基于動力性的純電動專用車輛傳動系統(tǒng)匹配仿真

袁 新

(四川工業(yè)科技學(xué)院,四川 德陽 618500)

0 引言

隨著純電動汽車相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,對純電動汽車的各項(xiàng)使用性能要求也日益提升[1-2],特別是在純電動汽車動力性及續(xù)航里程方面存在的一些問題,在一定程度上制約著純電動汽車的發(fā)展,在純電動專用車輛方面也同樣如此[3-5]。因此,本文根據(jù)某純電動專用車輛設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求,對目標(biāo)車輛電機(jī)及傳動系統(tǒng)等動力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析與匹配,以求提高車輛動力性,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 純電動專用車輛的基本參數(shù)

1.1 純電動專用車輛的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)某純電動專用車輛的設(shè)計(jì)要求,其設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 純電動專用車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 純電動專用車輛的性能指標(biāo)

根據(jù)某純電動專用車輛設(shè)計(jì)用途,要求其動力性指標(biāo)要求如表2所示。

2 驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配

2.1 建立驅(qū)動電機(jī)匹配數(shù)學(xué)模型

驅(qū)動電機(jī)作為純電動汽車的動力源,對整車動力性有著至關(guān)重要的作用[6]。通常電機(jī)功率參數(shù)匹配可依據(jù)最高車速、最大爬坡度和加速性能等指標(biāo)確定。

1)根據(jù)純電動專用車輛最高車速確定電機(jī)功率Pm1。電機(jī)的額定功率應(yīng)滿足汽車以最高車速在水平道路行駛時滾動阻力和空氣阻力所消耗的功率之和

(1)

式中,m為整車質(zhì)量,kg;f為滾動助力系數(shù);CD為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面面積,m2;vmax為最高車速,km/h;ηT為傳動效率。

2)根據(jù)純電動專用車輛最大爬坡度確定電機(jī)功率Pm2。電機(jī)的額定功率應(yīng)滿足汽車以最低擋勻速爬上最大坡度時滾動阻力、空氣阻力和坡道阻力所消耗的功率之和

(2)

式中,vp為爬坡速度,km/h;αmax為最大爬坡角度,(°)。

3)根據(jù)純電動專用車輛加速性能確定電機(jī)功率Pm3。電機(jī)的額定功率應(yīng)滿足汽車以在水平道路加速行駛時滾動阻力、空氣阻力和加速阻力所消耗的功率之和

(3)

式中,ve為加速終了時的車速,km/h;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);te為加速時間,s。

電機(jī)額定功率必須滿足車輛最高車速要求,峰值功率應(yīng)同時滿足動力性三大指標(biāo)要求。因此,電機(jī)額定功率Pe和峰值功率Pemax分別為

Pe≥Pm1

(4)

Pemax≥max(Pm1,Pm2,Pm3)

(5)

電機(jī)峰值功率與額定功率關(guān)系為

Pemax=λPe

(6)

式中,λ為電機(jī)過載系數(shù),取值范圍2～3,本文取2.5。

4)純電動專用車輛最高車速vmax與電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax關(guān)系為

(7)

式中,imax為最大傳動比;r為輪胎滾動半徑,m。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne為

(8)

式中,β為電機(jī)的擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù),取值范圍2～4。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Te為

(9)

電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩Temax為

(10)

2.2 基于MATLAB的驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配

利用驅(qū)動電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型,分別編寫驅(qū)動電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速匹配的MATLAB程序。分別運(yùn)行相關(guān)程序?qū)⒌玫揭韵聰?shù)據(jù)。

圖1為電機(jī)功率-最高車速曲線。可見,最高車速在120 km/h時所需的電機(jī)功率為28.62 kW。

圖1 電機(jī)功率-最高車速曲線

圖2為不同爬坡速度下的電機(jī)功率-爬坡度曲線。可見,爬坡速度越高,所需電機(jī)功率越大,故以較低車速下爬坡能力確定所需電機(jī)功率。得出,最低爬坡速度20 km/h爬20°坡時所需的電機(jī)功率為34.13 kW。

圖2 電機(jī)功率-爬坡度曲線

圖3為電機(jī)功率-加速時間曲線。可見加速時間為15 s時所需的電機(jī)功率為58.47 kW。

圖3 電機(jī)功率-加速時間曲線

因此,選用電機(jī)類型為永磁同步電機(jī),峰值功率取60 kW,過載系數(shù)取2.5,額定功率為24 kW。

圖4為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速-最高車速曲線。圖5為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速-傳動比曲線。可見,最高車速越高、傳動比越大,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速越高。綜合分析,電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min,額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

圖4 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速-最高車速曲線

圖5 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速-傳動比曲線

根據(jù)式(9)可得電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為76.4 N·m,根據(jù)式(10)可得電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩為225 N·m。電機(jī)電壓選擇345 V。綜上所述,驅(qū)動電機(jī)匹配參數(shù)見表3。

表3 驅(qū)動電機(jī)匹配參數(shù)

3 二擋變速器參數(shù)匹配

在驅(qū)動電機(jī)輸出性能一定的前提下,傳動比的選擇主要取決于電動汽車的動力性[7]。驅(qū)動電機(jī)的外特性具有低速區(qū)恒轉(zhuǎn)矩輸出,高速區(qū)恒功率輸出的特征[8]。驅(qū)動電機(jī)較寬的工作范圍,適合電動汽車的運(yùn)行,因此在變速器的匹配上,并不需要設(shè)置過多擋位[9]。為滿足電機(jī)工作于高效區(qū)域,且不必增加變速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,因此選擇II擋變速器,這樣不僅可以控制成本,簡化操作,同時還能滿足電動汽車經(jīng)濟(jì)性的要求。

3.1 建立二擋變速器的傳動比匹配數(shù)學(xué)模型

變速器傳動比的確定,主要受車輛動力性指標(biāo)來確定[10]。I擋傳動比的選擇既要滿足動力性爬坡要求,又要兼顧電機(jī)低速區(qū)工作效率,同時,I擋驅(qū)動時的最大驅(qū)動力又應(yīng)小于或等于驅(qū)動力的附著力。所以,I擋傳動比的上限應(yīng)滿足

(11)

式中,i0為主減速器傳動比;ig12為變速器Ⅰ檔傳動比上限;r為輪胎滾動半徑,m;b為汽車質(zhì)心到后軸的距離,m;L為軸距,m;φ為道路附著系數(shù)。

I擋傳動比的下限應(yīng)滿足

(12)

式中,ig11為變速器I擋傳動比上限。

Ⅱ擋傳動比的選擇既要滿足電動汽車行駛的最高車速,同時也要盡可能地降低驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速,兼顧電機(jī)高速工況下的效率,所以Ⅱ擋傳動比的上限應(yīng)滿足

(13)

式中,ig22為變速器II擋傳動比上限。

Ⅱ擋傳動比的下限應(yīng)滿足

(14)

式中,ig21為變速器Ⅱ擋傳動比上限;Tumax為最高車速對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩,N·m。

為保證在換擋時動力輸出的連續(xù)性,避免由于換擋時的動力中斷影響駕駛體驗(yàn),II擋時電機(jī)基速下的驅(qū)動力應(yīng)滿足以下要求

(15)

3.2 基于MATLAB的二擋變速器傳動比匹配

利用變速器傳動比匹配數(shù)學(xué)模型,編寫變速器傳動比匹配的MATLAB程序。運(yùn)行相關(guān)程序?qū)⒌玫綌?shù)據(jù)如下:I擋傳動比范圍為1.91≤ig1≤2.23;Ⅱ擋傳動比范圍為0.27≤ig2≤1.75。綜合考慮,選擇I擋傳動比為1.98,Ⅱ擋傳動比為1。

4 純電動專用車輛動力性仿真

4.1 建立純電動專用車輛動力性數(shù)學(xué)模型

根據(jù)驅(qū)動電機(jī)輸出特性,其電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系為

Ts=Temax(n≤ne)

(16)

(17)

式中,Ts為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;ne為電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min。

加速度為

(18)

式中,Ft為驅(qū)動力,N,Ff為滾動阻力,N,Fw為空氣阻力,N。

最大爬坡度為

(19)

4.2 基于MATLAB的純電動專用車輛動力性仿真分析

4.2.1 建立純電動專用車輛動力性模型

根據(jù)純電動專用車輛動力性數(shù)學(xué)模型,基于MATLAB/simulink建立了整車模型,如圖6所示。

圖6 純電動專用車輛動力性仿真模型

4.2.2 純電動專用車輛動力性仿真分析

運(yùn)行純電動專用車輛動力性,可得到二擋變速器純電動專用車輛驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖,如圖7所示,當(dāng)變速器處于Ⅱ擋時,其行駛車速最高,最高車速約為159.2 km/h。二擋變速器純電動專用車輛加速度曲線如圖8所示,當(dāng)變速器處于I擋時,其加速度最大,最大加速度約為3.044 m/s2。二擋變速器純電動專用車輛爬坡度曲線如圖9所示,當(dāng)變速器處于I擋時,其爬坡度最大,最大爬坡度約為36.4%。

圖7 純電動專用車輛驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖

圖8 純電動專用車輛加速度曲線

圖9 純電動專用車輛爬坡度曲線

5 結(jié)論

本文研究純電動專用車輛電機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行合理匹配這一技術(shù)熱點(diǎn)問題,根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),完成電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)匹配,匹配參數(shù)如表3,并匹配出變速器兩個擋位傳動比(I擋傳動比為1.98,II擋傳動比為1)。因此,基于MATLAB軟件建立整車模型,并進(jìn)行性能分析以及對其傳動系統(tǒng)匹配仿真的方法可行,對研究兩擋變速器對提高純電動專用車輛動力性具有實(shí)際意義。

本文探索純電動專用車輛的simulink仿真模型的基本規(guī)律和有效方法,分析不同傳動系統(tǒng)對于車輛動力性的影響,為純電動專用車輛的傳動系統(tǒng)優(yōu)化與升級提供了理論依據(jù)。