纯电动汽车动力性计算(G)

-1-某纯电动汽车动力性分析计算及优化某电动汽车动力输出装置如图：车辆基本参数如上表所示.一、驱动电机参数选择(1)驱动电机功率根据动力系统控制策略,驱动电机的最大功率Pmax必须满足最高车速时的功率要求Pe;必须满足加速、爬坡时的功率Pa、Pc要求;即Pmax≥maxPe、Pa、Pc.Pe=1ηTmℊf3600𝒰max+CDA76140𝒰max3=22kw.(𝒰max为最高车速120km/h).Pc=1ηTmℊfcosαmax3600𝒰a+mℊsinαmax3600𝒰a+CDA76140𝒰a3=37kw.(上式中取𝒰a=15km/h,最大爬坡度αmax=20o).参数数值参数数值整车满载总质量/kg1500传动系统总效率ηT=0.92迎风面积A/m21.955电动机及其控制效率ηmc=0.90空气阻力系数CD0.29蓄电池平均放电效率ηq=0.95滚动阻力系数f0.015蓄电池总能量EB150AH车轮滚动半径Rr/m0.283主减速器传动比i05.0旋转质量换算系数δ1.29-2-根据Pmax选择驱动电机的峰值功率,本文选择驱动电机额定功率为24kW,峰值功率40kW。(2)驱动电机转矩、转速最大转矩Tmax的选择需要满足汽车起动转矩和最大爬坡度的要求,同时结合传动系最大传动比imax和最大爬坡度αmax来确定。Tmax≥1ηTG（fcosαmax+sinαmax）Rrimax=120NM.选定主电机额定功率/最大功率:24kw/40kw;额定转速/最高转速:3000/6000(转/分);额定转矩/最大转矩:76NM/120NM;额定电压:180V.电动机转矩特性曲线如图：Tm=76NM（nm≤3000）114−0.0127nm（nm≤6000）二、传动系参数选择传动系速比的设计必须遵守以下原则：必须保证车速不低于设计的最高车速；必须保证汽车的最大爬坡度要求；当汽车以最常用的速度行驶时，应尽可能地使电机工作于高效率区.(1)传动系最小传动比的设计设传动系的传动比i∑，主传动比为i0，变速器的传动比为ig，则有i∑=i0ig。最小传动比imin应从满足汽车行驶最高车速的要求出发，车速与电机转速的关系如公式𝒰max=0.377nmaxRrimin=0.377nmax∗0.283imin.电机的最高转速为6000r/min，要求最高车速为120km/h，则传动系的最小传动比应满足imin≤5.3418，因为ig2=1，则取i0=5.(2)传动系最大传动比的设计确定传动系最大传动比时，应考虑两方面问题：最大爬坡度以及地面附着率，确定最大传动比也就是确定变速器Ⅰ挡传动比.imax≥RrηTTmax（mℊfcosαmax+mℊsinαmax+CDA21.15𝒰a2）.代入相关数据计算可得，传动系最大传动比imax≥13.4284，则ig（max）≥2.6857.取ig1=3.(3)行星传动系各齿轮及轮系工作状态设计结合此电动汽车动力输出装置，设计各齿轮齿数z1=50,z2=25,z3=100,i1H=-3-1+z3z1=3.①、减速传动：电动机动力由太阳轮1输入，当滑接齿套5处于Ⅰ状态时，行星架2和齿圈3分离，齿圈3与变速器壳体6闭锁，转速为零，整个装置由行星架2输出，实现减速传动。②、直接档传动：当滑接齿套5处于Ⅱ状态时，齿圈3与变速器壳体6分离，行星架2与齿圈3闭锁，整个行星排整体旋转，为直接档传动。③、空挡怠速：即滑接齿套位于中央位置时，动力传递中断，电机带动外齿圈3转动，动力传输中断，从而省去了传统离合器以及离合踏板。三、计算并绘制汽车相关动力性曲线①、减速传动(Ⅰ档).驱动力：F=Tmi∑ηTRr=Tm∗15∗0.920.283=48.76Tm行驶速度：𝒰a=0.377nmRri∑=0.377nm∗0.28315=0.0071nm式中，𝒰a为车速（km/h）;nm为电机转速（r/min）.滚动阻力：Ff=Gf=1500∗9.8∗0.015=220.5空气阻力：Fw=CDA𝒰a221.15=0.29∗1.955𝒰a221.15=0.0268𝒰a2动力因素:D=F−FwG=48.76Tmax−0.0268𝒰a21500∗9.8=0.0033Tmax−0.00000182𝒰a2爬坡度：i=tan⁡{arcsinD−f1+f2−D21+f2}加速度：d𝒰adt=gδ（D−f）②、直接档传动(Ⅱ档).驱动力：F=Tmi∑ηTRr=Tm∗5∗0.920.283=16.25Tm行驶速度：𝒰a=0.377nmRri∑=0.377nm∗0.2835=0.0213nm式中，𝒰a为车速（km/h）;nm为电机转速（r/min）.-4-滚动阻力：Ff=Gf=1500∗9.8∗0.015=220.5空气阻力：Fw=CDA𝒰a221.15=0.29∗1.955𝒰a221.15=0.0268𝒰a2动力因素:D=F−FwG=16.25Tmax−0.0268𝒰a21500∗9.8=0.0011Tmax−0.00000182𝒰a2爬坡度：i=tan⁡{arcsinD−f1+f2−D21+f2}加速度：d𝒰adt=gδ（D−f）利用matlab作如下驱动力—行驶阻力平衡图，以及功率平衡图.Ⅰ档稳定车速为21.3km/h.Ⅱ档稳定车速为63.9km/h.最大车速为120km/h.-5-利用matlab作如下爬坡度曲线图，得最大爬坡度为Ⅰ档在速度为15km/h时，i大小为24.3%.再绘制加速时间曲线图（车速小于42.6km/h时利用Ⅰ档加速，大于42.6km/h时换Ⅱ档加速），得0～80km/h加速时间为34秒.四、计算电动汽车以50km/h的速度匀速行驶时的续航里程数（假设蓄电池能放出总电量的80%）电动车匀速以50km/h行驶时，Ff=Gf=1500∗9.8∗0.015=220.5NFw=CDA𝒰a221.15=0.29∗1.955𝒰a221.15=0.0268𝒰a2=67N.F驱=Ff+Fw=220.5+67=287.5N.续航里程数为：S=EB∗103∗3600∗ηT∗ηmc∗0.8ηq287.5=27∗1000∗3600∗0.92∗0.9∗0.8∗0.95287.5=212km.五、传动系参数匹配的优化5.1优化设计变量的选取传动系主要设计参数就是各档传动比ig和主减速器传动比i0,所以优化模型的设计变量选为:X=[X1,X2]T=[ig1,i0]T.式中:ig1—变速器第Ⅰ挡传动比;i0—主减速器传动比.5.2动力性目标函数的建立-6-取汽车原地起步连续换档的加速时间作为目标函数,优化中要求加速时间尽量小.即:T=δ0Ga3.6[Ft0−(Ff+Fw)]𝒰10dv+δ1Ga3.6[Ft1−(Ff+Fw)]𝒰2𝒰1dv.式中:Fti—汽车牵引力;𝒰i—汽车换挡的换挡车速；δi—非稳定工况时发动机特性变化及惯性影响回转质量系数.5.3经济性目标函数的建立本文选用等速(汽车平均车速)行驶工况下充满电的续航里程作为经济性评价指标,建立经济性目标函数.S=EB∗103∗3600∗ηT∗ηmc∗0.8ηqF.5.4优化目标函数模型的建立优化数学模型,权衡考虑汽车动力性、经济性能这两个相对矛盾指标,进行双目标优化.f(x)=ω1f(x1)+ω2f(x2).式中:ω1、ω2—分别为动力性、经济性加权因子;f(x1)—动力性目标函数,T=f(x1);f(x2)—经济性目标函数,S=f(x2).5.5整车基本性能要求约束条件g1=𝒰amax∗−𝒰amax≤0g2=αamax∗−αamax≤0g3=D1max∗−D1max≤0g4=D0max∗−D0max≤0.式中:𝒰amax∗—所求的最高车速;αamax∗—所求的最大爬坡度;D1max∗—所要求的一档最大动力因数;D0max∗—所要求的直接档最大动力因数值;𝒰amax—最高车速;αamax—最大爬坡度;D1max—一档最大动力因数;D0max—直接档最大动力因数的计算值.5.5优化数学模型的建立根据上述,可得到优化问题的模型如下：minfx…X∈{gix,i=1,2,3,4}X=[X1,X2]T=[ig1,i0]T.采用matlab编程,选用求解约束问题极小值的复合形法进行求解.5.6优化结果在matlab中编制计算程序,对整车传动系参数进行优化。变速器传动比优化前后对比,如表1所示。根据优化后的参数改进传动系,并进行整车性能优化。优化后的整车性能对比,如表2所示。表1传动系参数优化结果档位Ⅰ档（ig1）主减速比（i0）优化前3.05.0优化后2.75.4-7-表2优化后整车性能对比表𝒰amaxαamaxD1maxD0maxT(s)S(km)优化前127.80.2430.25080.083634212优化后变化量（%）118.3-7.430.236-2.880.2438-2.790.0903+8.0132-5.88192+9.43如表2所示,等速(汽车平均车速)行驶工况下充满电的续航里程比原车增加了9.43%,原地起步加速时间比原车改善了5.88%,取得了较好的效果。但动力性指标中最高车速𝒰amax下降了7.43%,最大爬坡度和最大动力因数也有少许下降。这是由于加权系数的选取更偏向于续航里程数,所以动力性能的某些性能指标有所下降是正常。