新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車仿真分析

楊勝兵　宋鵬飛　毛沖沖

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)　武漢　430070)　(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)　武漢　430070)

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新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車仿真分析

楊勝兵1,2)宋鵬飛1,2)毛沖沖1,2)

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)武漢430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢430070)

在傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上提出了一種新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車，對(duì)電機(jī)、電池，以及傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，采用CRUISE/SIMULINK軟件聯(lián)合搭建新型機(jī)構(gòu)的純電動(dòng)汽車整車模型和傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的純電動(dòng)汽車整車模型.對(duì)整車性能仿真，通過理論對(duì)比計(jì)算，驗(yàn)證該方法的可行性；通過新型結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)汽車仿真結(jié)果對(duì)比分析，得到性能的優(yōu)缺點(diǎn).

雙電機(jī)；純電動(dòng)汽車；CRUISE/SIMULINK

0　引　　言

隨著我國(guó)汽車保有量的急劇增加，能源日益枯竭，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，新能源汽車的研發(fā)得到了廣泛的重視.純電動(dòng)汽車是目前解決能源危機(jī)和環(huán)境污染最具潛力和最成熟的新能源汽車之一，但到目前為止，市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性能不佳、續(xù)航里程達(dá)不到使用要求，不能滿足人們的生活及生產(chǎn)需求，因此還需要對(duì)純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高整車動(dòng)力性能及續(xù)航里程.徐達(dá)偉等[1-2]基于CRUISE對(duì)純電動(dòng)客車進(jìn)行了主驅(qū)電機(jī)、傳動(dòng)系參數(shù)匹配優(yōu)化，朱鵬飛等[3-5]對(duì)純電動(dòng)轎車傳動(dòng)系、動(dòng)力電池進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化，劉小飛等[6-8]分別研究了純電動(dòng)車和混動(dòng)動(dòng)力汽車的整車控制策略.另外，武漢理工大學(xué)黃妙華教授提出了雙電機(jī)四驅(qū)純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)，但并未進(jìn)一步進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究.文中在傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上提出了一種新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車，并基于CRUISE對(duì)其進(jìn)行仿真分析.

1　新型雙電機(jī)電動(dòng)汽車原理

以某一電動(dòng)轎車為原型，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新改進(jìn)及建模仿真分析.

圖1為傳統(tǒng)單電機(jī)電動(dòng)汽車原理圖，一般為前輪驅(qū)動(dòng)，主要包括電池、電機(jī)、離合器、變速器、主減速器/差速器.

圖1　傳統(tǒng)電動(dòng)汽車原理圖

圖2為新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車原理圖，在原來傳統(tǒng)電動(dòng)汽車加裝了一個(gè)電機(jī)和一套傳動(dòng)系統(tǒng)，其中傳動(dòng)系統(tǒng)減少了變速器.基本工作原理為：電動(dòng)汽車在低速行駛時(shí)，感應(yīng)電機(jī)斷電，離合器1分離，離合器2結(jié)合，永磁同步電機(jī)工作，帶動(dòng)后輪驅(qū)動(dòng)車輛行駛；當(dāng)車速大于某一值時(shí)，永磁同步電機(jī)停止工作，離合器2分離，離合器1結(jié)合，感應(yīng)電機(jī)工作，并帶動(dòng)前輪驅(qū)動(dòng)汽車行駛.

圖2　新型雙電機(jī)電動(dòng)汽車原理圖

相比傳統(tǒng)電動(dòng)汽車，新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)為：(1)低速時(shí)同步電機(jī)工作，高速時(shí)感應(yīng)電機(jī)工作，有效避開了感應(yīng)電機(jī)低轉(zhuǎn)速效率低的問題，提高了整車經(jīng)濟(jì)性；(2)低速時(shí)后輪驅(qū)動(dòng)，容易轉(zhuǎn)向過度，提高了整車的操控性和爬坡能力；高速時(shí)前輪驅(qū)動(dòng)，容易轉(zhuǎn)向不足，提高了整車的穩(wěn)定性；(3)汽車前后軸質(zhì)量分配更合理，提高了整車的制動(dòng)性能和操縱性以及輪胎的使用壽命；(4)雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立工作，避免了2個(gè)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)轉(zhuǎn)速上的精確匹配，降低了電機(jī)控制器的控制要求及開發(fā)成本.缺點(diǎn)為整車質(zhì)量、成本增加.

綜上可知，新型雙電機(jī)獨(dú)立分時(shí)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車具有很多傳統(tǒng)電動(dòng)汽車不具有的優(yōu)點(diǎn)，雖然整車質(zhì)量和成本有所增加，但由于傳動(dòng)系統(tǒng)去掉了變速器，所以整車質(zhì)量和成本增加幅度較小，對(duì)整車性能及成本影響不大.

2　動(dòng)力參數(shù)匹配計(jì)算

新型雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)單電機(jī)電動(dòng)汽車整車具體參數(shù)和性能指標(biāo)見表1～2.

表1　新型電動(dòng)汽車整車基本參數(shù)和性能指標(biāo)

表2　傳統(tǒng)電動(dòng)汽車整車基本參數(shù)

2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車的核心部件，它的性能直接影響到了電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此有必要對(duì)電機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)(功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速)進(jìn)行匹配計(jì)算.

2.1.1感應(yīng)電機(jī)參數(shù)匹配

感應(yīng)電機(jī)只有在汽車車速大于某一預(yù)設(shè)值(本車型預(yù)設(shè)值為51 km/h)時(shí)，才介入工作，因此只需考慮其峰值功率和最高轉(zhuǎn)速滿足最高車速和51～100 km/h的加速時(shí)間即可.

依據(jù)最高車速確定電機(jī)峰值功率，計(jì)算公式為

(1)

在加速末時(shí)刻，電機(jī)輸出最大功率，因此在61～100 km/h的加速過程中最大功率的計(jì)算公式為

(2)

據(jù)最高車速確定電機(jī)最大轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為

(3)

式中:umax為最高車速；u1為100 km/h；ηt為傳動(dòng)系機(jī)械效率；m為汽車整備質(zhì)量；u2為61 km/h；f為路面滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；t1為51～100 km/h的加速時(shí)間；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，一般取1.08；dt為迭代步長(zhǎng)，通常取為0.1 s.

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(1)～(3)進(jìn)行計(jì)算，得：Pmax1=39.3 kW，Pmax2=48.4 kW，umax=7 501 r/min，從而得 感應(yīng)電機(jī)的最高功率Pmax=max{Pmax1，Pmax2}，考慮到實(shí)際運(yùn)行中的損耗和效率問題，電機(jī)的峰值功率取為55 kW，最高轉(zhuǎn)速取為8 000 r/min.

2.1.2永磁同步電機(jī)參數(shù)匹配

永磁同步電機(jī)只在汽車低速行駛時(shí)工作，因此只需考慮其峰值功率和最大轉(zhuǎn)矩、最大爬坡度和0～61 km/h的加速時(shí)間即可.

依據(jù)最大爬坡度確定電機(jī)峰值功率，計(jì)算公式為

(4)

在加速末時(shí)刻，電機(jī)輸出最大功率，因此在0～51 km/h的加速過程中最大功率的計(jì)算公式為

(5)

最大爬坡度確定電機(jī)最大扭矩，計(jì)算公式為

(6)

(7)

式中：αmax為最大爬坡度；ua為61 km/h；u2為20 km/h;t2為0～61 km/h的加速時(shí)間；i2為主減速器2的傳動(dòng)比.

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(4)～(7)進(jìn)行計(jì)算，得：Pmax3=34 kW，Pmax4=58.3 kW，Tmax=279.9 N·m，從而得 感應(yīng)電機(jī)的最高功率Pmax=max{Pmax3，Pmax4}，考慮到實(shí)際運(yùn)行中的損耗和效率問題，電機(jī)的峰值功率取為60 kW，最大轉(zhuǎn)矩取為280 N·m.

2.2主減速器傳動(dòng)比的選定

2.2.1前主減速器傳動(dòng)比的選取

當(dāng)電動(dòng)汽車車速大于預(yù)設(shè)值(51 km/h)時(shí)，感應(yīng)電機(jī)工作，整車為前驅(qū)模式，故前主減速比直接影響了電動(dòng)汽車的最高車速，即前主減速比由感應(yīng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和整車最高車速確定，計(jì)算公式為

(8)

式中：nmax=8 000 r/min，umax和r可查表1，得：i2≤6.05,綜合考慮選取i2=5.58.

2.2.1后主減速器傳動(dòng)比的選取

由前述可知，當(dāng)電動(dòng)汽車車速小于預(yù)設(shè)值(51 km/h)時(shí)，永磁同步電機(jī)工作，整車為后驅(qū)模式，故后主減速比直接影響了電動(dòng)汽車的最大爬坡度，即前主減速比由永磁同步電機(jī)的最大扭矩和整車最大爬坡度確定，計(jì)算公式如下.

(9)

將各參數(shù)代入可得：i1≥5.61，綜合考慮取i2=6.58.

2.3電池參數(shù)選擇

在綜合考慮各種鋰電池的發(fā)展情況、性能、安全性和一致性等因素的情況下，選取鋰離子電池作為動(dòng)力電池，其基本參數(shù)為單體額定電壓3.3 V，單體標(biāo)稱容量10 A·h.鑒于所選取的永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的正常工作電壓為320 V，初步確定電池組的總電壓為320 V，根據(jù)計(jì)算，需要串聯(lián)的電池?cái)?shù)目為320/3.3=97個(gè).

根據(jù)車輛 50 km/h勻速行駛280 km所消耗的能量計(jì)算電池組需并聯(lián)的電池串個(gè)數(shù).此時(shí)所需功率為

(10)

電機(jī)功率為

(11)

式中：ηm為電機(jī)效率，此處取0.9.

汽車所需要消耗的能量為

(12)

式中：S為設(shè)計(jì)續(xù)駛里程，取為160 km/h；ε為電池組的放電深度，取為0.85；W為電池組的放電量.

電池組容量的表達(dá)式為

(13)

式中：U為電池組的平均工作電壓.

將數(shù)據(jù)代入式(10)～(13)可得C=58.5 A·h，故選定電池的成組方式為5并97串.

3　聯(lián)合仿真模型建立

采用CRUISE與Simulink軟件的聯(lián)合仿真建模方法，兩個(gè)軟件都是采用模塊式的建模方法.純電動(dòng)汽車整車模型由 CRUISE 軟件完成建模，建模便捷，模型精度高.而整車控制器則由Simulink開發(fā)，即控制策略由該軟件進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn).聯(lián)合仿真平臺(tái)建模的核心是以CRUISE車輛模型的建模為主，通過軟件本身提供的Simulink接口進(jìn)行聯(lián)合仿真.

3.1建立整車仿真模型

文中提出的新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車是在傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上加裝了一個(gè)電機(jī)和一套傳動(dòng)系統(tǒng)，因此將建立2個(gè)整車模型，即傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車整車模型和新型純電動(dòng)汽車模型，以便進(jìn)行整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比.其中，傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車的整車整備質(zhì)量和滿載質(zhì)量都比新型純電動(dòng)汽車少150 kg，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主減速器參數(shù)、動(dòng)力電池的參數(shù)與新型純電動(dòng)汽車前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主減速器1、動(dòng)力電池的參數(shù)一致.

根據(jù)純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)原理，建立兩個(gè)整車模型，見圖3～4.正確連接機(jī)械連接和信號(hào)連接，然后設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，最后設(shè)定計(jì)算任務(wù).新型純電動(dòng)汽車的整車控制策略由于主要是針對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，所以需要設(shè)定的計(jì)算任務(wù)有：循環(huán)行駛工況(NEDC)、50 km/h勻速行駛續(xù)駛里程，最高車速、最大爬坡度計(jì)算和加速性能計(jì)算.

圖3　新型純電動(dòng)汽車整車模型

圖4　傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車整車模型

3.2整車控制策略

整車控制策略是整車控制器最重要的控制部分，對(duì)整車的性能有著巨大的影響，如何使得車輛在任何時(shí)刻獲得最佳的轉(zhuǎn)矩控制，是整車控制策略的重點(diǎn)，同時(shí)也是整車控制的難點(diǎn).本新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車的整車控制策略由Simulink軟件進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)，并轉(zhuǎn)化為DLL文件，與CRUISE整車模型建立聯(lián)合仿真，如圖3所示中的Matlab DLL模塊.其架構(gòu)見圖5.

圖5　整車控制策略流程圖

4　仿真結(jié)果分析

新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)單電機(jī)電動(dòng)汽車的全負(fù)荷加速對(duì)比圖見圖6，爬坡度對(duì)比圖見圖7.

圖6　電動(dòng)汽車全負(fù)荷加速對(duì)比圖

圖7　電動(dòng)汽車爬坡度對(duì)比圖

由圖6可知，新型雙電機(jī)純電動(dòng)汽車從0～100 km/h的加速時(shí)間為10.5 s，最高車速為179 km/h，均滿足設(shè)計(jì)要求；而傳統(tǒng)單電機(jī)電動(dòng)汽車的百公里加速時(shí)間為11.7 s，最高車速為159 km/h.可知，新型電動(dòng)汽車的百公里加速時(shí)間和最高車速均優(yōu)于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車.

由圖7可知，新型電動(dòng)汽車的最大爬坡度為42.1%，爬坡度隨著車速的增加而減小，在車速為50 km/h時(shí)，爬坡度會(huì)出現(xiàn)小幅上升后平穩(wěn)，這是因?yàn)榇藭r(shí)由后輪驅(qū)動(dòng)變?yōu)榍拜嗱?qū)動(dòng)的原因.可以看出新型電動(dòng)汽車的最大爬坡度要優(yōu)于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的35%.

圖8為新型電動(dòng)汽車在NEDC循環(huán)工況下距離、車速、加速度隨時(shí)間的變化.整個(gè)過程平均車速為33.6 km/h，最大加速度1.1 m/s2.在經(jīng)過多個(gè)NEDC循環(huán)工況后，新型電動(dòng)汽車SOC變化見圖9，續(xù)航里程為160 km，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖8　新型電動(dòng)汽車NEDC循環(huán)工況圖

圖9　新型電動(dòng)汽車NEDC工況下SOC變化圖

5　結(jié) 束 語

在傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上提出了一種新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車，對(duì)電機(jī)、電池以及傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，采用CRUISE/SIMULINK軟件聯(lián)合搭建新型機(jī)構(gòu)的純電動(dòng)汽車整車模型和傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的純電動(dòng)汽車整車模型，然后對(duì)整車性能仿真，通過理論對(duì)比計(jì)算，驗(yàn)證該模型的正確性；通過新型結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)汽車仿真結(jié)果對(duì)比分析，比較了新型電動(dòng)汽車性能的優(yōu)缺點(diǎn)，利用 Cruise 軟件建模仿真可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，減少車輛在設(shè)計(jì)上的盲目性.

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Simulation Analysis of New Time-sharing Independent Double Motor Drive Electric Vehicle

YANG Shengbing1,2)SONG Pengfei1,2)MAO Chongchong1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

Based on the traditional pure electric vehicles, a new dual-motor drive time-sharing independent pure electric car is put forward to conduct parameters matching design of the motor, battery and transmission system. This paper builds a new type pure electric vehicle model and a traditional pure electric vehicle model by the use of CRUISE/SIMULINK software. The vehicle performances of the two models are simulated and compared with theoretical calculations to verify the feasibility of the new dual-motor drive time-sharing independent pure electric car. The advantages and disadvantages of the new vehicle are obtained by perform the comparative analysis of the simulation results of the new structure of pure electric vehicle and traditional structure of pure electric vehicle.

double motors; pure electric vehicle; CRUISE/SIMULINK

2016-05-30

U462.22

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.017

楊勝兵(1973- ):男，博士后，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾履茉雌嚒㈦姍C(jī)控制