純電動汽車動力系統(tǒng)傳動比優(yōu)化設計

黃 康 羅時帥 王富雷

合肥工業(yè)大學,合肥,230009

純電動汽車動力系統(tǒng)傳動比優(yōu)化設計

黃 康 羅時帥 王富雷

合肥工業(yè)大學,合肥,230009

針對純電動汽車傳動裝置擋位數和傳動比選擇的問題,根據城市道路條件要求,在電機和電動汽車整備參數已定的情況下,以傳動比為變量,分析傳動裝置擋位數確定的理論依據,初步確定滿足動力性能的傳動比范圍。以能量利用率為優(yōu)化目標,研究電動汽車傳動比的優(yōu)化,提出一種直觀的傳動比優(yōu)化設計方法。應用實踐表明,該方法能夠為純電動汽車設計出既滿足道路行駛要求又能夠達到能量利用率最優(yōu)的擋位數和傳動比。

傳動比;電動汽車;動力性;能量利用率

0 引言

目前,能源與環(huán)境已成為全球關注的問題,汽車行業(yè)的發(fā)展在推動經濟發(fā)展的同時又帶來了嚴重的污染,在當前技術條件下發(fā)展電動汽車無疑是汽車行業(yè)向前發(fā)展的一種選擇[1]。然而,電動汽車發(fā)展到今天,技術條件仍然不夠成熟,存在著大量需要解決的問題。其中,作為電動汽車的傳動系統(tǒng)的一個重要參數——傳動比對電動汽車的續(xù)駛里程、電機的壽命、電動汽車的動力性能等有很大的影響。在電動汽車傳動比的設計上,目前主要按照燃油汽車傳動比的設計方法進行,以電機的特性、電動汽車必須滿足的動力性能作為設計依據。而作為電動汽車動力系統(tǒng)的電機與燃油汽車的發(fā)動機的機械特性是完全不同的,機械傳動裝置也有所不同。無論是電動汽車還是燃油汽車,都不能片面追求動力性能而不顧能耗經濟性。另外,雖然驅動電機本身具有一定的變速性能,但在某些情況下電機的變速范圍仍不能滿足實際行駛情況的需求。多擋或單擋傳動裝置的應用主要取決于電動機的轉矩—轉速特性[2],但目前沒有一個明確的選擇指標和理論依據,因此有必要研究根據電機的特性和電動汽車本身的特性選擇適合電動汽車需要的機械傳動裝置形式和傳動比。

1 研究思路

在對電動汽車的傳動比進行設計時,必須考慮動力性能[3],然而,只考慮動力性能是遠遠不夠的,必須兼顧能耗經濟性。車輛的動力性能和能耗指標是相互矛盾的,為了增加動力性能,要求車輛具有更大的后備功率,但后備功率大,必然降低動力系統(tǒng)的負荷率,從而使能耗經濟性變差,因此不能片面追求動力性能或能耗經濟性,必須取得車輛動力性能和能耗經濟性之間的優(yōu)化[4-5]。因此傳動比的設計就轉化為雙目標函數的優(yōu)化問題,在尋求兩者之間的優(yōu)化時,采用的方法不同可能會給優(yōu)化結果帶來很大的差異。

目前電動汽車主要在市區(qū)和城市近郊行駛,因此本文基于純電動汽車,以城市道路設計規(guī)范為基礎,首先分析擋位數設置的依據,然后在滿足城市道路工況所需要的動力性能的前提下考慮經濟性,選擇傳動比。整體思路如圖1所示。

圖1 整體思路

1.1 動力性能匹配優(yōu)化

動力性能匹配優(yōu)化以滿足純電動汽車在城市道路上行駛所需的動力為目標。

1.1.1 設計要求及參數計算

為滿足城市道路要求,電動汽車的動力性能要求定為:最高車速80km/h,最大爬坡度20%,起步換擋由靜止加速到40km/h的時間為20s[6]。

電動汽車在車速為80km/h時所受的阻力為

采用前輪驅動時的汽車附著力計算比較復雜,也不是本文研究的重點。這里為了簡單地說明問題,取附著力:

式中,φ為附著系數。

1.1.2 傳動比初選

傳動系傳動比 i=igi0,ig為變速器的傳動比,i0為主減速器傳動比。本文主要是對傳動系傳動比i進行優(yōu)化設計,因此不再將i分為i g和i0分別討論。

電動汽車驅動力為

式中,T為電機輸出轉矩;ηT為傳動系機械效率;r為車輪半徑。

電機轉速為

T與n的函數關系可以通過電機特性曲線得出。

為保證汽車行駛的最高車速為80km/h,根據式(4)和式(5)可以得出在車速固定的情況下電動汽車的驅動力和傳動比的函數關系。同樣,在某一確定的車速下,電動汽車所受的行駛阻力及附著力是常數。因此,以電動汽車傳動系傳動比為自變量,將電動汽車的行駛阻力和驅動力繪制在一張圖中,在MATLAB中可得到行駛阻力與驅動力圖,見圖2。電動汽車驅動力由電機特性及式(4)、式(5)計算得出,行駛阻力由式(1)、式(2)計算得出。

圖2 以傳動比為變量的電動汽車驅動力和行駛阻力的關系

1.2 擋位設置原則

根據純電動汽車的行駛條件要求,可很容易地從圖2中得出最大傳動比i max及最小傳動比i m in的選擇范圍。即ia≤imin≤ib,ic≤imax≤id。

若i b＜i c,表明不存在同時滿足最高車速和最大爬坡度的傳動比,必須選擇至少兩擋變速器才能夠滿足動力性能要求。具體操作時先選擇兩個擋位,在結果評價時再考慮是否增加擋位。

若ib≥ic,表明同時滿足最高車速和最大爬坡度的傳動比是存在的,則選擇一個擋位即可滿足動力性能要求。

1.3 能量利用率匹配優(yōu)化

能量利用率匹配優(yōu)化是在上述工作的基礎上考慮能耗經濟性的優(yōu)化。

定義能量利用率ηE為

式中,Ee為消耗在電動汽車上的有效驅動能量;Eb為電池組在行駛過程中消耗的總能量。

令E d為電動汽車車輪上的驅動能量,則

式中,η1為電池組能量經電機和傳動系傳至驅動輪上成為驅動能量的效率;η2為在一定行駛工況下,電動汽車驅動功成為有效驅動能量的效率。

式中,ηT為傳動系效率;η為電機效率;ηy為電池組放電效率。

能量利用率把電池組、電機、傳動系的固有特性與電動汽車實際使用條件相結合,既反映了電動汽車具有的能力,又反映了電動汽車的實際使用效果[4],故可以采用能量利用率作為選擇傳動比的依據。

從式(8)可以看出,對于車速一定的情況,除電機效率以外的其余參數,傳動比的變化對其沒有影響,因此可以認為都是常數。傳動比的不同所帶來的只有電機效率的變化,可以認為能量利用率ηE=Cη,C為常數。在上述所選定的傳動比范圍內,以能量利用率為目標函數進行優(yōu)化,便可以得出既能夠滿足設計要求,又能夠使能量利用率達到最高的傳動比。

在前述工作(圖2)的基礎上,在MATLAB中把電機的效率場分布繪到同一張圖上,如圖3所示,圖中0.4～0.9等數字為電機的效率。

1.4 結果評價

圖3 傳動比選擇依據

以電動汽車動力性能評價標準進行優(yōu)化結果的評價。傳動比確定之后,可以對電動汽車的動力性能進行評價,進而評價所選傳動比是否滿足設計要求。電動汽車的動力性能評價因素有最高速度、爬坡度、加速能力,在傳動比已知的情況下,根據式(4)和式(5),利用計算工具MA TLAB可以作出驅動力 —行駛阻力圖,如圖4所示。

根據前述的設計原則,所選傳動比無論是單擋還是多擋,都滿足最大車速和最大爬坡度的要求,擋位的多少主要影響加速能力,即加速時間。如圖5所示,加速時間即陰影部分面積,三個擋位的加速時間明顯短于兩個擋位的加速時間。若加速時間能滿足設計要求,則完成設計,若加速時間不能滿足設計要求,則增加一個擋位,如此循環(huán)下去。若擋位數過多,則考慮重新選擇驅動電機。

最終使所選擇的傳動比既能夠保證電動汽車的正常行駛,又能夠達到能耗經濟性的最優(yōu)。

2 計算實例

本文以我們實際開發(fā)的某型純電動汽車作為研究對象進行分析。

2.1 原始參數

設計條件包括電動汽車的整備參數、電機參數和外特性以及城市道路路況。已知整車質量m=1600kg,迎風面積A=2.1m2,車輪半徑r=0.2828m,滾動阻力系數f=0.0215,空氣阻力系數C D=0.35,傳動系效率ηT=0.9。

圖4 電動汽車動力性能

圖5 電動汽車加速度倒數曲線

驅動電機參數見表1,外特性曲線根據廠商提供的電機特性曲線(設計值),在MATLAB中給出,如圖6所示。

表1 驅動電機基本參數

圖6 電機特性曲線

由式(1)～式(3)可得,電動汽車在車速為80km/h時所受阻力 ∑F=566.40N,坡度為20%,以20km/h的車速上坡時所受阻力∑F=3496N,附著力Fφ=4000N。

2.2 傳動比初選

按照前述方法繪制以傳動比為變量的驅動力—行駛阻力關系圖,見圖3,從圖中可以很明顯看出,當汽車的車速為80km/h時,為使汽車能夠行駛,驅動力必須大于等于行駛阻力,并且小于等于附著力,附著力此時遠遠大于驅動力,可以不予考慮。因此,傳動比必須在1.5～3.16之間選擇。

同理,從圖3b中可以看出,為保證汽車的最大爬坡度為 20%的設計要求,傳動比必須在9.2～10.42的范圍內選擇。

顯然,3.16＜9.2,同時滿足最大車速與最大爬坡度的傳動比不存在,必須選擇至少兩個擋位才能滿足要求。

2.3 傳動比優(yōu)化

以傳動比為變量,計算在車速(設計條件)一定的前提下不同傳動比時電動汽車的驅動力和行駛阻力,并依據電機特性曲線將電機效率場分布曲線繪制到同一張圖中,即得到如圖3所示的曲線圖。

本例當中,既滿足設計要求的動力性能又能夠使能量利用率最高的傳動比可以根據圖3得出。由此得出的最小傳動比為 3.16(圖3a中a點),最大傳動比為10.42(圖 3b中b點)。

2.4 優(yōu)化結果分析

由以上的分析結果,計算電動汽車加速時間,如圖5a所示,計算得出電動汽車在良好路面上從靜止換擋加速到50km/h的時間為28.26s,不滿足設計要求。

為此,增加一個擋位,按照等比數列分配,各擋傳動比分別為 i1=3.16,i2=5.74,i3=10.42。再次進行結果評價,得到如圖5b所示的結果,計算得出加速時間為19.31s,滿足設計要求。至此,設計完畢,從電動汽車動力性能的角度進行結果的評價,見圖4。

由圖4可知電動汽車最大速度能夠達到80km/h,最大爬坡度可以達到23%。用圖解法表示圖6中的功率平衡圖,可知電動汽車在保證最高車速的情況下有較大的后備功率。因此,所選擇的傳動比滿足設計要求。

3 結論

(1)用所建立的擋位確定原則設計純電動汽車擋位數,簡單且可靠。

(2)利用該方法設計的傳動比既能夠滿足動力性能的要求又能夠使能量利用率達到最高。

(3)為混合動力汽車及其他新能源汽車傳動系統(tǒng)傳動比的設計方法提供了參考。

[1] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現代電動汽車技術[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

[2] EhsaniM,Gao Yim in,Gay S E,et al.Modern Electric,Hybrid Electric,and Fuel Cell Vehicles-Fundamentals,Theory and Design[M].倪光正,倪培宏,熊素銘,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[3] 張文春.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[4] Dai Y,Song L,CuiS.Development of PMSM Drives for Hybrid Electric Car App lications[J].IEEE T rans.on Magnetics,2007,43(43):434-437.

[5] 王震坡,姚利民,孫逢春.純電動汽車能耗經濟性評價體系初步探討[J].北京理工大學學報,2005,25(6):479-482.

[6] 北京市市政設計研究院.CJJ 37-1990城市道路設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1991.

Optim ization Design of Electric Vehicle Transm ission Gear Ratio

Huang Kang Luo Shishuai Wang Fulei
Hefei University of Techno logy,H efei,230009

In connection with the prob lems to select the transm ission number and ratio of pure electric vehicles,according to the requirements of road conditions in Chinese cities and in the case of parametersofelectric drivem otor and electric vehiclewere set,taking the transmission ratio asa variable,the transmission ratio range which can meet the demandsof power performancewas defined prelim inarily after the theoreticalbasis of thedefinition of transmission gear numberwasanalyzed.Taking energy efficiency op timization as target,op tim ization of the transmission ratio o f electric vehicles was studied and a visual optim ization design method was established finally.Practical applications show that the proposedm ethod can design the number and the transmission gear ratio for a pureelectric vehicle which w illmeet the requests of road conditions and achieve the optimalefficiency ofenergy utilization.

transm ission ratio;electric vehicle;power;efficiency o f energy utilization

U463.2

1004—132X(2011)05—0625—05

2010—02—07

國家“863”節(jié)能與新能源汽車重大專項(2006A A11A 109,2006AA 11A 115);合肥工業(yè)大學重大項目預研專項(2010HGZY0014)

(編輯 袁興玲)

黃 康,男,1 9 6 8年生。合肥工業(yè)大學機械與汽車工

程學院教授。主要研究方向為機械強度、機械傳動、MEMS耦合場。獲省科技進步三等獎1項,發(fā)表論文3 0余篇。羅時帥,男,1 9 8 5年生。合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院碩士研究生。王富雷,男,1 9 8 5年生。合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院碩士研究生。