超高速電動汽車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能研究?

周 凱，臧經(jīng)倫

(哈爾濱理工大學(xué)汽車電子驅(qū)動控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心，俄亥俄州立大學(xué)汽車研究中心，哈爾濱 150080)

超高速電動汽車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能研究?

周 凱，臧經(jīng)倫

(哈爾濱理工大學(xué)汽車電子驅(qū)動控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心，俄亥俄州立大學(xué)汽車研究中心，哈爾濱 150080)

超高速電動汽車是為突破電動車極限速度而研發(fā)，旨在使車輛達到400mph的速度。車輛動力學(xué)模型、傳動系統(tǒng)模型和制動系統(tǒng)模型的設(shè)計直接影響車輛的動力性能。本文中采用仿真與臺架試驗相結(jié)合的方式，獲取車輛的動力性能。結(jié)果表明，新一代超高速電動汽車的最高時速可超過400mph。

超高速電動汽車；動力系統(tǒng)；傳動系統(tǒng)；動力性能

前言

七葉樹子彈賽車(buckeye bullet)從設(shè)計之初至今已將世界電動汽車最高時速推至超過300mph。為此，一項新的賽事應(yīng)運而生：陸地速度賽。所有為陸地速度賽設(shè)計的賽車只有一個目的，就是刷新最高時速。

第一代七葉樹子彈賽車(BB1)借鑒豐田普銳斯動力系統(tǒng)，以鎳氫電池作為儲能單元，采用交流感應(yīng)電機后輪驅(qū)動模式，總質(zhì)量1 700kg，最高時速可達315mph[1]。而后的幾年中，氫燃料電池的儲能技術(shù)逐漸成熟，第二代七葉樹子彈賽車(BB2)采用氫燃料電池作為儲能單元，能為車輛提供300kW的功率，該賽車沿用了第一代的動力系統(tǒng)，只是將后輪驅(qū)動改為前輪驅(qū)動。由于改變了儲能單元并增加了額外的電源管理系統(tǒng)，整車質(zhì)量增加到2 600kg，在2009年的測速賽中獲得了303mph的最高時速[2]。因?qū)淙剂想姵氐睦靡堰_到了極限，故須尋求功率密度更高的儲能系統(tǒng)。近幾年，鋰離子電池的較高可靠性以及高功率密度，使其成為電動汽車動力電池的首選。將第二代賽車儲能單元用鋰離子電池組替代，作為第二代與下一代賽車的過渡車型(BB2.5)，由于儲能系統(tǒng)功率密度的增加，賽車總質(zhì)量下降到2 000kg，在2010年的測速賽中獲得了308mph的最高時速[3]。

目前，課題組開始了第三代七葉樹子彈賽車(BB3)的設(shè)計，采用全新的動力系統(tǒng)，力爭將最高時速提高到400mph。4代七葉樹子彈賽車系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)比較

1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為達到400mph的目標時速，車輛的結(jié)構(gòu)需要更精確的設(shè)計。第三代七葉樹子彈賽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[4-5]。

圖1 VBB3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總裝圖

該系統(tǒng)采用鋰離子動力電池組作為儲能單元和四輪驅(qū)動模式，4臺永磁同步電機和4臺三相電壓型逆變器作為動力單元，采用雙電機串聯(lián)形式分別為前、后軸提供動力，電機輸出軸通過離合器與兩速齒輪變速器連接，為車輪提供動力，前、后軸傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。制動器與齒輪變速器相連。前后兩組電池組采用并聯(lián)形式連接。動力系統(tǒng)的能量傳遞如圖2所示。

圖2 動力系統(tǒng)能量傳遞

駕駛員的安全是設(shè)計過程中首先要考慮的環(huán)節(jié)，駕駛艙和控制系統(tǒng)位于車輛的中間部位，使駕駛員盡量遠離高壓系統(tǒng)，同時在駕駛艙內(nèi)部安裝防火系統(tǒng)和駕駛員保護系統(tǒng)。

獲得極限速度是該電動賽車的最終目標，因此，各個環(huán)節(jié)的設(shè)計都要求達到極致，其設(shè)計涵蓋多個工程領(lǐng)域，如車體空氣動力學(xué)、制動與懸架系統(tǒng)動力學(xué)和冷卻系統(tǒng)熱分析，而最重要的部分便是動力與傳動系統(tǒng)的設(shè)計和動力系統(tǒng)部件的集成[6-7]。

2 動力系統(tǒng)參數(shù)

動力系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 動力系統(tǒng)參數(shù)

下面分別對動力系統(tǒng)中的重要部件予以闡述。

2.1 電池

A123電池組由型號為32113的圓柱形電池芯組成，大約2 000顆電池芯通過串并聯(lián)集成到8個電池組中，電池組在充放電過程中，電壓會有一定的波動，但基本維持在750～900V，每個電池組內(nèi)分別集成有電源管理系統(tǒng)，電池組的總質(zhì)量大約占整車質(zhì)量的45%。電池組模型如圖3所示[8]。

圖3 電池組模型

對電池組中兩組20A·h電源模塊進行放電測試，放電電流234A，放電時間80s。圖4為電源模塊熱圖像，兩組模塊經(jīng)大電流放電后，電源模塊溫度分別升至63.9和65.8℃，電池溫升滿足要求。

圖4 電池組溫升測試

2.2 電機與逆變器

電機的設(shè)計需要考慮諸多因素，如整車質(zhì)量、高速運行時車身空氣阻力、輪胎相關(guān)參數(shù)以及變速器速比等。電機運行環(huán)境溫度為-40～140℃，最高運行溫度180℃，電機質(zhì)量41.2kg，星型連接，極對數(shù)5?？傃b時，采取雙電機串聯(lián)形式，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙電機串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

逆變器為三相電壓型，額定輸入直流電壓850V，控制系統(tǒng)額定電壓24V，由獨立的鉛酸電池供電。控制器采用CAN總線通信方式，采用直接轉(zhuǎn)矩控制算法。

為保證高壓逆變器的穩(wěn)定運行，預(yù)充電路的設(shè)計十分重要，它可對逆變器中的電容起保護作用，防止瞬間大電流對其造成永久損壞，預(yù)充電路如圖6所示。

圖6 逆變器預(yù)充電路

2.3 離合器

圖7 離合器結(jié)構(gòu)和工作原理

傳統(tǒng)車輛的離合器難以滿足高速要求，因此設(shè)計了這款同步自動離合器，離合器結(jié)構(gòu)和工作原理如圖7所示。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩從輸入軸輸入，只有當離合器完全接合同時防轉(zhuǎn)桿與滑移件分離時，才能進行轉(zhuǎn)矩對的傳遞，如果輸入軸轉(zhuǎn)速低于輸出軸轉(zhuǎn)速，螺旋鍵槽上的轉(zhuǎn)矩將會反向傳遞，這會導(dǎo)致滑移件從接合位置分離[9]。

2.4 制動器

當車輛以400mph的速度行駛時，對制動系統(tǒng)的性能要求十分嚴格，主制動方式為制動傘(其作用如降落傘，即借助傘的氣動阻力進行制動)，但如果發(fā)生制動傘無法打開的情況，將會產(chǎn)生嚴重的后果，因此還需增加輔助的機械制動系統(tǒng)，以確保車輛安全。制動器模型如圖8所示。

圖8 制動器模型

制動器與齒輪變速器相連，當制動器工作時，制動轉(zhuǎn)矩將通過齒輪變速器傳遞給車輪。制動器原則上只能應(yīng)用于車速在100mph以下的情況，如果車輛在350mph時采用機械制動器制動，制動器將要吸收170MJ的能量，散熱器的溫度將達到1 000℃，制動器會失去制動性能[10]。

2.5 懸架系統(tǒng)

400mph的時速對道路車輛來說需具備極高的穩(wěn)定性，懸架的設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。VBB3采用上下等長的A支臂獨立懸架，球形連接點位于車輪中軸線處，用于消除主銷偏距，懸架系統(tǒng)模型如圖9所示。

圖9 懸架系統(tǒng)模型

動力、懸架和制動系統(tǒng)總裝如圖10所示。

圖10 動力和制動系統(tǒng)總裝圖

3 動力系統(tǒng)性能仿真

車輛性能仿真平臺的建立需要考慮諸多因素，主要包括以下幾部分。

(1)駕駛員行為，包括車輛加速、轉(zhuǎn)向角、加減擋以及緊急制動。

(2)軌跡模型，能夠在超時狀態(tài)下估算車輛軌跡與速度。

(3)車輛動力學(xué)模型，包括輪胎模型、質(zhì)心轉(zhuǎn)移模型、縱向與橫向動力學(xué)模型和空氣動力學(xué)模型。

(4)傳動系統(tǒng)模型，包括電池模型、控制器模型、制動系統(tǒng)模型和電機與逆變器模型，可利用查表方式估算電機轉(zhuǎn)矩、電流和電壓等參數(shù)。

3.1 電機特性

由于在電機控制方面采用直接轉(zhuǎn)矩控制，因此分析電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系對車輛獲得最高時速有著重要意義。電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和效率曲線如圖11所示。

圖11 電機轉(zhuǎn)矩和效率曲線

由圖11可見，在電機達到額定轉(zhuǎn)速之前，電機的效率較高，而當電機在低轉(zhuǎn)速區(qū)和超過額定轉(zhuǎn)速后時效率較低。

電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與功率曲線如圖12所示。電機在額定轉(zhuǎn)速下運行時，可采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式，當電機在額定轉(zhuǎn)速以上運行時，可采用恒功率控制方式。

圖12 電機轉(zhuǎn)矩和功率曲線

3.2 逆變器損耗

逆變器的損耗主要是功率元件開閉過程中產(chǎn)生的損耗。逆變器的損耗如圖13所示。

圖13 控制器損耗

由圖13可見，逆變器損耗與總輸入能量近似呈線性關(guān)系，逆變器的效率在98%以上。

3.3 風(fēng)阻和傳動系統(tǒng)損耗

通常來說，風(fēng)阻與速度的平方呈正比，這意味著當車速達到400mph時，其風(fēng)阻約為300mph時的1.8倍，風(fēng)阻和傳動系統(tǒng)損耗如圖14所示。

圖14 風(fēng)阻和傳動系統(tǒng)損耗

由圖14可見，當車輛高速行駛時，風(fēng)阻損耗占據(jù)主導(dǎo)，因此車輛迎風(fēng)面的設(shè)計也要求嚴格。

3.4 迎風(fēng)面的優(yōu)化

BB2與BB3迎風(fēng)面的設(shè)計如圖15所示。

圖15 BB2與BB3迎風(fēng)面設(shè)計

由圖15可見，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，第三代賽車迎風(fēng)面積減小0.14m2，這可使車輛在高速行駛時的風(fēng)阻降低16.5%。

4 系統(tǒng)臺架測試

動力系統(tǒng)臺架實驗?zāi)Ｐ腿鐖D16所示。

圖16 動力系統(tǒng)臺架實驗?zāi)Ｐ?/p>

由于實驗電機最高運行轉(zhuǎn)速可達10 500r/min，故保證實驗人員的安全十分重要。將實驗臺安裝于密閉集裝箱內(nèi)，控制室通過攝像裝置觀察實驗進程，實驗室整體布局如圖17所示。

圖17 動力系統(tǒng)實驗臺

驅(qū)動電機以電動方式運行，負載電機以發(fā)電方式運行，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，負載電機的電能通過控制器直接回饋給電源。實驗過程中的能量傳遞如圖18所示。

圖18 能量傳遞圖

通過仿真和臺架實驗相結(jié)合的方式可對車輛的高速運行性能進行估算。也即將臺架實驗得到的電機數(shù)據(jù)輸入仿真模型，利用動力系統(tǒng)模型、傳動系統(tǒng)模型和前后軸模型，實現(xiàn)對VBB3的啟動和加速過程的仿真，結(jié)果如圖19所示。

圖19 實驗 仿真結(jié)果

由圖19可見，BB3的實驗 仿真結(jié)果最高車速已超過400mph。

5 結(jié)束語

由于采用了更高效、更先進的動力系統(tǒng)，使第三代七葉樹子彈賽車在仿真平臺上的測算速度能夠超過400mph，而在整體方案改進的過程中，動力系統(tǒng)性能的分析起到了決定性的作用，接下來的工作將圍繞驅(qū)動電機控制策略和車輛安全的方面展開，這些前期工作將會為實車路試打下良好基礎(chǔ)。

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A Research on the Structure and Performance of Powertrain in a Ultrahigh Speed Electric Vehicle

Zhou Kai＆Zang Jinglun
Ministry of Education Engineering Research Center of Automotive Electronics Drive Control and System Integration，Harbin University of Science and Technology，Center for Automotive Research，The Ohio State University，Harbin150080

Ultrahigh speed electric vehicle is developed for breaking through the extreme speed limit of electric vehicle，aiming at the target of maximum speed reaching 400mph.The models of vehicle dynamics，drivetrain and braking system directly affect the power performance of vehicle.In this paper，the way of combining simulation with bench test is adopted to obtain the power performance of vehicle.The results show that the newest generation of ultrahigh speed electric vehicle has reached a maximum speed higher than 400mph.

ultrahigh speed electric vehicle；powertrain；drivetrain；power performance

?國家留學(xué)基金資助。

原稿收到日期為2016年8月10日，修改稿收到日期為2016年9月1日。

周凱，副教授，E-mail：zhoukai4564＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.002