期為2016年9月1日。

周凱，副教授，E-mail：zhoukai4564＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.002