基于電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

邵得孟，史振萍

（德州學(xué)院，山東 德州 253000）

基于電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

邵得孟，史振萍

（德州學(xué)院，山東 德州 253000）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)環(huán)保建設(shè)的關(guān)注度越來越高，電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)作為影響環(huán)境質(zhì)量的一項(xiàng)重要因素也逐漸成為了社會(huì)各界的研究方向。文章主要以環(huán)保建設(shè)和低成本為質(zhì)量目標(biāo)，研究電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)性能，并通過優(yōu)化的手段加以改善。

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.006

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-13-03

引言

電動(dòng)汽車作為一種交通工具，隨著汽車行業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)上的崛起，各國(guó)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域均投入了大量的精力與財(cái)力，并且取得了較為顯著的效果。然而，電動(dòng)汽車在生產(chǎn)過程中依然存在一系列問題，例如生產(chǎn)耗時(shí)較大，生產(chǎn)成本相對(duì)較高以及污染指數(shù)控制不佳等。因此，本文主要以改善電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能為出發(fā)點(diǎn)，研究電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，對(duì)于發(fā)展電動(dòng)汽車行業(yè)具有較高的指導(dǎo)意義。

1、電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車與一般的汽車相比，其能量的傳遞方式主要是通過導(dǎo)線以電流形式的柔性傳播，與傳統(tǒng)的剛性機(jī)械連接相比，電動(dòng)汽車各部分的結(jié)構(gòu)在配置的過程中更加靈活，而且可以有效的安排系統(tǒng)空間。電動(dòng)汽車一般包括三種類型，即純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車的一般系統(tǒng)組成包括電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)決定了整個(gè)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)組成以及性能特征，相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)與其它功能以機(jī)電一體化的方式相結(jié)合，這也是區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同之處。

圖1　電動(dòng)汽車典型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)分析

影響電動(dòng)汽車性能的首要技術(shù)就是電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類主要包括直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等，其具體的性能特點(diǎn)，如表1所示[2]。

表1　電力種類和性能對(duì)比

在實(shí)際選擇過程中，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)要滿足電動(dòng)汽車初始速度和加速過程中的動(dòng)力要求，保證其在加速過程中能夠盡可能的在高功率范圍內(nèi)工作，并且對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可控性能、動(dòng)態(tài)性能以及其它性能均提出了要求，因此，在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過程中要綜合比較不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，作出正確的判斷。

除了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)以外，動(dòng)力蓄電池也是關(guān)鍵技術(shù)之一，即蓄電池的性能可以直接影響到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能。

結(jié)合襄陽市的主要災(zāi)害類型，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和其他城市的經(jīng)驗(yàn)做法，總體上采用《關(guān)于加強(qiáng)城市綠地系統(tǒng)建設(shè)提高城市防災(zāi)避險(xiǎn)能力的意見》（建城[2008]171號(hào)）的分類，將襄陽市防災(zāi)避險(xiǎn)綠地分為防災(zāi)公園、臨時(shí)避險(xiǎn)綠地和緊急避險(xiǎn)綠地3類，如表1所示。在服務(wù)半徑和有效面積上則采用GB 51143—2015《防災(zāi)避難場(chǎng)所設(shè)計(jì)規(guī)范》。

2、電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1電動(dòng)汽車的受力分析

電動(dòng)汽車在行駛的過程中受到外界多種阻力，因此汽車的驅(qū)動(dòng)力與電動(dòng)汽車所受到的外界阻力之和相等。其中汽車的驅(qū)動(dòng)力可以通過式1.1表達(dá)。

如式1.1所示，其中T表示電動(dòng)機(jī)的扭矩，單位為（N.m），ig表示變速器的傳動(dòng)比，io為主減速器的傳動(dòng)比，r為汽車車輪的半徑，nt為傳統(tǒng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。

除式1.1,以外，汽車的驅(qū)動(dòng)力Fr=Ff+Fw+Fi+Fj，其各自分別表示為地面的滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力，驅(qū)動(dòng)力與4種阻力之間的關(guān)系為近似關(guān)系，在誤差允許范圍內(nèi)二者可以建立相等關(guān)系。

2.2電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能分析

電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能主要包括最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度和續(xù)航里程等幾個(gè)方面。最高車速的表達(dá)式為uσ=0.377m/igi0；爬坡能力等于驅(qū)動(dòng)力與空氣阻力和滾動(dòng)阻力的差，加速時(shí)間t=1/3.6*δm/Ft-(mgf+CDAuσ2/21.15)，純電動(dòng)汽車等速行駛下的續(xù)航里程可以表示為L(zhǎng)=Wnuσ/P，W表示電池總能量[3]。

2.3電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與選型

表2　整車參數(shù)

表3　性能指標(biāo)參數(shù)

本文中設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要采取了800rpm的永磁同步電機(jī)，恒功率的擴(kuò)大系數(shù)設(shè)置在2到4之間，最大坡道上坡時(shí)所需要的功率要大于等于38.7卡瓦，加速過程中的最大功率不小于25卡瓦，電動(dòng)機(jī)峰值功率為65KW，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過載系數(shù)取2.5時(shí)，額定功率為26KW處于25KW以上的范圍內(nèi)。在最大坡度行駛所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為170N.m。電動(dòng)汽車的最小傳動(dòng)比要小于7.16，最大傳動(dòng)比要大于2.8，最后得到的傳動(dòng)比范圍為5.51-7.1之間，電池容量為70Kw.h,蓄電池的個(gè)數(shù)為35個(gè)[4]。

3、電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的仿真與分析

本文采取的仿真軟件為ADVISOR仿真軟件，仿真前期需要做的基本工作包括電動(dòng)汽車車輛、車輪、減速器、變速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和蓄電池的基本模型，然后進(jìn)入到模型的仿真分析與優(yōu)化過程，鑒于模型建立過程較為繁瑣，本文主要分析模型的仿真分析測(cè)試結(jié)果。

整車模型參數(shù)主要包括表2中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，仿真任務(wù)主要包括對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的最高車速、最大爬坡度、加速性能和續(xù)航里程進(jìn)行仿真。

循環(huán)道路工況主要選擇美國(guó)的CYS_UDDS，其與我國(guó)的道路情況較為相似。基于此，得到的仿真測(cè)試結(jié)果如圖所示[5]。

圖2　仿真測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過仿真測(cè)試以后，分析其仿真結(jié)果，總結(jié)為表4。由表4可以清晰的看出電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)與期望指標(biāo)之間的差異，在最高車速和續(xù)航里程兩項(xiàng)指標(biāo)上，動(dòng)力系統(tǒng)均超越了期望指標(biāo)。但是在加速性能與爬坡性能兩個(gè)方面與期望值相差較大，有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

表4　仿真結(jié)果匯總分析表

4、結(jié)論

綜上所述，通過分析電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，了解到電動(dòng)汽車的基本工作原理，并設(shè)計(jì)出與電動(dòng)汽車功能需求相適應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)。通過采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬，得出的結(jié)果顯示，大部分的性能指標(biāo)符合期望要求，部分性能指標(biāo)有待于進(jìn)一步改善。

[1]黃萬友. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)匹配技術(shù)研究[D].山東大學(xué),2012.

[2]潘磊. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及仿真優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2015.

[3]陳宗波. 雙驅(qū)電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真研究[D].重慶大學(xué),2013.

[4]李夏楠. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法仿真研究[D].武漢理工大學(xué),2013.

[5]田超賀,張昕,張欣. 可充電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)分析及仿真研究[J]. 北京汽車,2011,04:5-8+11.

Research on design and Simulation of electric vehicle power system

Shao Demeng,Shi Zhenping
( Dezhou University, Shandong Dezhou 253000 )

with the development of the national economy, the construction of environmental protection has been paid more and more attention, the power system of electric vehicle is regarded as one of the important factors affecting the quality of the environment has gradually become the research direction of the community. This paper mainly to the construction of environmental protection and low cost as the quality objectives, design of electric vehicle power system, combined with the the computer simulation technology, the performance prediction process of electric vehicle power system design, and be improved by means of optimization.

electric vehicle power system; design; simulation

U464.9

A

1671-7988(2016)11-13-03

邵得孟（1994-），男，就讀于德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，專業(yè)：交通運(yùn)輸 （汽車運(yùn)用方向）。

指導(dǎo)教師：史振萍，（1971-），女，講師，就職于德州學(xué)院，從事機(jī)械制圖和理論力學(xué)的教學(xué)與科研工作。