電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究

高 臺

長城汽車股份有限公司

電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究

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純電動汽車動力系統(tǒng)是由動力電池、驅(qū)動電機(jī)、傳動裝置等組成的非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，各部件之間協(xié)調(diào)控制相對復(fù)雜，若僅以實(shí)車試驗(yàn)作為開發(fā)手段，不僅會浪費(fèi)大量人力物力，并且會大大延長整車開發(fā)周期。所以，針對一款新型汽車實(shí)車試驗(yàn)前，需對整車進(jìn)行專業(yè)建模仿真。根據(jù)仿真結(jié)果再不斷反向優(yōu)化修正各關(guān)鍵部件參數(shù)，直至仿真結(jié)果符合事先設(shè)定的整車設(shè)計目標(biāo)。通過專業(yè)汽車仿真軟件 AVL Cruise 對整車動力系統(tǒng)建模與控制策略建?？梢源蟠罂s短整車開發(fā)周期，降低整車開發(fā)成本。

電動汽車；動力系統(tǒng)；設(shè)計及仿真

汽車在給人們生活帶來便利的同時，也帶來了 “能源消耗”和“環(huán)境污染”兩大問題。為了解決這兩大難題，汽車技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了轉(zhuǎn)變，力求逐步實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能化、能源多樣化、動力電氣化和排放潔凈化，更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)油和環(huán)保兩大目標(biāo)。純電動汽車憑借其零排放、低噪聲、電力來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，成為了節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新型交通工具。近年來，盡管有許多汽車研發(fā)部門都投入大量的人力物力來研究電動汽車，但到目前為止動力電池和關(guān)鍵性技術(shù)還未取得有效的突破，動力電池的續(xù)駛里程和充電時間大大制約了電動汽車的發(fā)展和普及。

1 純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計簡析

純電動汽車動力系統(tǒng)的設(shè)計首先需要對功率進(jìn)行確定。由于電動機(jī)的特性參數(shù)實(shí)際上決定了車輛的動力性能，因此這一過程中比較重要的設(shè)計參數(shù)主要包括電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、基速、峰值功率、最大轉(zhuǎn)矩以及額定功率等參數(shù)。在確定功率的過程中，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)確保電動機(jī)的功率保持較為合理的消耗。其次，設(shè)計人員在確定功率的過程中根據(jù)汽車爬坡度進(jìn)一步確定電動機(jī)功率，從而更好地研究電動機(jī)的實(shí)際性能及電動機(jī)的實(shí)際消耗功率，真正提升動力系統(tǒng)的功效。確定功率后就需要合理選擇傳動比。由于純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計需要合理的選擇傳動比。因此，設(shè)計人員在選擇傳動比過程中，首先應(yīng)當(dāng)深刻認(rèn)識傳動系統(tǒng)所具有的輸出特性，這對結(jié)果的確定有著非常重要的意義。

2 整車參數(shù)及性能要求

2.1 參數(shù)

純電動汽車主要有三個動力性能指標(biāo)，分別為最高車速、加速性能和爬坡度。根據(jù)對相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀和整車參數(shù)以及社會調(diào)研，提出本次研究的純電動汽車的動力性能指標(biāo)如下：(1)最大爬坡度(15km/h)≥20%；(2)最大車速≥100km/h；(3)0～50km/h加速性能≤10s，50～80km/h超車加速≤15s；(4)續(xù)駛里程：30km/h等速情況下≥120km，60km/h等速情況下≥80km。

2.2 動力性能參數(shù)匹配

1)驅(qū)動電機(jī)的選擇及參數(shù)匹配。正確選擇電動機(jī)的額定參數(shù)非常重要。如果選擇的電機(jī)功率過小，那么電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速可能達(dá)不到汽車設(shè)計的性能要求，并且電機(jī)會常在過載狀態(tài)下運(yùn)行，有損電機(jī)；相反，如果選擇的電機(jī)功率過大，那么電機(jī)常在欠載狀態(tài)下運(yùn)行，此外效率及功率因數(shù)也會降低，這樣不僅浪費(fèi)電能，而且增加動力電池的容量，綜合經(jīng)濟(jì)效益下降。

2)驅(qū)動電池的選擇及參數(shù)匹配。電池的選擇主要影響純電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程，純電動汽車行駛完全依賴電池的容量，電池容量越大，可以實(shí)現(xiàn)的續(xù)駛里程越長，但是電池的體積和質(zhì)量也會越大，會影響到車輛的性能。通過市場上各種電池的對比，本次研究所選用的電池為磷酸鐵鋰電池，最大充電量為SOC(充電容量與額定容量的比值，用百分比表示)的90%計算，最大放電程度按照SOC為10%計算。

3 純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法的仿真研究

3.1 變速器速比仿真

純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法仿真的關(guān)鍵在于變速器的速比仿真。設(shè)計人員在變速比的選擇過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況對其進(jìn)行分配，最終使其保持良好的功率。

1)依據(jù)選型匹配，計算得到的動力系統(tǒng)基本滿足整車指標(biāo)要求，但由于選型部件的余量較小，考慮損耗等因素，在主減速比為K1-K3時，最高爬坡度稍微低于預(yù)期。2)由于忽略了電池質(zhì)量等差異，兩種動力電池對整車動力性基本無影響，但續(xù)駛里程和百公里電耗與其密切相關(guān)。由于行駛工況并非等速工況，所以百公里電耗與續(xù)駛里程并無明確的關(guān)系，并非百公里電耗越小，續(xù)駛里程就越大。3)汽車最高車速和最大爬坡度都是反映汽車動力性能的重要指標(biāo)，但兩者無法同時得到提高，因此在多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計中，必須針對特定需求，選擇具體的優(yōu)化目標(biāo)。雖然不同組合都能基本滿足整車性能指標(biāo)，但電動汽車在設(shè)計時往往側(cè)重點(diǎn)于某些指標(biāo)，從而產(chǎn)生了方案擇優(yōu)問題。

3.2 車身力學(xué)仿真

純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法仿真離不開車身力學(xué)仿真工作的有效支持。車身仿真模型車身仿真模型包括滾動阻力、坡度阻力、迎風(fēng)阻力、加速阻力計算子模塊以及汽車車速計算子模塊。舉例來說，在車身力學(xué)仿真過程中，需要考慮的參數(shù)包括最高車速。這一參數(shù)是指汽車在水平的良好路面如瀝青或混凝土等路面上能夠達(dá)到的最高行駛車速。爬坡能力這一參數(shù)的內(nèi)容主要包括了電動汽車各檔車速所能克服的最大爬坡能力和起步時的最大爬坡能力。這一參數(shù)的仿真可以通過建立速度與爬坡度關(guān)系曲線獲得。車輛加速時間的參數(shù)是評判電動汽車的一項(xiàng)重要指標(biāo)，所以汽車車速計算子模塊在模型總成中也具有相當(dāng)重要的作用。通過該模塊計算出汽車行駛車速，根據(jù)車輪反饋的汽車所需驅(qū)動力和線性速度，計算出傳遞給汽車所需的驅(qū)動力以及更新下一刻車速。主減速器仿真模型總成通過車輪/輪軸傳遞的主減速器輸出端需要的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及由變速器反饋而來的有效轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，修正主減速器輸入端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，算出主減速器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

通過以往研究，以磷酸鐵鋰電池為能源的此款電動汽車在加速性、爬坡能力、最大車速、續(xù)駛里程等動力性能指標(biāo)上滿足設(shè)計要求，驗(yàn)證了提出的設(shè)計計算方法和模型仿真的正確性，為電動汽車的設(shè)計、性能預(yù)測和分析提供了一定的依據(jù)，促進(jìn)了電動汽車行業(yè)的發(fā)展。

[1] 夏青松.電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究[D].武漢理工大學(xué)，2007.

[2] 吳秋德.電動汽車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計及性能仿真研究[D].吉林大學(xué)，2011.