純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配及優(yōu)化

摘 要：在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中，純電動(dòng)汽車已經(jīng)成為交通運(yùn)輸領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。作為純電動(dòng)汽車的重要組成部分，傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配對(duì)于汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著舉足輕重的作用。通過對(duì)純電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配，實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的雙重提升。這不僅可以改善車輛的加速性能、最高車速和爬坡能力，還可以提高車輛的續(xù)航里程和降低使用過程中的能耗費(fèi)用。此外，通過對(duì)參數(shù)的合理匹配，車輛在降低自重的同時(shí)，也可以提高經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的研究，對(duì)其參數(shù)匹配和優(yōu)化計(jì)算的方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 傳動(dòng)系統(tǒng) 參數(shù)匹配 CRUISE

1 純電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)組成

由中央控制單元、驅(qū)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置等組成的純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)。純電動(dòng)車仍保留加速踏板、剎車踏板和相關(guān)手柄或按鈕，以適應(yīng)駕駛者的傳統(tǒng)操作習(xí)慣。而在純電動(dòng)車上則是通過將加速踏板、制動(dòng)踏板的機(jī)械位移量向中控單元輸入相應(yīng)的電信號(hào)，從而達(dá)到控制汽車的目的。對(duì)于變速桿，為了遵循駕駛者的傳統(tǒng)習(xí)慣，一般還是需要保留的，以開關(guān)信號(hào)的方式傳遞到中控單元，控制汽車前進(jìn)、停車、倒車，這三個(gè)最常見的擋位有空擋、前進(jìn)、例擋。

2 純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

在對(duì)市場上眾多純電動(dòng)車型進(jìn)行深入分析，并結(jié)合用戶喜好、設(shè)計(jì)哲學(xué)和氣候多樣性的仔細(xì)評(píng)估后，確定了車輛的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

2.1 電機(jī)參數(shù)匹配

2.1.1 根據(jù)最高車速來確定電動(dòng)機(jī)功率

式中，M為整車質(zhì)量（kg）；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為迎風(fēng)阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積（m2）；為最高行駛車速（km/h）；為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率。

將M=2030kg；f=0.013；=0.32；A=2.3m2；=180km/h；=0.92代入式3-1中，得=77.89kw

2.1.2 根據(jù)汽車爬坡情況決定電機(jī)功率

式中，為汽車的爬坡角；為爬坡時(shí)的恒定速度（km/h）。

將=arctan40%=21.80°；=40km/h代入式3-2中得=81.98kw

2.1.3 根據(jù)電動(dòng)車的加速性能決定電動(dòng)機(jī)的功率大小

式中，為加速的目標(biāo)速度（km/h）；為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；tm為加速時(shí)間；dt=0.1s；擬合系數(shù)x=0.5。

將=100km/h；=1.05；tm代=9s入得=125.68kw

電動(dòng)機(jī)的功率大小應(yīng)能同時(shí)滿足車輛對(duì)最高車速、加速度及爬坡度的要求。即：

式中，為電機(jī)的額定功率（kw）；電機(jī)的峰值功率（kw）。

通過上面計(jì)算得，=125.68kw

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率和額定功率之間有如下直接的關(guān)系：

式中，λ為電機(jī)過載系數(shù)，取值為2～3，本論文中取值為2。

通過計(jì)算得，=75kw

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速

本文根據(jù)車輛的最高速度和電動(dòng)機(jī)的功率選取交流感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，考慮到一定的冗余量，擬將該款電動(dòng)機(jī)的最高速度選為選15000 r/min。

電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速與電機(jī)的轉(zhuǎn)速峰值之間的關(guān)系如下，關(guān)系式為

β一般選2<β<4本文取3.5。

經(jīng)過計(jì)算，得=4286 r/min。

2.3 電機(jī)扭矩匹配

式中，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（N·m）；電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩（N·m）。

經(jīng)過計(jì)算，得=167.13N·m，取=168N·m；=334.25N·m，取=335N·m。

2.4 減速器參數(shù)匹配

2.4.1 傳動(dòng)比的上限值確定

式中，為主減速器的傳動(dòng)比；變速器的傳動(dòng)比。

經(jīng)過計(jì)算，得。

2.4.2 傳動(dòng)比的下限值確定

經(jīng)過計(jì)算，得。

通過上述計(jì)算，可得，所以本文取i=11.2。

2.5 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

2.5.1 電池能量

符合續(xù)駛里程要求的目標(biāo)車輛性能指標(biāo)

式中，為等速行駛速度（km/h）；L行駛里程（km）；DOD為電池放電深度；為電機(jī)效率；為放電效率；為電池總能量；為汽車附件能量消耗比例系數(shù)。

將=60km/h；L=400km；DOD=0.90；=0.9；=0.9；=0.1代入，得≥79.34kw·h。

2.5.2 電池容量

Um為電池組的額定電壓350V，計(jì)算得CE≥226.70A.h，動(dòng)力電池選用額定電壓3.2V、額定容量60Ah，4芯并聯(lián)，選擇110組電池包串聯(lián)成整塊電池板。總電壓=3.2×110=352V，總電量=320×60×4/1000=84.48kWh。

3 基于CRUISE的整車建模及傳動(dòng)比優(yōu)化分析

3.1 整車模型搭建（見圖1）

3.2 整車動(dòng)力性仿真結(jié)果

3.2.1 最高車速

從圖２中可以看出，電動(dòng)車的實(shí)際最高時(shí)速達(dá)到了 186Km/h，完全可以滿足電動(dòng)車在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)最高車速的要求。

3.2.2 加速性能（見圖３）

全車百公里加速時(shí)間為9.52s，是根據(jù)加速性能模擬結(jié)果得出的。在設(shè)計(jì)時(shí)完全符合電動(dòng)車對(duì)整車加速表現(xiàn)的要求。

3.2.3 爬坡性能

通過仿真成績可以看出，整車爬坡度在20km/h時(shí)為41.58%，而整車速度達(dá)到40km/h，全車爬坡高度是41.39%。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)爬坡的設(shè)計(jì)要求，與電動(dòng)汽車的要求是完全一致的。

3.2.4 續(xù)航里程

從仿真圖中可以看出，在以60km/h的速度勻速行駛的情況下，測試的電動(dòng)汽車在電池電量耗盡前能夠行駛大約485.21km，這個(gè)續(xù)航里程超過了最初設(shè)定的目標(biāo)400km。

4 優(yōu)化

本文根據(jù)通過不同工況下的續(xù)航里程來進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 NEDC工況

NEDC （New European Driving Cycle）工況是歐洲續(xù)航標(biāo)準(zhǔn)測試工況，最新的是1997年版本，包含4個(gè)市區(qū)循環(huán)和1個(gè)郊區(qū)循環(huán)。其中市區(qū)工況共780秒，最高車速50km/h；郊區(qū)工況400秒，最高車速120km/h，見圖６。

4.2 WLTC工況

WLTC（WorldwideHarmonized Light Vehicles TestCycle），是由聯(lián)合國制定，誕生于2017年的測試標(biāo)準(zhǔn)，用于確定傳統(tǒng)和混合動(dòng)力汽車的污染物水平、二氧化碳排放量、油耗水平以及純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的純電動(dòng)續(xù)航里程，包括30%的城市道路，33%的鄉(xiāng)村道路，以及33%的高速公路駕駛循環(huán)，見圖７。

NEDC工況多數(shù)處于勻速行駛狀況，速度-時(shí)間曲線十分規(guī)則屬于穩(wěn)態(tài)的工作范疇。WLTC相較于NEDC模擬出的工況更多，還考慮了剎車、短暫停車的情況更加符合實(shí)際行駛環(huán)境參考意義更大。

5 結(jié)論

總結(jié)前文，文章采用了cruise軟件進(jìn)行研究，并有效地得出了預(yù)期的研究結(jié)論。此外，仿真分析的成果進(jìn)一步證明了本文所提仿真模型在純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配、設(shè)計(jì)及性能研究方面的實(shí)用價(jià)值。

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