純電動汽車動力系統參數匹配與性能仿真

2019-01-16 06:24:00陶小松王鵬陳樂

山東交通學院學報 2018年4期

陶小松，王鵬，陳樂

(長安大學汽車學院，陜西西安 710064)

純電動汽車動力系統是涉及多學科的復雜系統，主要由動力電池、驅動電機和傳動系統組成。純電動汽車動力性的評價指標有最高車速、加速時間和爬坡能力，經濟性的評價指標有能量消耗率和續駛里程。研究表明：動力系統參數的變化對純電動汽車的性能有很大影響，要提高整車性能，必須解決動力系統參數的合理匹配問題[1]。純電動汽車動力性和經濟性易受其驅動電動機轉速與轉矩特性、動力電池放電特性和傳動系統參數等的影響，因此，動力電池、驅動電機和傳動系統等參數的確定以及他們之間的合理匹配至關重要。

本文根據純電動汽車的整車性能參數要求，對純電動汽車的動力電池、驅動電機進行選型，設計動力傳動系統；利用AMESim仿真軟件建立純電動汽車驅動電機、動力電池和傳動系的模型，連接調試形成最終的動力系統仿真模型；根據仿真結果對純電動汽車傳動系參數進行調校，以得到能夠滿足純電動汽車動力性能和續駛里程要求的動力系統匹配方案。

1 動力系統參數匹配及選型

1.1 整車參數及性能要求

整車性能參數指標反映所設計車輛的性能優劣。在動力系統匹配設計時往往會將關鍵技術參數向較好的趨勢靠近，這使得匹配結果有可能優于指標要求。本文將純電動汽車定位為跑車，對于其加速性能和最高車速要求較高。整車參數和性能要求包括整車結構參數和整車性能指標[2]，具體數值如表1、2所示。

表1 整車結構參數

表2 整車性能指標

由表2可以看出，整車加速性能和續駛里程指標要求較高，因此選擇驅動電機和動力電池時應該充分考慮其性能是否能夠滿足整車性能指標的要求。

1.2 驅動電機

驅動電機作為純電動汽車唯一的動力來源，其各項參數的優劣直接影響整車的動力性和經濟性。要求驅動電機在運行過程中阻力小、效率高、調速范圍寬、轉矩響應迅速以及過載能力強，電機的尺寸應盡可能小，質量輕，運行噪聲小[3]。

電機參數主要有：額定功率、峰值功率、額定轉速、最大轉速、額定轉矩和最大轉矩[4]。在設計電動機參數時，需要考慮最高車速、加速能力和過載能力幾個方面[5]。

1.2.1 電機功率

1)峰值功率

由汽車動力學理論可知，驅動電機的峰值功率應大于電動汽車加速時需求的功率，同時應滿足最高車速和最大爬坡所需的功率[6]，即：

Pmax≥max{Pemax，Pamax，Pcmax}，

計算得：Pemax=42.36 kW，Pamax=55.22 kW ，滿足車輛0～50、0～100 km/h的加速時間所需的功率分別為Pcmax1=266.97 kW、Pcmax2=317.83 kW，所以取驅動電機的峰值功率Pmax=320 kW。

2)額定功率

當電機功率為額定功率的70%～85%時，電機運行效率最高，要求驅動電機在高效率功率范圍能長時間運行[7]。驅動電機的額定功率不能小于車輛最高車速時的需求功率。因此在前、后車橋處各設置一個電機，單個電機額定功率為60 kW，峰值功率為160 kW。

1.2.2 最高轉速和額定轉速

驅動電機的最高轉速在滿足最高車速要求的前提下不應過高，轉速過高會增加電機的制造工藝難度，從而增加成本。由于本車型對車速要求較高，所以選用高速電機。普通高速電動機的轉速為10 000～15 000 r/min[8]，最高轉速初步設定為12 000 r/min。有

β=nmax/nb,

式中：β為恒功率區系數，取β=2.3；nmax為電機最高轉速；nb為電機額定轉速。

計算得nb=5 217 r/min。

1.2.3 額定扭矩與峰值扭矩

由電機的額定功率、峰值功率及額定轉速計算得到驅動電機的額定扭矩為109.8 N·m，峰值扭矩為292.9 N·m。峰值扭矩不僅需要滿足車輛低速加速性能和爬坡能力要求，而且應具有一定的后備扭矩，即峰值扭矩應大于實際需求扭矩，初步設定峰值扭矩為310 N·m。

1.2.4 電機選型

根據計算的驅動電機參數，選擇某型內置式永磁同步電機,電機具體參數如表3所示。

表3 電機參數

1.3 動力電池

動力電池作為電動汽車的能量儲存裝置，是電動汽車的核心部件，其性能的優劣直接影響電動汽車的續駛里程。鋰離子電池有突出的優點，本設計采用三元鋰電池，其電芯參數見表4。

表4 動力電池參數

由表4可以看出，所選電池的電芯容量大、能量密度高，能滿足所匹配車輛長續航的要求。

單組電池數目由驅動電機額定電壓確定，電池組數目由續航里程和單體電池容量確定。為保護電池不至于過度放電而損壞，延長電池壽命，一般設置放電深度為80%左右。

1)單組電池數目

單組電池數目N=96。

2)電池組數目

電池組數目為

n=1 000sW/(0.87c1V1N)，

式中：W為行駛1 km所消耗的能量，W·h，取W=180 W·h；c1為單體電池容量；V1為單體電池電壓。

計算得n=9。

1.4 傳動系統參數設計

電動汽車傳動系統的參數主要是傳動比及傳動效率，傳動比包含變速器傳動比和主減速器傳動比。電動汽車一般有單擋傳動和兩擋變速器傳動。對于高性能純電動汽車可以選擇兩擋變速器來滿足高速和加速行駛的要求。如果主減速器能夠滿足整車動力性能要求，可以采用單擋傳動[9]。當電機驅動特性一定時，傳動比的選擇取決于車輛動力性能指標的要求，即必須同時滿足最高車速、爬坡性能和加速時間3個指標。

在齒輪傳動中，單級圓柱齒輪的傳動效率可達99%，又由于齒輪轉速較高，整個傳動系的效率取為97%。

1)最大傳動比。該參數取決于驅動電機的最高轉速、汽車最高車速以及驅動輪半徑，有

imax≤0.377nmaxR/vmax，

計算得imax=7.47。

2)最小傳動比。該參數可以通過以下兩種計算方法確定，兩者中的較大值即為最小傳動比。

由最大爬坡度對應的行駛阻力和驅動電動機最大輸出轉矩Timax確定傳動比

計算得i1=5.33。

由驅動電動機在最高轉速運行時的最大輸出轉矩Tnmax和最高車速對應的行駛阻力確定傳動比

計算得i2=5.28，即驅動電機的最小傳動比imin=5.33。

因此該傳動系傳動比的范圍為5.33～7.47，傳動比范圍較小，由于電動機的恒功率調速范圍較寬，兼顧成本，變速器采用單級圓柱斜齒輪傳動[10-11]，考慮該車型對于加速性能要求較高，初步選定傳動系的傳動比為6.90。

2 動力系統模型的建立

2.1 整車仿真模型的構建

1)繪制整車仿真模型草圖。從汽車元件庫中調用系統模型所需的基本元素，并將各個基本元素連接起來形成仿真系統模型的草圖，如圖1所示。

圖1 整車仿真模型

2)子模型創建。本文側重于動力系統的研究，因此創建動力系統部件的子模型[12]。其他系統元件選擇簡單的子模型。

3)參數設置。進入參數模式之前AMESim會自動檢測所搭建系統模型的完整性，并為系統創建一個仿真程序執行文件。若系統不完整，將會提示錯誤信息；若系統完整，將進入參數模式。

4)整車參數輸入。整車參數包括總質量、前后質量分配比、車輪轉動慣量、輪胎參數、輪輞直徑等，對整車性能仿真的準確性有著至關重要的作用。

5)電機參數輸入。驅動電機參數設置包括峰值功率、最大扭矩、效率以及最高轉速。

6)電池參數輸入。電池參數包括額定電壓、單組電池數目、電池組數目、容量以及電池的放電特性曲線。

7)傳動系參數輸入。傳動系參數包括傳動比和傳動效率。

8)行駛循環設置。根據所需仿真項目設置行駛循環。

9)進入仿真模式。設置仿真參數，仿真參數包括起止時刻、步長等。

2.2 模型仿真分析

1)動力電池模型

電池的狀態由剩余容量與其完全充電狀態容量的比值(state of charge，SOC)來反映，SOC的變化特性需要進行一系列的放電試驗來測驗，測量電池電壓、電阻、溫度等參數[13]。由于本文主要研究動力系統匹配，不考慮溫度引起的電池參數的變化，因此設置電池溫度恒為25 ℃。動力電池的放電特性曲線如圖2、3所示。