纯电动汽车动力系统参数选择与匹配

AutoEngineer-36-2011(5)技术聚焦FOCUS技术看点20世纪末以来，能源危机和汽车尾气排放成为制约传统汽车业发展的2大技术问题，而电动汽车可以实现零排放及能源的合理利用，其动力性指标完全可以达到内燃机汽车的要求，因此，电动汽车必然成为21世纪重要的新型绿色环保交通工具[1]。近年来关于纯电动汽车的研究主要集中在动力电池等能量存储系统和电驱动系统控制策略的开发方面，在动力电池和其他技术取得有效突破之前，对动力系统部件的设计参数进行研究是提高电动汽车性能的重要手段之一[2]。动力系统参数选择或匹配不当，对电动汽车的动力性、经济性和续驶里程等都将有显著的影响。1电动汽车动力系统设计要求电动汽车的动力性主要取决于动力系统参数匹配，包括动力电池、驱动电机及传动系统控制器等部件。根据设计要求，文章设计的电动汽车最高车速80km/h，最大爬坡度30%，续驶里程110km，0～60km/h加速时间20s。相关整车参数，如表1所示。表1电动汽车整车相关参数基本技术参数参数值整备质量/kg1150迎风面积/m21.6车轮滚动半径/m0.283风阻系数0.3质量转换系数1.04传动效率0.93滚动阻力系数0.0152驱动电机参数选择与匹配驱动电机是电动汽车行驶的动力源，电机参数匹配主要包括电机的峰值功率和额定功率、电机的最高转速和额定转速等。2.1电机峰值功率及额定功率的匹配电机的功率大小直接关系到电动汽车动力性的好坏。电机功率越大，电动汽车的加速性和最大爬坡度熊明洁1胡国强2闵建平2（1.武汉理工大学汽车工程学院；2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室）摘要：动力系统参数选择与匹配对电动汽车的动力性和经济性会产生很大的影响。文章在理论计算和工程分析的基础上，对电机、电池以及传动系传动比进行了参数匹配，分析了纯电动汽车传动系参数的选择对电动汽车性能的影响。ADVISOR仿真结果表明，所选动力总成部件与整车匹配后能够满足纯电动轿车动力性的要求。为纯电动汽车动力系统参数选择与匹配提供了参考。关键词：电动汽车；动力系统；参数匹配；动力性仿真SelectingandMatchingonPowerTrainParametersofPureElectricVehiclesAbstract:Theparameterselectingandmatchingofpowertrainhasgreatimpactsondynamicpropertyandfueleconomyofelectricvehicle.Onthebasisoftheoreticcalculationandengineeringanalysis,parametermatchingofmotor,batteryandgearratioofdrivetrainareconducted.Andtheimpactsontheperformanceofelectricvehiclethattheparameters’selectingandmatchingwouldhavemadeareanalyzed.ADVISORsimulationresultsindicatethattheselectedpowertrainpartscanmeettherequirementsofdynamicperformanceaftermatchingwithelectricvehicles,Itprovidesreferenceforselectingandmatchingonpowertrainparametersofpureelectricvehicles.Keywords:Electricvehicle;Powertrain;Parametermatching;Dynamicsimulation纯电动汽车动力系统参数选择与匹配AutoEngineer-37-第5期技术聚焦FOCUSFeature越好，但电机的体积和质量也会相应地增加，同时电机不能经常保持在高效率区工作，降低了电动汽车的能量利用率，降低了汽车的续驶里程。驱动电机的最大功率（Pemax）必须满足最高车速时的功率（Pe）、最大爬坡度时的功率（Pa）及根据加速时间的功率（Pc）要求，即：Pemax≥max[Pe,Pa,Pc]。其中，+=15.2136002maxmaxAuCmgfuPDTeη++=15.21sincos36002maxmaxiDTiaAuCmgmgfuPααη×++=aaDaaaaTactAuCtumgftumtP5.215.215.123600132δη式中：umax——最高车速，km/h；ηT——传动系机械效率；m——电动汽车整备质量，kg；f——滚动阻力系数；CD——空气阻力系数；A——迎风面积，m2；αmax——最大爬坡度，（º）；ui——爬坡车速，km/h；ua——汽车的加速末速度，km/h；ta——汽车加速时间，s。电机的峰值功率与额定功率的关系为：乱PPλ=ዄ式中：P峰——电机峰值功率，kW；P额——电机额定功率，kW；λ——电机过载系数。根据Pemax选择驱动电机的峰值功率，文章选择P额=10kW，P峰=30kW。2.2电机最高转速和额定转速选择与匹配驱动电机的额定转速（nb）和最高转速（nmax）的选取应符合驱动电机的转矩转速特性要求，如图1所示。在启动即低转速时得到恒定的最大转矩（Tmax），同时在高转速时得到恒定的较高功率（wb）。ঽᣁᅾӝঽҪဋӝT /eNᣁᅾҪဋn SNJOwbnmaxTmaxҪဋL8nb图1驱动电机扭矩转矩特性nmax/nb=β（电机扩大恒功率区系数）。增大β值，可使电机在恒转矩区获得较大的转矩，提高汽车的加速和爬坡性能。但β值过大，会导致电机工作电流和逆变器的功率损耗和尺寸增大[3]，因此β值一般取2～3。2.3电机转矩的选择Tmax的选择需要满足汽车起动转矩和αmax的要求，同时结合传动系最大传动比（imax）和αmax来确定。()maxmaxmaxmaxsincos1irfmgTTααη+ı式中：r——汽车轮胎滚动半径，m；imax——传动系统最大传动比。3电池组参数设计电池组容量的选择主要考虑汽车行驶时的最大输出功率和消耗的能量，以保证电动汽车对动力性和续驶里程的要求。3.1由最大输出功率确定电池组数目（np）ccebepPPnηηmaxmax=式中：Pbmax——电池最大输出功率，kW；ηe——电机工作效率；ηcc——电机控制器工作效率。3.2由续驶里程确定电池组数目（n）111000UCLWn=式中：L——电动车续驶里程，km；W——电动汽车行驶1km所消耗的能量，kW；C1——单节电池额定容量，A·h；U1——单节电池电压，V。取np和n的较大值作为最后确定的电池组数目。4传动系的参数设计电动汽车的传动系参数匹配设计主要包括：变速器传动比及挡位的确定和主减速器的匹配设计等。在电机输出特性一定时，传动系速比如何选择，依赖于整车的动力性能指标要求。4.1最小传动比（imin）的确定由电机最高转速和最高行驶车速确定的imin为：maxmaxmin377.0urni=式中：nmax——电机最高转速，r/min；umax——电动汽车最高车速，km/h。4.2最大传动比（imax）的确定AutoEngineer-38-2011年5月技术聚焦FOCUS技术看点由最大爬坡度和最大输出扭矩决定的imax为：()TtqTrfmgiηααmaxmaxmaxmaxsincos+=式中：Ttqmax——电机最大输出扭矩，N·m。一般电动汽车应具备30%的爬坡能力。由最高车速和电机最高转速对应的电机扭矩决定的imax为[2]：TMSWTrFmgfiηmaxmax)(+=式中：FW——最高车速下电动汽车的空气阻力，N；TMSmax——电机最高转速下对应的输出转矩，N·m。综上，确定驱动电机额定转速nb=2500r/min，最高转速nmax=6000r/min，额定转矩Tr=75N·m，最大转矩Tmax=115N·m。4.3减速器挡位的确定采用交流驱动系统时，需要考虑2个主要的动力与阻力平衡点：一是以常规行驶车速等速平地行驶的转矩平衡点；二是最高车速时的转矩平衡点。它们对电动汽车的传动系挡位数的选择产生重要影响。理论上，应使电动汽车的常规车速落在基频上，以直接挡获得最高车速，功率平衡点在等功率段上[4]。电动汽车功率平衡图，如图2所示，图2中，Pe和(Pf+Pw)/ηT分别为电机功率和摩擦阻力与空气阻力对应阻功率，nN为电机基频，uN为电机基频对应车速，umax为电机最高转速对应的车速。uNig=1APeBumax(Pf+PW)/ηT0ua/(km/h)P/kWanmax/nN≥2.5uNig1ig=1APeBumax(Pf+PW)/ηT0ugP/kWua/(km/h)b1.8＜nmax/nN＜2.5uNig1ig=1APeBCEDumax(Pf+PW)/ηT0ua/(km/h)P/kWcnmax/nN≤1.8图2电动汽车功率平衡图1）电机最高转速和基频能满足nmax/nN≥2.5，电机从基频向上调速的范围足够大，此时选择1个挡位即可，其功率平衡图，如图2a所示。在设计计算时，先确定图2a中的B点和A点，再根据A点计算传动系总传动比iΣ，由于仅选用1个挡位，可以计算出主减速器传动比。此时应注意变频范围也不宜过大，一般考虑最高车速对应的电机转速在其最高转速的90%～95%。2）电机最高转速和基频不满足nmax/nN≥2.5，不够大，此时应考虑增加1个挡位，其功率平衡图，如图2b所示，此时需要根据i∑=i0×ig合理分配主减速器传动比和变速器各挡传动比。3）电机从基频向上调速的范围比较窄，满足nmax/nN＜1.8，增加1个挡位后在等功率段车速无法衔接起来，如图2c所示，当车速达到C点后，进入等转矩工作区，经过D点和E点进入等功率区，也可以考虑增加1个挡位，传动比设计计算方法同1）和2）。4）如出现第3种情况，应考虑重新选择电机参数。文章中nmax/nN≥2.5，此时选择1个挡位即可。5动力性能仿真5.1动力性能仿真根据整车布置和设计方案，以广泛应用于电动汽车动力性仿真的ADVISOR软件进行仿真计算，建立整车和关键部件（电机、电池和减速器等）的仿真模型，建立模型的基本步骤包括选择车辆和部件模块，进行各部件间的机械、电器和信号连接，输入各模块主要参数等。动力性仿真选用美国环境保护署EPA制订的城市道路循环UDDS（UrbanDynamometerDrivingSchedule）作为道路循环工况，该工况时间为1369s，距离11.99km，要求最高车速为91.25km/h，平均车速31.51km/h。仿真的车速情况，如图3所示。（下转第52页）AutoEngineer-52-2011年5月技术应用APPLICATION根据图4，在CATIAV5中建模，如图5所示。在建立此模型时，因为我国的人体特征与韩国人的人体特征更相近，选择50百分位的韩国男子人体模型，对人体模型进行调整，使其能够与图4所示的驾驶者在驾驶过程中的舒适位置及坐姿角度相符合，得到人体最佳坐姿。由此可以对座椅进行调整，使其能够符合人体舒适性要求，随着人体姿势的变化，从而确定出方向盘与座椅之间距离的变化范围、踏板与车内地板的角度范围以及座椅与车内地板的高度大小范围。图5在CATIAV5中建立的驾驶员模型由于驾驶人员的身材有差异，可以再选取95百分位或90百分位的人体模型，确定出驾驶员座椅设计时的一些参数。现在很多轿车上的座椅可以移动，有的汽车座椅可以达到8个方向的移动，根据参数可以设定座椅移动的数值范围，通过一些装置改变座椅的参数（高度和角度等），从而大大扩展了汽车在不同人群的使用范围，改善了驾驶员的乘坐舒适性。另外，在CATIAV5中也提供了美国和欧洲的人体模型，如果所设计的车辆是出口到国外的，可以通过美国和欧洲人体模型得到另外的数据，使得汽车符合更多更广的人体生