典型工況下電動汽車傳動系統設計研究

吳鐘鳴，楊 帆，郭 語，凌秀軍

（金陵科技學院機電工程學院，江蘇 南京 211169）

1 引言

隨著社會經濟的發(fā)展，汽車作為主要的出行交通工具，增長迅速，內燃機汽車造成的環(huán)境保護問題受到空前關注，各國制定的排放標準越來越嚴格，傳統汽車向新能源汽車發(fā)展的步伐越來越快。

新能源汽車的研發(fā)是目前實現汽車工業(yè)節(jié)能環(huán)保的最優(yōu)選擇，也是各大汽車廠商的關注重點。純電動汽車兼顧了環(huán)境與能源問題，并集高新技術于一體，做到了零排放。電動汽車產業(yè)的發(fā)展不僅可以促進電子技術、控制技術、新材料等技術的發(fā)展，也會對新興產業(yè)的發(fā)展和社會經濟產生深遠的影響[1]。

電驅動及其控制技術作為電動汽車的核心，對汽車的使用性能有重要影響，隨著電驅動技術的不斷發(fā)展，數字化和智能化的控制技術將會得到廣泛應用[2]。

電動汽車傳動系統性能的關鍵之一是驅動電機的選擇，而電動汽車的動力性和經濟性取決于傳動系統參數的設計與匹配[3]。這里根據課題的要求，分別對設計車型在最高車速、最大爬坡度和加速性能下進行電機功率計算。在完成參數的計算匹配后，通過計算機仿真軟件進行電動汽車的性能仿真測試。

2 設計要求

依據國家相關標準和典型的工況，根據課題要求確定整車技術參數，電動汽車整車參數和性能指標，如表1、表2所示。

表1 電動汽車技術參數Tab.1 Electric Vehicle Technical Parameters

表2 整車性能參數指標Tab.2 Vehicle Performance Parameter Index

3 傳動系統設計

3.1 電機參數設計

驅動電機是將電能轉化為機械能的重要裝置，同時，電機也可以將動能轉化為電能并存儲到蓄電池中。在行駛過程中，電動汽車啟停頻繁，需要能夠承受較大的加、減速度，而且要求能夠實現低速大轉矩爬坡，并在高速小轉矩和寬速度范圍運轉。因此，為了滿足汽車的使用性能要求，選擇合適的電機非常重要[4]。

根據技術要求的最高車速，匹配汽車以最大車速行駛時的電機功率，選擇的電機功率大于汽車以最高車速行駛時克服所有阻力消耗的功率總和，再依次計算最大爬坡度和加速性能下的功率[5]。

汽車以最高速度行駛時的功率其表達式為：

假設在汽車行駛過程中，用電設備全開，加上冗余后備功率，取電機的峰值功率Pmax=75kW。

額定功率為：

式中：λ—過載系數，取值范圍（2～4）[6]。經計算，Pe=30kW。

電機根據轉速不同，可以分為低速、中速和高速三類。電動機轉速的高低不但關系到自身的制造成本、工藝和可靠性，而且與之相連的變速器和減速器也會受到影響。因此，電動機轉速的選擇不宜過大也不宜過小。

電動機最高轉速和額定轉速的比值范圍稱為電動機擴大恒功率區(qū)系數β，β的取值范圍在（2～4）之間[6，7]。結合設計要求的最高車速，選取電動機最高轉速為10000r/min，對應的額定轉速為（2500～5000）r/min，取4000r/min。

驅動電機的額定扭矩可由額定功率和額定轉速計算得出：

式中：Pe—額定功率，kW；ne—額定轉速，r/min。

經計算，Te=71.625Nm。

驅動電機的最大扭矩：

經計算，Tmax=215Nm。

電機額定電壓的確定會關系到電池組電壓的匹配。在保證汽車動力性的前提下，可以適當提高電壓，電壓越高，能量輸出過程中的損耗就越小[8]。電動機的額定電壓與額定功率成正比，在計算出額定功率的基礎上選定電機電壓為300V。

3.2 蓄電池參數設計

蓄電池的電壓要求與電機電壓相一致，以確保電機能夠在不同電壓狀態(tài)下正常運行，再加上汽車電器設備的耗能，電池組的總電壓應該大于等于電機額定電壓，選擇的電池組電壓為300V。

按照設計要求，設計車型的續(xù)航里程消耗的總功率可由下式計算：

經計算，電池容量C=45Ah。

鋰離子電池的單體電壓一般為（3.0～4.0）V，選用單體電池電壓為4V，因此，可根據電池組電池單體電壓確定單體電池的數量：

式中：Uc—驅動電機額定電壓；

Ub—蓄電池單體電壓[7，9]。

蓄電池存儲能量的大小取決于電池容量，電池的容量越大，電池的儲能就越多，汽車獲得的后備功率也會隨之增大。較大的電池能量有利于提高汽車的加速性能和最大爬坡度。但是，電池的容量過大會使電池體積質量增大，從而影響整車的結構布置和汽車行駛過程中的動力性。因此，電池參數的選擇需要經過綜合考慮才能確定[10]。這里選取的電池參數，如表3所示。

表3 蓄電池參數Tab.3 Battery Parameter

3.3 傳動比設計

根據驅動電機的最大轉速和最高車速確定傳動比上限，表達式如下：

式中：Fimax—最大爬坡度阻力；Tmax—驅動電機的峰值扭矩[11]。

由式（14）、式（16）和式（17）計算傳動比，傳動比上限i≤10.33，傳動比下限i≥6.46。本文電動汽車傳動系統選定的傳動比為7.1。

3.4 檔位數及布置形式的確定

電動汽車傳動系統的檔位數確定主要取決于所選電機的性能和動力性要求。這里選擇電機的額定轉速為4000r/min，最大轉速為10000r/min，nmax/ne= 2.5，電機的調速范圍較寬，適合汽車的正常使用性能，因此，不需要過多的檔位，選擇的傳動系統的檔位數為1，單級傳動固定速比方案[12]。設計在傳統布置形式的基礎上取消了離合器，并用驅動電機代替發(fā)動機，剩余的空間用于放置控制器和蓄電池。為了合理分配整車的負載，部分動力電池可以放置在汽車后部左右合適的位置。

4 傳動系統仿真分析

汽車在行駛過程中，面對不同的路況，不可能長時間保持某一固定車速行駛。在進行汽車仿真時，要合理選擇符合實際需求的工況，同時盡量能夠采用多種工況仿真的方法，保證實驗結果的準確性與有效性[13-14]。選取典型的兩種循環(huán)工況對整車的動力性進行分析，這兩種工況也是系統仿真的邊界條件，通過仿真來分析系統是否達到了設計的要求。

圖1 ECE_EUDC循環(huán)工況下車速Fig.1 ECE_EUDC Cycle Speed

圖2 UDDS循環(huán)工況下車速Fig.2 UDDS Cycle Speed

圖3 ECE_EUDC循環(huán)工況下電池SOC值Fig.3 Battery SOC Value Under ECE_EUDC Cycle Condition

圖4 UDDS循環(huán)工況下電池SOC值Fig.4 Battery SOC Value Under UDDS Cycle Condition

圖5 ECE_EUDC循環(huán)工況下電機功率Fig.5 Motor Power Under ECE_EUDC Cycle

圖6 UDDS循環(huán)工況下電機功率Fig.6 Motor Power Under UDDS Cycle

圖7 ECE_EUDC循環(huán)工況下電池電流Fig.7 Battery Current Under ECE_EUDC Cycle

圖8 UDDS循環(huán)工況下電池電流Fig.8 Battery Current Under UDDS Cycle

通過對兩種循環(huán)工況仿真結果的對比，無論汽車運行時處于哪種工況，實際行駛車速曲線與循環(huán)工況速度相吻合，說明設計參數合理，整車在仿真過程中動力性良好；電池的SOC值隨汽車行駛距離的增大而逐漸降低，曲線變化平緩，說明放電性能優(yōu)良；電機功率曲線在零線上下波動，當輸出功率位于零線上方，電機處于能量輸出階段，反之則處于再生制動階段；電池電流的變化曲線同樣以零線為分界，在零線上方時，電池處于放電階段，反之則在進行能量存儲。

通過數據對比分析可知，設計車型的續(xù)航能力、加速性能和最大爬坡度滿足設計指標。兩種循環(huán)工況下的整車動力性仿真結果，如表4所示。

表4 兩種循環(huán)工況下仿真結果對照表Tab.4 Comparison of Simulation Results Under Two Cyclic Conditions

根據循環(huán)工況下仿真結果數據對照表，在整車動力性能測試中，整車表現良好，續(xù)駛里程滿足設計要求；而（0～50）km/h加速時間和（0～100）km/h加速時間分別只要3s和8.1s，相比于設計參數，整車的加速性能表現更加優(yōu)異；在25km/h行駛時的最大爬坡度達到39.9%，且最高車速達到171.7km/h。

仿真結果輸出，如圖9 所示。由上至下的四幅圖分別表示車速和循環(huán)工況的運行曲線、能量存儲系統的SOC 變化曲線、排放曲線和傳動系統總速比曲線[15]。續(xù)航能力是評價整車動力性的重要指標，由第一幅圖可知，本文的設計車型至少能夠完成14 個循環(huán)工況，續(xù)駛里程達到150km 以上；第二幅圖反映了能量存儲系統的SOC 值變化情況，在逐漸下降的過程中出現波動則說明產生能量回饋；第三幅圖直接體現了純電動汽車零排放的優(yōu)點；第四幅圖則體現了純電動汽車沒有傳統汽車結構上的變速裝置。

仿真結果輸出，如圖9 所示。由上至下的四幅圖分別表示車速和循環(huán)工況的運行曲線、能量存儲系統的SOC 變化曲線、排放曲線和傳動系統總速比曲線[15]。續(xù)航能力是評價整車動力性的重要指標，由第一幅圖可知，這里的設計車型至少能夠完成14 個循環(huán)工況，續(xù)駛里程達到150km 以上；第二幅圖反映了能量存儲系統的SOC 值變化情況，在逐漸下降的過程中出現波動則說明產生能量回饋；第三幅圖直接體現了純電動汽車零排放的優(yōu)點；第四幅圖則體現了純電動汽車沒有傳統汽車結構上的變速裝置。

圖9 ECE_EUDC循環(huán)工況仿真結果Fig.9 ECE_EUDC Cycle Condition Simulation Results

5 結論

通過研究表明傳動系統的參數匹配是決定系統能否達到設計要求的關鍵環(huán)節(jié)?；趦煞N符合國內道路實際行駛條件的工況，真結果表明設計的傳動系統符合該設計電動汽車最高車速、最大爬坡度、加速性能和續(xù)駛里程的要求，為小型汽車動力系統設計提供了可以參考的案例。后續(xù)可進一步開展特定環(huán)境下路況參數的建模仿真，進而提高傳動系統設計的針對性，開展系統進一步優(yōu)化設計。