純電動汽車驅動系統(tǒng)計算機輔助選型設計

馮志遠，陶元芳

(太原科技大學機械工程學院太原030024)

隨著環(huán)境污染、能源危機的不斷加劇，傳統(tǒng)內燃汽車暴露出了兩大缺點:一是其動力源石油不可再生;二是尾氣排放污染環(huán)境。因此環(huán)境污染小、能源利用率高的純電動汽車開始不斷的走進人們的生活［1］。從2014年起，我國的純電動汽車市場迎來了爆發(fā)式的增長，政府部門出臺多項優(yōu)惠政策，鼓勵純電動汽車的市場推廣，同時號召高校、車企加大關鍵技術的研發(fā)力度。

驅動系統(tǒng)作為純電動汽車最重要的部分，其各項參數(shù)的合理匹配直接決定了整車性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的選型方法多是按照經驗值選取，然后進行手工計算試湊，這種方法對設計人員經驗要求高，且來回試湊效率低下。因此本文在分析了驅動系統(tǒng)動力匹配方法的基礎上，提出了計算機輔助選型設計的方案，減輕了設計人員的負擔，降低了設計門檻，有利于純電動汽車的研發(fā)、推廣。

1 選型匹配方法

1.1 電動機的選型

電動機是驅動系統(tǒng)的核心部件，電動汽車驅動電機主要有交流感應電動機和永磁無刷直流電動機。電動機的參數(shù)有額定電壓、額定功率、峰值功率、額定轉速、最高轉速、最大扭矩［2］。

電動機額定電壓的電壓等級要盡量高，以降低能量損耗，提升效率［3］。額定功率須滿足最高車速、最大爬坡度要求，峰值功率滿足加速性能要求。如果功率選擇過小會使電機長時間過載，過大則無法保證功率的充分應用，效率降低。通過式(1)可以計算出滿足最大爬坡度所需的電動機功率P1，式(2)可以計算出滿足最高車速所需的電動機功率P2，式(3)可以計算出滿足加速性能所需的電動機功率P3［4］。最終所選電動機的額定功率Pe應大于P1和P2，峰值功率Pmax應大于P3.

式中:va為爬坡車速(km/h);f為滾動阻力系數(shù);CD為風阻系數(shù);m為整車整備質量(kg);A為迎風面積(m2);vmax為最高車速(km/h);αmax為最大爬坡度(%);δ為轉動慣量系數(shù) 取1.1;t為加速時間(s);vt為加速后末速度(km/h);η1為電動機效率，取0.85;η2為傳動系統(tǒng)效率，取0.8.

當設計經濟適用型電動汽車時，可不必按式(3)計算峰值功率。因為續(xù)駛里程長、成本低是其最終設計目的，如果追求較高的加速性能必然要增加峰值功率，這樣會使得電機成本升高，運行效率降低。在實際確定功率參數(shù)時，可不考慮加速性能要求，只考慮最高車速和最大爬坡度要求。

在市區(qū)行駛時，最高車速可設置為60～80 km/h，以最高車速行駛時，要求電機處于連續(xù)工作特性狀態(tài)，即電機輸出額定功率。且由于市區(qū)路況良好，汽車處于爬坡的工況比較少，所以可不必使電機額定功率也滿足最大爬坡度要求，峰值功率(電機的短時工作特性)滿足最大爬坡度要求即可。從圖1可以看出，經過計算得出的最大爬坡度所需功率P1與最高車速所需功率P2有以下兩種關系:(1)P1＞P2，此時將P2作為電機的額定功率，P1作為峰值功率，電機以短時工作特性滿足最大爬坡度要求。(2)P1＜P2，此時將P2作為電機的額定功率，由于電機在連續(xù)工作特性時即能滿足最大爬坡度要求，所以不對峰值功率進行要求。

圖1 最高車速和最大爬坡度所要求的功率曲線圖Fig.1 The required power curve of maximum speed and maximum climbing degree

電動機轉速和轉矩的選取與傳動裝置傳動比的選取相互聯(lián)系，只有預先設置好轉速、轉矩參數(shù)或傳動比參數(shù)，才能進行下一步的設計。因此，根據(jù)計算出的電機功率，并結合現(xiàn)有的電機產品，初步預先確定電動機轉速和轉矩參數(shù)，以進行傳動裝置傳動比的選取。傳動比確定之后，再進行電機參數(shù)的微調。

1.2 傳動裝置的選型

傳動裝置的主要參數(shù)有主減速器傳動比和變速器傳動比。變速器可采用多檔傳動或單檔傳動。當采用單檔傳動時，傳動裝置體積小，質量輕，但是對電機的性能要求比較高。采用多檔傳動時，對于電機的性能要求相對較低，但是傳動裝置的體積和質量都會增大，還需要離合器配合換擋，操作不便。因此，目前大部分的電動汽車上都采用了單檔傳動裝置。

采用單檔傳動可利用電動機不同于內燃機的工作特性優(yōu)勢。圖2為電動機的調速特性曲線圖。從圖中可以看出，電機運行在額定轉速以下時輸扭矩不變，在額定轉速以上時輸出功率不變［5］。圖3描述了配置有四檔傳動裝置的內燃機車輛的驅動力以及配置有單檔傳動裝置的電動汽車的驅動力關系［6］。顯然，電動機可以采用單檔傳動代替多檔傳動，滿足整車性能要求。根據(jù)預先確定的電動機參數(shù)與最高車速和最大爬坡度要求可進行單檔傳動裝置傳動比的選取［7］。

圖2 電動機調速特性曲線Fig.2 The characteristic curve of motor speed regulation

圖3 配置四檔傳動裝置的內燃機車輛以及配置單檔傳動裝置的電動汽車的驅動力關系圖Fig.3 The driving force relationship of gasoline engine with 4-speed gearshift and EV with 1-speed gearshift

根據(jù)最高車速可計算出所需傳動裝置的最小傳動比［8］:

式中:nmax為最高轉速;imin為最小傳動比。

根據(jù)最大轉矩可計算出所需傳動裝置的最大傳動比:

式中:Tmax為最大扭矩;imax為最大傳動比。

通過計算得出的最大傳動比和最小傳動比可能有兩種結果:1)imax≥imin，當最大傳動比大于最小傳動比時，采用單檔傳動不能夠同時滿足最高車速和最大爬坡度要求。此時需要增大電動機的最大轉矩或者最高轉速，使得最大傳動比小于最小傳動比。2)imax≤imin，當最大傳動比小于最小傳動比時，單檔傳動的傳動比在兩者之間選取即可，可同時滿足最大爬坡度和最高車速的要求。

當單檔傳動比、最大轉速和最大轉矩確定之后，可根據(jù)常規(guī)車速修正電動機的額定轉速。由電機的效率特性曲線可知，電機運行在額定轉速附近時，效率最高。因此，電動汽車以常規(guī)車速行駛時，要求電機以額定轉速工作，以保證行駛的經濟性。

式中:n0為額定轉速，(r/min);v0為常規(guī)車速，(km/h);i為單檔傳動傳動比。

傳動裝置和電動機參數(shù)的選取是個反復驗證的過程，且符合同一整車性能要求的參數(shù)可有多種組合，應根據(jù)實際需求選取最合理的一組參數(shù)。在軟件中，通過初步選型可得到一組參數(shù)，用戶在更改任何一個參數(shù)后，可進行其它參數(shù)的自動匹配，得到符合性能要求的另外幾組參數(shù)。

1.3 動力電池的選型

現(xiàn)階段，動力電池是限制純電動汽車發(fā)展的最主要因素。市場上采用的單體電池主要有鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池和三元鋰電池。

要求電池組的終止放電電壓V1略大于電動機額定電壓V2.電池組的能量要根據(jù)勻速續(xù)駛里程所需的能量來確定［9］，即:

式中:E為所需電池組能量(kwh);P為電動機在勻速行駛時輸出的功率(kw);t為汽車行駛的時間(s);v為勻速行駛車速(km/h);S為續(xù)駛里程(km);F為勻速行駛時的道路阻力(N);ηDOD為電池的放電深度(%).

電池組一般采用先并聯(lián)成模組，再串聯(lián)成電池組的形式，可靠性較高［9］。根據(jù)現(xiàn)有電池產品，選取合適的單體電池。設單體電池額定電壓為v0，終止充電電壓為v1，額定容量c0，根據(jù)計算，可得出串聯(lián)電池模組的個數(shù):

則電池組的額定電壓V0為:

電池組額定電壓和能量確定之后，便可計算出額定容量，即:

由于電動汽車電池質量要占到整車質量的20%或更高，電池質量的增加對與整車質量的增加有很大的影響。所以不能夠盲目的為了增加續(xù)駛里程，而增加電池質量。由圖4可知，隨著電池重量的增加，續(xù)駛里程增加呈減緩趨勢，所以當續(xù)駛里程超過一定值后，以電池質量的增加換取續(xù)駛里程的增加是不可取的。

式中:C0—電池組額定容量，(Ah).

根據(jù)電池組額定容量和單體電池的額定容量，可計算并聯(lián)單體電池的個數(shù)，即:

圖4 電池組重量對續(xù)駛里程的影響Fig.4 The impact of battery weight on the driving range

2 軟件的開發(fā)

2.1 軟件的特點

軟件以Visual C++6.0為開發(fā)工具，采用面向對象和可視化的方法進行開發(fā)，具有人性化和操作簡單的特點［10］。圖5為軟件的程序流程圖。

軟件共分為五大模塊，分別是整車參數(shù)模塊、整車性能模塊、電動機模塊、傳動裝置模塊、動力電池模塊。各模塊的數(shù)學模型通過結合車輛動力學、電力拖動學和電池學搭建而成。從動力匹配分析結果可以得出，電動機、傳動裝置和動力電池各模塊之間是相互作用的，所以在只給定整車參數(shù)和整車性能的條件下不能計算出它們所有的參數(shù)值。因此本軟件在設計之初人為的設定了一些參數(shù)值以保證選型設計過程的正常運行。用戶可以在后期的調整中對這些參數(shù)值進行修改。在整車參數(shù)模塊中給出了7種車型的整車參數(shù)，為用戶輸入提供了參考依據(jù)。在傳動裝置模塊中，當用戶采用固定級數(shù)變速器時，由于只有一個檔位，想要達到較高的最高車速必然要以損失最大爬坡度為代價。所以該模塊提供了一個分析工具，可以顯示在不同傳動比條件下所能達到的最高車速和最大爬坡度曲線，用戶可以根據(jù)曲線調整整車性能要求。

圖6 為軟件的選型主界面，其提供了一些輔助功能:1)參數(shù)匹配流程圖展示。2)整車參數(shù)和整車性能修改功能，修改之后可以一鍵自動選型。3)廠家電動機、電池選取功能，方便用戶快速熟悉現(xiàn)有產品的參數(shù)，為現(xiàn)有電動機產品匹配合適的傳動比。廠家產品的數(shù)據(jù)記錄在EXCEL文件中，用戶可以在EXCEL中從宏觀的角度分析各廠家產品的差別。4)實時變化可調節(jié)的功率平衡圖和行駛阻力平衡圖，方便用戶查看在不同工況下負載與驅動電動機工作曲線的關系。5)可視化動力電池匹配。6)仿真結果輸出，可與整車性能要求做出比較，然后進行手動的微調。7)可以自動匹配電動機或變速器，當用戶微調了電動機參數(shù)后可以點擊“匹配變速箱”按鈕，軟件就會以整車性能為目標自動匹配變速器。同理，修改了變速器參數(shù)后，可以點擊“匹配電動機”按鈕，軟件自動會匹配電動機。8)方案選定之后可自動輸出TXT文本格式的設計說明書。

2.2 軟件的使用方法

軟件采用對話框界面，人機對話簡單、有效。軟件的主要操作步驟有1)按步驟輸入整車參數(shù)、整車性能要求。2)點擊自動選型，得到一個初始選型方案。3)在可視化調整界面即選型主界面，根據(jù)實時的性能輸出結果進行進一步的方案優(yōu)化調整。4)得到最終方案后輸出設計說明書。

3 實例應用

本實例以純電動汽車比亞迪e6整車和性能參數(shù)為輸入，進行驅動系統(tǒng)各部件的選型。表1為e6的整車參數(shù)，表2為e6的整車性能。

圖6 選型主界面Fig.6 The main interface of selection

表2 比亞迪e6整車性能Tab.2 The performance parameters of BYD e6

選用永磁無刷直流電機作為驅動電動機。將表1和表2中的整車參數(shù)分別代入式(1)、(2)和(3)，經計算可得 P1=68.42 kW，P2=24.72 kW，P3=94.92 kW.依據(jù)功率選取方法，選取電動機額定功率為69 kW，峰值功率為95 kW，參考滿足功率要求的電動機產品，初步確定電動機額定轉速為2 500 r/min，最高轉速為8 000 r/min，最大轉矩為363 Nm.

傳動裝置采用單檔傳動。將相關參數(shù)代入式(4)和(5)計算得最大和最小傳動比為:imin≤7.79，imax≥8.87.可以看出 imin＜ imax，因此必須增大電動機的最高轉速或最大轉矩，使imin＞imax，傳動比可在最小和最大傳動比之間選取。

如果單檔傳動比i≥8.87，則必須增大最高轉速以滿足最高車速要求，所以電機的最高轉速應調整為:

如果單檔傳動比i≤7.79，則則必須最大扭矩以滿足最大爬坡度要求，所以電機的最大轉矩應調整為:

實例中選取單檔傳動比為6.417，則電機的最大轉矩需調整為500 Nm，額定轉速調整為2 350 r/min，峰值功率調整為131 kW.

綜上，電機的額定功率為70 kW，峰值功率為131 kW，額定轉速為2 350 r/min，最高轉速為8 000 r/min，最大轉矩500 Nm，額定電壓為220 V，傳動比為 6.417.

選用磷酸鐵鋰電池作為動力電池。磷酸鐵鋰單體電池各項參數(shù)如表3所示。

由表2可知，要求該電動汽車以60 km/h的速度能夠行駛400 km.根據(jù)式(7)可計算出續(xù)駛里程所需電池組的能量E為62.03 kWh.根據(jù)式(8)～(11)可計算出串聯(lián)電池模塊個數(shù)N1=100，并聯(lián)單體電池個數(shù)N2=20，電池組額定電壓V3=320 V，電池組的額定容量C0=194 Ah.

表3 單體電池參數(shù)Tab.3 The parameters of battery

本實例通過軟件的操作同樣能夠實現(xiàn)上述驅動系統(tǒng)各部件的參數(shù)選取。表4為比亞迪e6先行者的驅動系統(tǒng)部件參數(shù)，可以看出，計算結果與實車參數(shù)大致相符，說明了設計方法和設計軟件的準確性。

4 結論

根據(jù)純電動汽車整車性能要求，進行了驅動系統(tǒng)電動機、傳動裝置和動力電池的選型設計，基于此設計方法，在Visual C++6.0平臺上開發(fā)了純電動汽車驅動系統(tǒng)計算機輔助選型軟件。通過以比亞迪e6為實例進行的驅動系統(tǒng)選型設計，驗證了設計方法和軟件的準確性，同時也說明了以專業(yè)理論為基礎，自行開發(fā)專業(yè)設計軟件是完全可行的。

表4 比亞迪e6先行者驅動系統(tǒng)部件參數(shù)Tab.4 The parameters of BYD e6 driving system

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