纯电动汽车驱动电机参数匹配与仿真

收稿日期:20130708基金项目:潍坊学院青年基金资助项目作者简介:郭姗姗(1985—),女,讲师,E-mail:[e-mail].第33卷增刊12013年11月北京理工大学学报TransactionsofBeijingInstituteofTechnologyVol.33Suppl.1Nov.2013纯电动汽车驱动电机参数匹配与仿真郭姗姗1,郭伟伟2(1.潍坊学院机电与车辆工程学院,山东潍坊261061;2.北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)摘要:通过分析纯电动车整车动力系统的结构特点及纯电动汽车对驱动电机的要求,从汽车行驶动力学出发建立了纯电动汽车电动机性能参数的数学模型,探讨总结了电机基本特性参数的设计方法.整车动力系统仿真实验结果表明,最高车速为48.6km/h,常规车速为35.2km/h,0~40km/h加速时间为15.2s,最大爬坡度为19.7%,满足设计目标,从而验证了该方法的正确性和可行性.关键词:纯电动车;驱动电机参数匹配;动力性能仿真中图分类号:U469.72文献标志码:A文章编号:1001-0645(2013)增刊1-0065-04SimulationofDriveMotorPerformanceandDynamicalFeaturesforElectricVehicleGUOShan-shan1,GUOWei-wei2(1.SchoolofMechanical-ElectronicandVehicleEngineering,WeifangUniversity,Weifang,Shangdong261061,China;2.SchoolofMechanicalandVehicleEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)Abstract:Thestructuralfeaturesofdrivesystemandthetechnicalrequirementsofdrivemotorforelectricvehicleareanalyzedinthispaper.Fromtheperspectiveofvehicledynamics,amathematicalmodelformotorperformanceparametersofelectricvehicleisestablished.Thebasiccharacteristicsofthemotordesignparametersareinvestigatedbysimulation.Theresultsshowthatmaximumspeedintheproposedmodelis48.6km/hwhiletheconventionalspeedis35.2km/h.Andtheaccelerationtimefrom0~40km/his15.2saswellasthemaximumgradeabilityis19.7%.Thedynamicalfeatherscanreachthedesigngoals.Validityandfeasibilityofthismethodcanbeverifiedinthetestofdrivesystemforelectricvehicles.Keywords:pureelectricvehicle;parametermatchingofdrivemotor;dynamicperformancesimulation20世纪末,能源供应危机与生态环境污染的挑战日渐严峻,汽车界势必寻求低排放、综合利用能源的车辆.纯电动汽车以其节能、环保的优势,逐渐发展成为解决能源危机和环境污染的重要途径,是汽车行业的新型绿色环保交通工具.纯电动汽车与其他电力驱动系统不同,它需要经常变换运行方式,尤其是在城市行驶状态下,要求电力驱动系统响应迅速、调速范围宽,同时性能稳定.因此,必须对驱动电机进行设计与匹配,从而满足纯电动汽车的特殊要求[1].作者首先分析纯电动汽车整车结构特点和纯电动车对驱动电机的要求,然后对纯电动汽车用驱动电机参数进行设计,并在此基础上提出了驱动电机的匹配原则.最后,验证该方法的正确性和可行性.1纯电动汽车整车结构纯电动车利用驱动电机调速系统动态响应快、扭矩/转速控制准确的特点,能够比较容易地实现车辆的无级变速、灵活转向、多轮驱动等功能,传动部件的灵活组合可极大地优化车辆的总体布置.同时自动控制技术、电子信息技术、网络通信技术等与车辆的有机结合,使得电动车辆具有许多现实和潜在的优势,正逐渐成为一项研究热点.国内在这方面的研发尚处于起步阶段,本文作者承担了某研究项目纯电动车辆的研发工作,该原理样车的基本结构如图1所示.如何选取驱动电机参数,使其既保证车辆具有最佳的动力性和经济性,又不影响驱动电机的性能,这就是驱动电机与整车的匹配问题.图1纯电动汽车整车结构Fig.1Structureofpureelectricvehicle2纯电动汽车对驱动电机的要求由于纯电动汽车特殊的工作环境,对驱动电机的要求比普通电动机更高,主要体现在以下几个方面[2].①驱动电机的过载能力强.从减轻质量和确保工作效率的角度,电机功率不宜过大,因此要求电机瞬时功率和最大转矩要大,即要电机过载能力强,以满足汽车起步、加速和上坡的动力需求.②驱动电机的调节性能好.为适应行驶工况的频繁变化,要求驱动电机有较宽的调速范围和理想的调速特性,可实现低速恒转矩和高速恒功率调速.③驱动电机的效率高、逆向工作性能好.在驱动电机的整个运行范围内,均有很高的效率,以节约电能,提高电动汽车一次充电的续驶里程,另外,电机可在发电机状态下高效工作,以实现制动能量回馈,进一步提高续驶里程.④驱动电机工作可靠性好、结构尺寸小.要求驱动电机在较为恶劣的环境下能长期稳定可靠工作,并且使用维修方便,结构尺寸小、质量轻(约为普通电动机的1/3~1/2),以便纯电动汽车整车空间布置,减轻车重,提高动力性和经济性.⑤驱动电机结构简单,适合于大批量生产,价格低,运行噪声小等.3纯电动汽车驱动电机的匹配与传统汽车相比,纯电动汽车的动力总成装置有很大不同,在传统汽车中,发动机作为动力源,而纯电动汽车的动力总成装置中由驱动电机替代发动机,动力电池组替代汽油或柴油,没有燃油消耗量、燃油经济性等指标,需考虑百公里耗电量、最大续驶里程等性能指标.因此,驱动电机的机械输出特性必须满足纯电动汽车的运行要求.驱动电机参数匹配主要包括电机的峰值功率和额定功率、最高转速和额定转速等.3.1驱动电机峰值功率及额定功率的匹配匹配驱动电机功率时,应尽可能使电动机在运转时经常处于高效率范围,以获得较高的能量转化效率.功率越大,纯电动汽车的加速性和最大爬坡度越好,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[3].驱动电机的额定功率Pe必须满足最高车速时的功率Pu、最大爬坡度时的功率Pi及加速性能的功率Pa要求,即Pe≥max{Pu,Pi,Pa}.(1)式中:Pu=1ηTmgf3600vmax+CDA76140v3éëêêùûúúmax;(2)Pi=vi3600η(Tmgfcosαmax+CDA21.15v2i+mgsinα)max;(3)Pa[=δm2tav2b+v2fæèçöø÷3.6+23mgfvf+25×CDA21.15v3]f3600.(4)式中:vmax为最高车速;ηT为传动系机械效率;m为纯电动汽车整备质量;f为滚动阻力系数;CD为空气阻力系数;A为迎风面积;αmax为最大爬坡度;vi为爬坡车速;vf为汽车的加速末速度;ta为汽车加速时间;g为重力加速度.电机的峰值功率与额定功率的关系为Pemax=λPe,(5)式中λ为电动机的过载系数,一般为2~3.3.2驱动电机最高转速和额定转速的匹配驱动电机的额定转速(ne)和最高转速(nmax)的66北京理工大学学报第33卷选取应符合驱动电机的转矩转速特性要求,在车辆起步即电机启动时,获得恒定的大扭矩,同时在高速时获得恒定的高功率[4].应结合变速器和最终传动比来选择驱动电机的最大转速,还应考虑电机效率和连续转动特性等因素.理想驱动电机速度特性如图2所示.图2理想电机工作特性Fig.2Operatingcharacteristicsofdesiredmotor计算式为nmax=vmaxi0.377r,(6)nb=βnmax,(7)式中β为电机扩大恒功率区系数,一般取2~3.3.3驱动电机最大转矩的匹配电机最大扭矩Tmax的选择需要满足汽车起动转矩和最大爬坡度αmax的要求,同时结合传动系最大传动比imax和αmax来确定.Tmax≥1ηTG(fcosαmax+sinαmax)rimax,(8)式中r为车轮滚动半径.4基于Advisor整车动力性能仿真4.1整车动力性能仿真Advisor软件可以进行传统汽车和电动汽车的动力性能的仿真.该软件可以对车辆参数进行修改,并可以通过修改顶层模块下的各子模块来修改电动汽车的控制策略[5].图3是Advisor软件的顶层控制模块.图3Advisor软件顶层模块Fig.3Top-levelcontrolmoduleofAdvisor其中整车仿真模型包括循环工况、车辆、车轮、变速器、主减速器、驱动电机系统、能量源等子模块.各子模块都建立了一个仿真模块,且通过M函数来控制其参数的变化.4.2循环工况的选择当前评价整车性能的循环工况主要有ECE-EUDC、UDDS和HWFET,本文中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,停车次数为17次.仿真的车速情况如图4所示.图4车速随时间变化曲线Fig.4Graphofspeedchangewithtime4.3仿真结果由于此纯电动城市客车是在城市公交系统中使用的,考虑到城市公交的运行状况,纯电动城市客车的最高车速不需要达到燃油客车的最高车速,只需76增刊1郭姗姗等:纯电动汽车驱动电机参数匹配与仿真满足公交运行需要即可,设计纯电动城市客车的最高车速为50km/h,在城市环境下行驶的常规车速为35km/h,仿真结果如图5所示.图5仿真结果Fig.5Thesimulationresults仿真结果表明,电动汽车的最高车速为48.6km/h,常规车速为35.2km/h,0~40km/h加速时间为15.2s,最大爬坡度为19.7%.最高车速、加速性和爬坡性等动力性能均满足设计的要求,说明整车匹配方案合理,所选电机能够确保整车动力性能达到设计要求.驱动电机工作时的实际输出转矩如图6所示,其中转矩的正值代表驱动电机向传动系输出的扭矩,而扭矩的负值表示在回馈制动时,驱动电机以发电机模式工作,向蓄电池充电时的输入扭矩.由图可知:驱动电机的输出扭矩能够较好地满足汽车行驶工况的变化.图6电机输出转矩Fig.6Graphofmotoroutputtorque蓄电池SOC值的变化如图7所示,车辆在频繁加减速的工作过程中,可以回收能量给蓄电池充电.开始阶段SOC值下降较快,这是由于蓄电池放电极化现象引起的.在SOC到达0.9以后,其值下降趋于平缓,电池工作在较平稳的区域.图7电池SOC变化Fig.7GraphofbatterySOC5结论①分析了纯电动车整车动力系统的结构特点及纯电动汽车对驱动电机的要求;②确定了驱动电机的峰值功率、额定功率、最高转速、额定转速、最大转矩等参数;③提出了纯电动汽车中驱动电机的匹配原则和方法,该方法在其他型号的驱动电机匹配时同样适用;④采用Advisor软件对整车动力性能仿真,验证了所选驱动电机满足设计要求.参考文献:[1]ChenQingquan,SunFengchun,ZhuJiagua