基于AVL CRUISE的某純電動汽車驅(qū)動方案分析及參數(shù)匹配

徐展

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基于AVL CRUISE的某純電動汽車驅(qū)動方案分析及參數(shù)匹配

徐展

（蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 蘇州 215104）

純電動汽車驅(qū)動方案的選擇及動力匹配是電動汽車開發(fā)過程中的關(guān)鍵，因此，文章以某微型純電動汽車為研究對象，開展不同驅(qū)動方案和不同設(shè)計側(cè)重下電動汽車的對比研究，首先根據(jù)整車基本參數(shù)和性能要求進行理論計算，然后使用Matlab軟件在不同側(cè)重點下進行了主減速器傳動比的參數(shù)匹配，最后使用AVL CRUISE軟件進行模擬仿真并對仿真結(jié)果進行科學分析，確定具體方案。結(jié)果表明，側(cè)重經(jīng)濟性匹配的電動輪式驅(qū)動方案能達到設(shè)計要求，在城市行駛工況下，能夠保證一定的動力性，且經(jīng)濟性最佳。

電動汽車；驅(qū)動方案；參數(shù)匹配；AVL CRUISE

前言

純電動汽車驅(qū)動方案的選擇及動力匹配是電動汽車開發(fā)過程中的關(guān)鍵，本文以一種微型純電動汽車為研究對象[1]，對車輛進行驅(qū)動方案影響因素分析及參數(shù)匹配，以實現(xiàn)車輛具備相應(yīng)的動力性能和經(jīng)濟性能。

1 驅(qū)動方案選取

電動汽車傳動系統(tǒng)布置方案主要有三種：差速半軸驅(qū)動方案、整體驅(qū)動橋式驅(qū)動方案及電動輪驅(qū)動方案[2]。

差速半軸驅(qū)動方案，采用一臺驅(qū)動電機作為動力源，由控制器控制驅(qū)動電機，利用差速器將驅(qū)動電機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩分配到兩個驅(qū)動輪，與傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)相同，無需復(fù)雜的控制算法，利用差速器便可實現(xiàn)軸荷的合理分配，車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性良好，具有設(shè)計周期短、成本低的優(yōu)點。擬定方案采用電機軸與驅(qū)動軸相互平行的方案更為緊湊，使用低傳動比微型車常用傳動部件[3]，主減速器采用的單級圓柱斜齒齒輪減速并用圓錐滾子軸承支撐，差速器選用對稱式圓錐行星齒輪，采用獨立懸架，等速萬向節(jié)。由于差速半軸式以單電機驅(qū)動，其余兩種均以雙電機驅(qū)動，為了實現(xiàn)方案之間的可比性，采用改變差速半軸驅(qū)動方案的電機參數(shù)，使其驅(qū)動能力與采用兩電機的其他驅(qū)動方案基本一致。

整體驅(qū)動橋驅(qū)動方案中電機控制器控制兩臺驅(qū)動電機，各驅(qū)動一個驅(qū)動輪，省去了差速機構(gòu)，且驅(qū)動電機和減速器制作為一體，無需傳動軸、萬向節(jié)等零件，所需的布置空間大為減小，傳動效率有所提高，但電機控制器中的控制算法要求高，需起到差速器作用，對軸荷進行合理分配。擬定方案采用雙聯(lián)式整體驅(qū)動橋式，選取單級減速錐齒輪，圓錐滾子軸承支撐，等速萬向節(jié)，是當前常見的驅(qū)動方案之一。

電動輪驅(qū)動方案中驅(qū)動輪內(nèi)嵌有輪轂電機，無需經(jīng)過其它傳動機構(gòu)，直接由輪轂電機驅(qū)動車輪。這種驅(qū)動方案極大地減小了傳動系統(tǒng)所占空間，減輕了整車質(zhì)量，且使汽車重心下降，穩(wěn)定性提高，但相對成本較高。擬定方案采用NGW行星圓柱齒輪減速器，以中心輪輸入、行星架固定、內(nèi)齒圈輸出，實現(xiàn)輪邊減速，可以提供較大的減速比，對電動機的轉(zhuǎn)矩特性要求比較低，動力損失較小，且增加有用空間，目前這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。

2 車輛性能要求及動力匹配分析

2.1 樣車參數(shù)及動力性要求

樣車主要應(yīng)用在路面狀況良好，但加減速比較頻繁的市內(nèi)交通，要求整車最高車速不低于90km/h，最大爬坡度不低于20%，整車質(zhì)量800kg，質(zhì)心高度0.56m，輪胎半徑0.245m，空氣阻力系數(shù)0.417，滾動阻力系數(shù)0.0173，迎風面積1.7m2，前橋升力系數(shù)0.02，后橋升力系數(shù)0.015。

2.2 驅(qū)動電機選型

基于樣車參數(shù)、動力性要求和應(yīng)用工況，根據(jù)汽車行駛方程式，汽車在最高車速下的行駛阻力功率P為：

其中，u為電動汽車的最高行駛車速，單位為km/h。行駛阻力功率P單位為kW。根據(jù)整車參數(shù)可計算得，在u為90km/h的條件下，該電動汽車受到行駛阻力的功率為10.18kW。因此，要求每種驅(qū)動方案采用的兩臺電動機滿載功率之和應(yīng)在較廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達到11kW以上，即單電機功率5.5kW以上。電機過載系數(shù)一般取2~3，因此，電機的最大功率應(yīng)在11~16.5 kW，所以初步假設(shè)電機的峰值功率為15kW。

電機額定功率取5.5kW，額定轉(zhuǎn)速取2500r/min，計算出所用電機的額定扭矩應(yīng)達到21.01kN·m。電機峰值功率取15 kW ，額定轉(zhuǎn)速取2500r/min，計算出所用電機的最大扭矩應(yīng)達到57.3kN·m。再考慮到永磁直流無刷電機功率密度高、使用壽命長等特點，研究選用尤奈特BLT5/10-2500/72型永磁直流無刷電機作為三種驅(qū)動方案的驅(qū)動力來源。

2.3 傳動比確定

電動機型號確定后，外載荷特性方面，電機轉(zhuǎn)速在1000r/ min以下時，電機可獲得最大轉(zhuǎn)矩T，平均為78.9 kN·m左右。電機最大轉(zhuǎn)速n=4100r/min。在2300r/min轉(zhuǎn)速處，電動機獲得最大輸出功率15.8kW。部分負荷特性方面，在負荷60%以上時，部分負荷與滿負荷的電機效率相差不超過5%。驅(qū)動方案均采用固定傳動比式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，無變速箱和離合器，需通過選擇合理的傳動比。

進行最大爬坡計算時，電動車電動機將運行在轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)矩最大的工況下。則電動汽車傳動比需滿足：

其中，α為最大爬坡角，要求不低于20%，根據(jù)三種方案的傳動效率的差異，計算得，傳動比需不小于2.8。

在最高行駛車速下，電動汽車的驅(qū)動力需克服滾動阻力和空氣阻力。

指電動車運行在要求達到的最高行駛車速時，單個電機的驅(qū)動力矩。由于與電動機轉(zhuǎn)速呈一定的函數(shù)關(guān)系，且該函數(shù)關(guān)系難以用簡單的數(shù)學公式加以描述。因此，研究選用Matlab軟件作為數(shù)學工具，幫助進行動力匹配的計算。

推導汽車行駛速度與電動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

式中，汽車行駛車速u單位為km/h，電動機轉(zhuǎn)速n及車輪轉(zhuǎn)速n單位為r/min，其他均為國際單位制。

將式（3）可寫為：

函數(shù)編寫實際采用的公式為：

F的物理意義為驅(qū)動電機驅(qū)動力與滾動阻力和空氣阻力的合力，方向以驅(qū)動力方向為正。設(shè)計的最高車速需不低于90km/h，由爬坡度計算結(jié)果，傳動比不小于2.8。故在Matlab中，令從2.8開始增加，直至F≤0，確定傳動比的取值范圍。

進一步在Matlab/Simulink環(huán)境下建立如圖1所示的電動車參數(shù)匹配仿真模型，并進行仿真計算。

圖1 Matlab/Simulink參數(shù)匹配仿真模型

Matlab仿真結(jié)果如圖2所示，以差速半軸式方案為例，不可大于3.8。綜上所述，為滿足動力性要求，傳動比取值范圍為2.8≤≤3.8。在保證電動車的動力性的前提下，若以經(jīng)濟性為側(cè)重進行動力匹配，則傳動比均選為3.0。若以動力性為側(cè)重進行動力匹配，則傳動比均選為3.7。

圖2 差速半軸式純電動汽車Fsum-i仿真計算曲線

2.4 蓄電池選擇

為在AVL_Cruise環(huán)境下進行純電動汽車的動力性與經(jīng)濟性建模，還需設(shè)定蓄電池參數(shù)，由于重點分析不同驅(qū)動方案及不同設(shè)計側(cè)重情況下的車輛動力性和經(jīng)濟性，因此，僅對蓄電池進行簡單建模，僅滿足仿真需要，保證蓄電池能驅(qū)動兩臺電動機，在30min的循環(huán)工況內(nèi)能量豐沛，不會發(fā)生SOC值過小，引起功能效能下降的問題。行駛阻力的功率經(jīng)計算得10.18kW，所以總能量為5.09 kW。由于電機的額定電壓為72V，得出電池容量為70.69 A·h，選擇由單體電池電壓為3V的鋰電池作為動力源，以串聯(lián)形式連接，單體電池總數(shù)為24個。某電池生產(chǎn)廠家提供的蓄電池總電量150A·h，即研究Cruise仿真分析中電池模塊所采用的數(shù)據(jù)。

3 純電動汽車動力性、經(jīng)濟性仿真及分析

3.1 仿真模型的建立

在AVL_Cruise環(huán)境下，根據(jù)三個不同驅(qū)動方案建立整車模型，以電動輪驅(qū)動方案為例，如圖3所示，輸入整車質(zhì)量、車輪直徑及主要部件參數(shù)。

圖3 電動輪驅(qū)動方案模型

模型中采用的元件塊及機械連接關(guān)系、信息流、能量流，依據(jù)驅(qū)動方案的具體結(jié)構(gòu)確定，蓄電池、電動機元件塊參數(shù)根據(jù)其特性試驗填寫，傳統(tǒng)系統(tǒng)元件參數(shù)則參考目前純電動汽車工業(yè)生產(chǎn)中所生產(chǎn)相關(guān)零部件的一般情況填寫。以發(fā)動機元件塊為例，參數(shù)設(shè)定如圖4所示，與其他各元件塊連接的信息關(guān)系如圖5所示。仿真中不考慮曲線行駛的電機控制實現(xiàn)，選用的電機控制策略為驅(qū)動防滑控制（Anti-Slip control）。

圖4 發(fā)動機元件塊部分參數(shù)設(shè)置

圖5 發(fā)動機與其他各元件塊連接的信息關(guān)系

3.2 仿真任務(wù)的建立及仿真結(jié)果分析

3.2.1動力性對比分析

分別選擇3.0（經(jīng)濟性為側(cè)重）和3.7（動力性為側(cè)重）兩種傳動比，對每個電動汽車模型設(shè)計了滿負荷加速能力計算任務(wù)和爬坡能力計算任務(wù)。

選擇傳動比3.0（經(jīng)濟性為側(cè)重）進行仿真計算，如圖6所示，三種驅(qū)動方案的最高車速差異不大，0-50km/h加速時間依次是：電動輪式7.0s、整體驅(qū)動橋式7.5s、差速半軸式7.9s。

圖6 傳動比3.0的不同驅(qū)動方案滿負荷加速能力對比

選擇傳動比3.0（經(jīng)濟性為側(cè)重）進行爬坡能力仿真計算，如圖7所示，最大爬坡度依次是：電動輪式24.7%、整體驅(qū)動橋式23.3%、差速半軸式21.8%。12%坡道車速依次是：電動輪式83.1km/h，整體驅(qū)動橋式81.0km/h，差速半軸式78.2km/h。

綜上所述，傳動比3.0的三種驅(qū)動方案均滿足設(shè)計要求，電動輪式要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動方案，電動輪式與動力性最差的差速半軸式相比，在0-50km/h加速時間縮短11.4%，在最大爬坡度提高13.3%，在12%坡道車速上提高6.3%。

在側(cè)重動力性（傳動比3.7）的情況下，三種驅(qū)動方案的最高車速差異不大，0-50km/h加速時間依次是：電動輪式5.8s、整體驅(qū)動橋式6.2s、差速半軸式6.6s。爬坡能力方面，最大爬坡度依次是：電動輪式31.5%、整體驅(qū)動橋式29.6%、差速半軸式27.7%。12%坡道車速依次是：電動輪式75.2km/h，整體驅(qū)動橋式74.0km/h，差速半軸式72.3km/h。

綜上所述，傳動比3.7的三種驅(qū)動方案均滿足設(shè)計要求，在動力性比較中，無論是加速能力還是爬坡能力，電動輪式要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動方案，電動輪式與動力性最差的差速半軸式相比，在0-50km/h加速時間上縮短12.1%，在最大爬坡度上提高13.7%。

3.2.2經(jīng)濟性對比分析

選擇Japan_Mode_1_URBAN循環(huán)工況作為目標行駛工況進行經(jīng)濟性分析，實際速度變化情況如圖8所示，以百公里耗電量作為評判電動汽車經(jīng)濟性的標準。

圖8 循環(huán)工況速度變化情況

如圖9所示，將傳動比3.0（經(jīng)濟性為側(cè)重）的三種方案，在一個循環(huán)工況下，差速半軸式電動汽車消耗電能5442.0kJ，比能耗391.80kJ/km；整體驅(qū)動橋式消耗電能5189.5kJ，比能耗373.64kJ/km；電動輪式消耗電能4966.4kJ，比能耗357.55kJ/km。電動輪式的經(jīng)濟性要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動方案，與經(jīng)濟性最差的差速半軸式相比，能耗低8.7%。

圖9 傳動比3.0的不同驅(qū)動方案能耗對比

傳動比3.7（動力性為側(cè)重），在一個循環(huán)工況下，差速半軸式電動汽車消耗電能5548.9kJ，比能耗399.49kJ/km；整體驅(qū)動橋式消耗電能5300.5kJ，比能耗381.63kJ/km；電動輪式消耗電能5078.0kJ，比能耗365.59kJ/km。電動輪式的經(jīng)濟性要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動方案，與經(jīng)濟性最差的差速半軸式相比，能耗低8.5%。

4 結(jié)論

在設(shè)計的傳動比范圍內(nèi)，選取3.0和3.7兩種傳動比，再結(jié)合三種不同驅(qū)動方案，進行了動力性及經(jīng)濟性分析，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

將同一驅(qū)動方案，傳動比3.0與傳動比3.7相比較，最高車速提高了15.2%-16.0%，比能耗降低了2.0%-2.2%，但0-50km/h加速時間增加了19.7%-21.0%，最大爬坡度減少了21.3%-21.6%。

無論是傳動比3.0還是傳動比3.7，仿真結(jié)果均表明電動輪式在動力性和經(jīng)濟性方面優(yōu)于整體驅(qū)動橋式優(yōu)于差速半軸式。

表1 計算結(jié)果數(shù)據(jù)

將傳動比3.7的電動輪式與傳動比3.0的整體驅(qū)動橋式驅(qū)動方案相比，動力性側(cè)重的電動輪式不僅在動力性上有較大優(yōu)勢，0-50km/h加速時間減少了22.3%，最大爬坡度提高了35.2%，而且經(jīng)濟性表現(xiàn)反而也略好，比能耗降低了2.2%，因此，在不考慮成本因素的情況下，差速半軸式與整體驅(qū)動橋式非理想方案，尤其是側(cè)重動力性的差速半軸式與整體驅(qū)動橋式方案最不適合。

將傳動比3.0的電動輪式與傳動比3.7的整體驅(qū)動橋式驅(qū)動方案相比，最高車速提高16.6%，0-50km/h加速時間增加了12.9%，最大爬坡度減少了16.6%，比能耗降低了6.3%，在最高車速與能耗方面的增益效果更顯著。

綜上所述，電動輪式是理想的驅(qū)動方案，在動力性和經(jīng)濟性方面均優(yōu)于其他方案，在城市工況中，應(yīng)優(yōu)先考慮經(jīng)濟性，同時最高車速的意義也要大于加速能力。所以，最佳方案為傳動比3.0的電動輪式驅(qū)動方案，該方案最高車速110.9km/h，最大爬坡度24.7%，滿足設(shè)計和實際使用要求。其次是傳動比3.7的電動輪式驅(qū)動方案，能與經(jīng)濟性側(cè)重的整體驅(qū)動橋式、差速半軸式能耗相當?shù)那闆r下，具有更強的動力性能，需要一定操控性時可選擇該方案。考慮城市工況，經(jīng)濟性側(cè)重的方案優(yōu)先于動力性側(cè)重的方案。

[1] 岳崇會.微型純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計[D].南京:南京航空航天大學,2012.

[2] 秦建軍,蔚蕊,王躍進.電動車輛整體式驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計[J].北京建筑工程學院學報, 2005(1): 35-38.

[3] 范健文,吳彤峰,金國棟.電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案分析[J].機械制造, 2003(11): 38-40.

[4] 涂雪飛.純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真研究[D].重慶:重慶大學,2016.

[5] 趙林亭,邱緒云,梁健明.基于AVL CRUISE的果園自走式電動車輛動力傳動系統(tǒng)匹配研究[J].內(nèi)燃機與配件,2018(19):29-32.

Driving Scheme Analysis and Parameter Matching of a Pure Electric Vehicle Based on AVL CRUISE

Xu Zhan

（Suzhou Institute of Construction & Communications, Jiangsu Suzhou 215104）

The selection of driving scheme and power matching are the key points in the development of electric vehicles. This paper takes a miniature pure electric vehicle as the research object, and carries out comparative research on different driving schemes and different design emphases of electric vehicles. Firstly, the theoretical calculation is carried out according to the basic parameters and performance requirements of the whole vehicle. Then, the transmission ratio of the main reducer is matched by using MATLAB software under different emphasis points. Finally, AVL CRUISE software is used to simulate and analyze the simulation results scientifically to determine the concrete scheme. The results show that the electric wheeled driving scheme with emphasis on economic matching can meet the design requirements. Under urban driving cycle, it can ensure the certain power performance and the best economy.

electric vehicle;driving scheme;parameter matching;AVL CRUISE

A

1671-7988(2019)05-41-05

U469.7

U469.7

A

1671-7988(2019)05-41-05

徐展，就職于蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學校。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.012