純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)

劉江紅

(天津天海同步科技有限公司， 天津 301600)

純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)

劉江紅

(天津天海同步科技有限公司， 天津 301600)

為了提高電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性要求，在原車(chē)采用固定傳動(dòng)比變速器的基礎(chǔ)上采用兩檔變速器設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的理論分析計(jì)算，確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池及變速器的相關(guān)重要參數(shù)，并對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了合理地匹配。匹配結(jié)果證明，該系統(tǒng)能很好地滿足汽車(chē)動(dòng)力性能要求。

純電動(dòng)汽車(chē) 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng) 參數(shù)匹配 變速器

0 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，石油資源危機(jī)和環(huán)境污染也日益嚴(yán)重，降低汽車(chē)有害氣體污染物排放量、開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)，是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要途徑。近年來(lái)，關(guān)于純電動(dòng)汽車(chē)的研究主要集中在能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(如動(dòng)力電池)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制策略的開(kāi)發(fā)研究方面，然而，在動(dòng)力電池和其他技術(shù)取得有效突破之前，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究是提高電動(dòng)汽車(chē)性能的重要手段之一[1]。純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，如電動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩、傳動(dòng)系傳動(dòng)比以及它們之間的合理匹配等，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程等都有顯著的影響。如果這些參數(shù)選擇或匹配不當(dāng)，有可能使得電動(dòng)汽車(chē)的最高車(chē)速不在最高擋上。而作為純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系的關(guān)鍵部件——變速器的發(fā)展也直接推動(dòng)新能源汽車(chē)的發(fā)展，純電動(dòng)汽車(chē)變速器在影響電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)——續(xù)航里程和車(chē)輛性能上，能夠起到關(guān)鍵的輔助作用[2]。因此，對(duì)新能源汽車(chē)變速器的開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合某款電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，較為全面的考慮了匹配過(guò)程中各參數(shù)的耦合關(guān)系，從滿足動(dòng)力性需求的角度對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇，并從經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)變速器的傳動(dòng)比進(jìn)行了匹配。相比于原車(chē)采用的固定傳動(dòng)比變速器，兩擋變速器使整車(chē)的動(dòng)力性能有所提高，經(jīng)濟(jì)性能更為優(yōu)越。

1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)選型

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性主要由3個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)定：汽車(chē)的最高車(chē)速、加速時(shí)間和最大爬坡度。純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能主要取決于動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配(包括動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、變速器等)以及控制策略和各部件的特性等[3]。根據(jù)要求，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性能及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整車(chē)動(dòng)力性能等相關(guān)參數(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)采用三元鋰離子電池作為其動(dòng)力源，采用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)具有高功率密度、高效率、易散熱、高可靠性和較好的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of power system

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)不同，純電動(dòng)汽車(chē)由蓄電池供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性參數(shù)主要有額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)型對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的性能也有一定程度的影響[4-5]。

設(shè)計(jì)中一般以保證純電動(dòng)汽車(chē)預(yù)期的最高穩(wěn)定車(chē)速來(lái)初步選擇電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率應(yīng)大于等于純電動(dòng)汽車(chē)在水平良好路面上以最高穩(wěn)定車(chē)速勻速行駛的阻力功率，即

(1)

式中，pe為額定功率；m為整車(chē)滿載質(zhì)量；umax為最高車(chē)速；cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ηT為機(jī)械傳動(dòng)效率；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

為滿足純電動(dòng)汽車(chē)在某一恒定速度下的爬坡性能要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)滿足：

(2)

式中，pa為最大爬坡度行駛功率；ui為爬坡時(shí)最低車(chē)速；αmax為爬坡度。

在水平道路上，電動(dòng)汽車(chē)在整車(chē)加速過(guò)程的末時(shí)刻輸出最大功率，為滿足其加速性能要求，最大功率應(yīng)滿足：

(3)

式中，pc為加速末所需最大功率；uj為加速末速度；t為加速時(shí)間；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率pmax必須滿足最高車(chē)速、爬和加速時(shí)的功率pe、pa、pc要求，即pmax≥max{pe,pa,pc}，根據(jù)pmax選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率。

此外，峰值功率和額定功率之間還存在如下關(guān)系：

pmax=peλ

(4)

式中，λ為過(guò)載系數(shù)，一般取1～3，此處取λ=3。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩由汽車(chē)實(shí)現(xiàn)最低穩(wěn)定車(chē)速來(lái)達(dá)到最大爬坡度所克服的阻力轉(zhuǎn)矩決定，即

(5)

式中，Tmax為電機(jī)最大扭矩；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑；imax為傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比。

電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速可分為：低速電機(jī)(轉(zhuǎn)速3 000 r/min～6 000 r/min)、中速電機(jī)(轉(zhuǎn)速6 000 r/min～10 000 r/min)和高速電機(jī)(轉(zhuǎn)速10 000 r/min～15 000 r/min)等。高速電機(jī)可以在一定程度上進(jìn)一步提高汽車(chē)最高車(chē)速，但高速電機(jī)在生產(chǎn)工藝上要求更為嚴(yán)格，且對(duì)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪和軸承等部件的抗沖擊度和抗疲勞能力都有更高要求[6]。因此，在滿足要求的情況下選用最高轉(zhuǎn)速7 000 r/min的中速永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象。

綜合以上分析和計(jì)算結(jié)果，調(diào)查市場(chǎng)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品參數(shù)。最終選取的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表所示。電機(jī)外特性如圖所示。

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)

圖2 電機(jī)外特性曲線Fig.2 The external characteristic curve of motor

2.2動(dòng)力電池參數(shù)確定

動(dòng)力電池的參數(shù)匹配主要考慮電池組的容量、電壓、能量密度及電池的類(lèi)型等。確定電池組最大數(shù)目的方法是使電池組最大輸出功率大于等于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率，電池組最小數(shù)目由電池組最低工作電壓大于等于電機(jī)最小工作電壓的約束條件來(lái)確定。而電池組的容量主要是由車(chē)輛行駛時(shí)的最大輸出功率和電動(dòng)汽車(chē)最大續(xù)駛里程所消耗的能量所限制的[4]，如下式所示

(6)

式中，E為電池組容量；e為單位能耗行駛里程；S為續(xù)駛里程；η為放電深度(DOD)，這里DOD取90%。

通過(guò)綜合考慮各種電池的性能并借鑒國(guó)內(nèi)外各汽車(chē)公司的使用經(jīng)驗(yàn)，選用三元鋰離子電池，電池額定電壓146 V，電池容量136 Ah。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前要對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行匹配。電機(jī)在輸出性能一定的前提下，傳動(dòng)比的選擇主要取決于汽車(chē)的動(dòng)力性。對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，在一定程度上檔位數(shù)越多，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高性能區(qū)域的可能性越大，進(jìn)而提高了汽車(chē)的行駛經(jīng)濟(jì)性。相比之下，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)具有較寬的工作范圍。電機(jī)低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率的特性使汽車(chē)的運(yùn)行不需要過(guò)多檔位，過(guò)多的檔位會(huì)增加變速器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)通常分為固定速比和可變速比齒輪減速，固定速比的變速器并不能滿足電機(jī)常工作于高效率區(qū)，可變速比變速器可以在低檔位得到較高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，高檔位得到較高行駛速度，所以本車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)選擇兩檔速比設(shè)計(jì)，不僅可以使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，控制容易，同時(shí)又能滿足汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性的要求[6]。

其檔位的選擇應(yīng)該滿足如下原則：一檔傳動(dòng)比應(yīng)該滿足汽車(chē)的爬坡性能，同時(shí)要兼顧電機(jī)低速區(qū)工作的效率；二檔的傳動(dòng)比應(yīng)該滿足汽車(chē)行駛的最高車(chē)速，同時(shí)盡量降低電機(jī)輸入軸的轉(zhuǎn)速，兼顧電機(jī)高轉(zhuǎn)速工況下的效率[7]。

最低檔速比的下限應(yīng)滿足汽車(chē)在電機(jī)最大輸出扭矩下的爬坡度：

(7)

式中，i0為主減速器傳動(dòng)比；igt為一檔傳動(dòng)比。

最低檔速比的上限應(yīng)滿足汽車(chē)在爬坡時(shí)以最低穩(wěn)定車(chē)速行駛：

(8)

式中，nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。

最高檔速比的下限由汽車(chē)按最高車(chē)速行駛時(shí)的阻力限定：

(9)

式中，igmax為最高檔傳動(dòng)比。

最高檔速比的上限由汽車(chē)最高車(chē)速和電機(jī)最高轉(zhuǎn)速?zèng)Q定：

(10)

此外，在汽車(chē)爬坡與加速過(guò)程中，傳動(dòng)系傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力需滿足驅(qū)動(dòng)輪與路面之間的附著條件：

(11)

式中，ig為變速器中某一檔位速比；φ為路面附著系數(shù)。

對(duì)于只有兩個(gè)檔位的變速器，兩檔位之間的傳動(dòng)比應(yīng)該合理分配，否則可能由于兩個(gè)檔位之間的驅(qū)動(dòng)力不連續(xù)導(dǎo)致?lián)Q擋時(shí)動(dòng)力中斷，進(jìn)而影響駕駛體驗(yàn)。此外，兩擋傳動(dòng)比的匹配不僅要考慮在理論上滿足整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，也要考慮實(shí)際工程的約束條件，如變速器尺寸及主減速器離地間隙、齒數(shù)配比等等，進(jìn)一步縮小兩擋傳動(dòng)比的合理取值范圍。

綜合上述分析和計(jì)算，最終確定主減速器傳動(dòng)比為4.105，一檔傳動(dòng)比為2.238，二檔傳動(dòng)比為1.029。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的理論分析計(jì)算，并考慮實(shí)際工程約束，合理的對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了匹配。由于采用了兩擋設(shè)計(jì)，該變速器可以讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)始終工作在高效區(qū)域，系統(tǒng)效率更高，可以使整車(chē)獲得更長(zhǎng)的續(xù)駛里程。與此同時(shí)，兩擋設(shè)計(jì)還可以在高車(chē)速時(shí)降低電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。此外，該變速器外形尺寸較小，大大減小了設(shè)計(jì)空間，同時(shí)提高了整車(chē)的承載能力。匹配結(jié)果證明該系統(tǒng)能很好地滿足汽車(chē)動(dòng)力性能要求，相較于原車(chē)采用的固定傳動(dòng)比變速器，采用兩擋變速器后最高車(chē)速、百公里加速時(shí)間、爬坡度等均有所提高，該匹配方法結(jié)合了理論和實(shí)際要求，具有一定普適性和工程應(yīng)用價(jià)值。

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MatchingDesignofParametersofPowerTransmissionSystemforElectricVehicles

LiuJianghong

(TianjinTANHASTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin301600)

In order to improve the requirements of power and economic of electric vehicle, it uses the two speed transmission on the basis of the original car using fixed transmission. Through the theoretical analysis and calculation of the parameters of the drive motor and the transmission system, the important parameters of the drive motor, the power battery and the transmission are determined, and the parameters of the power transmission system are matched reasonably. Matching results show that the system can well meet the requirements of automotive power performance.

Electric vehicle Power transmission system Parameter matching Transmission

U463.21

B

1006-8244(2017)03-024-04

劉江紅(1990-)，男，碩士，助理工程師，主要從事新能源汽車(chē)變速器的開(kāi)發(fā)工作。E-mail：ljianghong@sina.cn。