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某純電動汽車驅(qū)動方案分析及參數(shù)匹配

2019-09-03 09:20:22·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
純電動小汽車驅(qū)動方案的選擇及動力匹配是電動汽車開發(fā)過程中的關(guān)鍵，本文以一種微型純電動汽車為例[1]，對車輛進(jìn)行驅(qū)動方案影響因素分析及參數(shù)匹配，以實現(xiàn)車輛
純電動小汽車驅(qū)動方案的選擇及動力匹配是電動汽車開發(fā)過程中的關(guān)鍵，本文以一種微型純電動汽車為例[1]，對車輛進(jìn)行驅(qū)動方案影響因素分析及參數(shù)匹配，以實現(xiàn)車輛具備相應(yīng)的動力性能和經(jīng)濟性能。

1 驅(qū)動方案選取
電動汽車傳動系統(tǒng)布置方案主要有三種：電機直驅(qū)方案、集成式電驅(qū)橋方案及輪轂電機驅(qū)動方案[2]。
電機直驅(qū)方案


采用一臺驅(qū)動電機作為動力源，由控制器控制驅(qū)動電機，利用差速器將驅(qū)動電機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩分配到兩個驅(qū)動輪，與傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)相同，無需復(fù)雜的控制算法，利用差速器便可實現(xiàn)軸荷的合理分配，車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性良好，具有設(shè)計周期短、成本低的優(yōu)點。擬定方案采用電機軸與驅(qū)動軸相互平行的方案更為緊湊，使用低傳動比微型車常用傳動部件[3]，主減速器采用的單級圓柱斜齒齒輪減速并用圓錐滾子軸承支撐，差速器選用對稱式圓錐行星齒輪，采用獨立懸架，等速萬向節(jié)。由于差速半軸式以單電機驅(qū)動，其余兩種均以雙電機驅(qū)動，為了實現(xiàn)方案之間的可比性，采用改變差速半軸驅(qū)動方案的電機參數(shù)，使其驅(qū)動能力與采用兩電機的其他驅(qū)動方案基本一致。
 
集成式電驅(qū)橋

 
方案（分布式）中電機控制器控制兩臺驅(qū)動電機，各驅(qū)動一個驅(qū)動輪，省去了差速機構(gòu)，且驅(qū)動電機和減速器制作為一體，無需傳動軸、萬向節(jié)等零件，所需的布置空間大為減小，傳動效率有所提高，但電機控制器中的控制算法要求高，需起到差速器作用，對軸荷進(jìn)行合理分配。擬定方案采用分布式電驅(qū)橋方案，選取單速圓柱斜齒輪傳動系統(tǒng)，圓錐滾子軸承支撐，等速萬向節(jié)，是當(dāng)前常見的驅(qū)動方案之一。
輪轂電機


方案中驅(qū)動輪內(nèi)嵌有輪轂電機，無需經(jīng)過其它傳動機構(gòu)，直接由輪轂電機驅(qū)動車輪。這種驅(qū)動方案極大地減小了傳動系統(tǒng)所占空間，減輕了整車質(zhì)量，且使汽車重心下降，穩(wěn)定性提高，但相對成本較高。擬定方案采用NGW行星圓柱齒輪減速器，以中心輪輸入、行星架固定、內(nèi)齒圈輸出，實現(xiàn)輪邊減速，可以提供較大的減速比，對電動機的轉(zhuǎn)矩特性要求比較低，動力損失較小，且增加有用空間，但是目前NVH、震動、密封等諸多問題未能有效封閉，目前這種結(jié)構(gòu)重型車輛應(yīng)用較少，乘用車輛，跑車應(yīng)用較多。
 
2 車輛性能要求及動力匹配分析
 
2.1 樣車參數(shù)及動力性要求
樣車主要應(yīng)用在路面狀況良好，但加減速比較頻繁的市內(nèi)交通，要求整車最高車速不低于90km/h，最大爬坡度不低于20%，整車質(zhì)量800kg，質(zhì)心高度0.56m，輪胎半徑0.245m，空氣阻力系數(shù)0.417，滾動阻力系數(shù)0.0173，迎風(fēng)面積1.7m2，前橋升力系數(shù)0.02，后橋升力系數(shù)0.015。
2.2 驅(qū)動電機選型
基于樣車參數(shù)、動力性要求和應(yīng)用工況，根據(jù)汽車行駛方程式，汽車在最高車速下的行駛阻力功率Pe為：
 （1）
其中，umax為電動汽車的最高行駛車速，單位為km/h。行駛阻力功率Pe單位為kW。根據(jù)整車參數(shù)可計算得，在umax為90km/h的條件下，該電動汽車受到行駛阻力的功率為10.18kW。因此，要求每種驅(qū)動方案采用的兩臺電動機滿載功率之和應(yīng)在較廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到11kW以上，即單電機功率5.5kW以上。電機過載系數(shù)一般取2~3，因此，電機的最大功率應(yīng)在11~16.5 kW，所以初步假設(shè)電機的峰值功率為15kW。
 
電機額定功率取5.5kW，額定轉(zhuǎn)速取2500r/min，計算出所用電機的額定扭矩應(yīng)達(dá)到21.01kN·m。電機峰值功率取15 kW ，額定轉(zhuǎn)速取2500r/min，計算出所用電機的最大扭矩應(yīng)達(dá)到57.3kN·m。再考慮到永磁直流無刷電機功率密度高、使用壽命長等特點，研究選用永磁同步電機作為三種驅(qū)動方案的動力來源。
 
2.3 傳動比確定
 
電動機型號確定后，外載荷特性方面，電機轉(zhuǎn)速在1000r/ min以下時，電機可獲得最大轉(zhuǎn)矩Tmax，平均為78.9 kN·m左右。電機最大轉(zhuǎn)速nmax=4100r/min。在2300r/min轉(zhuǎn)速處，電動機獲得最大輸出功率15.8kW。部分負(fù)荷特性方面，在負(fù)荷60%以上時，部分負(fù)荷與滿負(fù)荷的電機效率相差不超過5%。驅(qū)動方案均采用固定傳動比式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，無變速箱和離合器，需通過選擇合理的傳動比。
進(jìn)行最大爬坡計算時，電動車電動機將運行在轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)矩最大的工況下。則電動汽車傳動比需滿足：
 （2）
其中，αmax為最大爬坡角，要求不低于20%，根據(jù)三種方案的傳動效率的差異，計算得，傳動比i需不小于2.8。
在最高行駛車速下，電動汽車的驅(qū)動力需克服滾動阻力和空氣阻力。
 （3）
T’指電動車運行在要求達(dá)到的最高行駛車速時，單個電機的驅(qū)動力矩。由于T’與電動機轉(zhuǎn)速呈一定的函數(shù)關(guān)系，且該函數(shù)關(guān)系難以用簡單的數(shù)學(xué)公式加以描述。因此，研究選用Matlab軟件作為數(shù)學(xué)工具，幫助進(jìn)行動力匹配的計算。
推導(dǎo)汽車行駛速度與電動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系：
 （4）
式中，汽車行駛車速ua單位為km/h，電動機轉(zhuǎn)速na及車輪轉(zhuǎn)速nr單位為r/min，其他均為國際單位制。
將式（3）可寫為：
 （5）
函數(shù)編寫實際采用的公式為：
 （6）
Fsum的物理意義為驅(qū)動電機驅(qū)動力與滾動阻力和空氣阻力的合力，方向以驅(qū)動力方向為正。設(shè)計的最高車速需不低于90km/h，由爬坡度計算結(jié)果，傳動比i不小于2.8。故在Matlab中，令i從2.8開始增加，直至Fsum≤0，確定傳動比的取值范圍。
進(jìn)一步在Matlab/Simulink環(huán)境下建立如圖1所示的電動車參數(shù)匹配仿真模型，并進(jìn)行仿真計算。


圖1 Matlab/Simulink參數(shù)匹配仿真模型
 
Matlab仿真結(jié)果如圖2所示，以差速半軸式方案為例，i不可大于3.8。綜上所述，為滿足動力性要求，傳動比取值范圍為2.8≤i≤3.8。在保證電動車的動力性的前提下，若以經(jīng)濟性為側(cè)重進(jìn)行動力匹配，則傳動比均選為3.0。若以動力性為側(cè)重進(jìn)行動力匹配，則傳動比均選為3.7。


圖2 差速半軸式純電動汽車Fsum-i仿真計算曲線
 
2.4 蓄電池選擇
為在AVL_Cruise環(huán)境下進(jìn)行純電動汽車的動力性與經(jīng)濟性建模，還需設(shè)定蓄電池參數(shù)，由于重點分析不同驅(qū)動方案及不同設(shè)計側(cè)重情況下的車輛動力性和經(jīng)濟性，因此，僅對蓄電池進(jìn)行簡單建模，僅滿足仿真需要，保證蓄電池能驅(qū)動兩臺電動機，在30min的循環(huán)工況內(nèi)能量豐沛，不會發(fā)生SOC值過小，引起功能效能下降的問題。行駛阻力的功率經(jīng)計算得10.18kW，所以總能量為5.09 kW。由于電機的額定電壓為72V，得出電池容量為70.69 A·h，選擇由單體電池電壓為3V的鋰電池作為動力源，以串聯(lián)形式連接，單體電池總數(shù)為24個。某電池生產(chǎn)廠家提供的蓄電池總電量150A·h，即研究Cruise仿真分析中電池模塊所采用的數(shù)據(jù)。
 
3 純電動汽車動力性、經(jīng)濟性仿真及分析
 
3.1 仿真模型的建立
在AVL_Cruise環(huán)境下，根據(jù)三個不同驅(qū)動方案建立整車模型，以電動輪驅(qū)動方案為例，如圖3所示，輸入整車質(zhì)量、車輪直徑及主要部件參數(shù)。


圖3 電動輪驅(qū)動方案模型
 
模型中采用的元件塊及機械連接關(guān)系、信息流、能量流，依據(jù)驅(qū)動方案的具體結(jié)構(gòu)確定，蓄電池、電動機元件塊參數(shù)根據(jù)其特性試驗填寫，傳統(tǒng)系統(tǒng)元件參數(shù)則參考目前純電動汽車工業(yè)生產(chǎn)中所生產(chǎn)相關(guān)零部件的一般情況填寫。以發(fā)動機元件塊為例，參數(shù)設(shè)定如圖4所示，與其他各元件塊連接的信息關(guān)系如圖5所示。仿真中不考慮曲線行駛的電機控制實現(xiàn)，選用的電機控制策略為驅(qū)動防滑控制（Anti-Slip control）。


圖4 發(fā)動機元件塊部分參數(shù)設(shè)置


圖5 發(fā)動機與其他各元件塊連接的信息關(guān)系
 
3.2 仿真任務(wù)的建立及仿真結(jié)果分析
3.2.1動力性對比分析
分別選擇3.0（經(jīng)濟性為側(cè)重）和3.7（動力性為側(cè)重）兩種傳動比，對每個電動汽車模型設(shè)計了滿負(fù)荷加速能力計算任務(wù)和爬坡能力計算任務(wù)。
選擇傳動比3.0（經(jīng)濟性為側(cè)重）進(jìn)行仿真計算，如圖6所示，三種驅(qū)動方案的最高車速差異不大，0-50km/h加速時間依次是：電動輪式7.0s、整體驅(qū)動橋式7.5s、差速半軸式7.9s。
圖6 傳動比3.0的不同驅(qū)動方案滿負(fù)荷加速能力對比
選擇傳動比3.0（經(jīng)濟性為側(cè)重）進(jìn)行爬坡能力仿真計算，如圖7所示，最大爬坡度依次是：電動輪式24.7%、整體驅(qū)動橋式23.3%、差速半軸式21.8%。12%坡道車速依次是：電動輪式83.1km/h，整體驅(qū)動橋式81.0km/h，差速半軸式78.2km/h。


圖7 傳動比3.0的不同驅(qū)動方案滿負(fù)荷爬坡能力對比
 
綜上所述，傳動比3.0的三種驅(qū)動方案均滿足設(shè)計要求，電動輪式要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動方案，電動輪式與動力性最差的差速半軸式相比，在0-50km/h加速時間縮短11.4%，在最大爬坡度提高13.3%，在12%坡道車速上提高6.3%。
 
在側(cè)重動力性（傳動比3.7）的情況下，三種驅(qū)動方案的最高車速差異不大，0-50km/h加速時間依次是：輪轂電機5.8s、電驅(qū)橋6.2s、電機直驅(qū)式6.6s。爬坡能力方面，最大爬坡度依次是： 輪轂電機31.5%、 電驅(qū)橋29.6%、 電機直驅(qū)式27.7%。12%坡道車速依次是： 輪轂電機75.2km/h， 電驅(qū)橋74.0km/h， 電機直驅(qū)式72.3km/h。
 
綜上所述，傳動比3.7的三種驅(qū)動方案均滿足設(shè)計要求，在動力性比較中，無論是加速能力還是爬坡能力，輪轂電機要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動方案，輪轂電機與動力性最差的電機直驅(qū)式相比，在0-50km/h加速時間上縮短12.1%，在最大爬坡度上提高13.7%。
 
3.2.2經(jīng)濟性對比分析
選擇Japan_Mode_1_URBAN循環(huán)工況作為目標(biāo)行駛工況進(jìn)行經(jīng)濟性分析，實際速度變化情況如圖8所示，以百公里耗電量作為評判電動汽車經(jīng)濟性的標(biāo)準(zhǔn)。
圖8 循環(huán)工況速度變化情況
 
如圖9所示，將傳動比3.0（經(jīng)濟性為側(cè)重）的三種方案，在一個循環(huán)工況下，電機直驅(qū)式電動汽車消耗電能5442.0kJ，比能耗391.80kJ/km；電驅(qū)橋式消耗電能5189.5kJ，比能耗373.64kJ/km；輪轂電機消耗電能4966.4kJ，比能耗357.55kJ/km。輪轂電機的經(jīng)濟性要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動方案，與經(jīng)濟性最差的電機直驅(qū)式相比，能耗低8.7%。
圖9 傳動比3.0的不同驅(qū)動方案能耗對比
傳動比3.7（動力性為側(cè)重），在一個循環(huán)工況下，電機直驅(qū)式電動汽車消耗電能5548.9kJ，比能耗399.49kJ/km；電驅(qū)橋式消耗電能5300.5kJ，比能耗381.63kJ/km；輪轂電機消耗電能5078.0kJ，比能耗365.59kJ/km。輪轂電機的經(jīng)濟性要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動方案，與經(jīng)濟性最差的電機直驅(qū)式相比，能耗低8.5%。
4 結(jié)論
在設(shè)計的傳動比范圍內(nèi)，選取3.0和3.7兩種傳動比，再結(jié)合三種不同驅(qū)動方案，進(jìn)行了動力性及經(jīng)濟性分析，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。
將同一驅(qū)動方案，傳動比3.0與傳動比3.7相比較，最高車速提高了15.2%-16.0%，比能耗降低了2.0%-2.2%，但0-50km/h加速時間增加了19.7%-21.0%，最大爬坡度減少了21.3%-21.6%。
無論是傳動比3.0還是傳動比3.7，仿真結(jié)果均表明輪轂電機在動力性和經(jīng)濟性方面優(yōu)于電驅(qū)橋式優(yōu)于電機直驅(qū)式。
表1 計算結(jié)果數(shù)據(jù)
將傳動比3.7的輪轂電機式與傳動比3.0的電驅(qū)橋式驅(qū)動方案相比，動力性側(cè)重的輪轂電機不僅在動力性上有較大優(yōu)勢，0-50km/h加速時間減少了22.3%，最大爬坡度提高了35.2%，而且經(jīng)濟性表現(xiàn)反而也略好，比能耗降低了2.2%，因此，在不考慮成本因素的情況下，電機直驅(qū)式與電驅(qū)橋式非理想方案，尤其是側(cè)重動力性的電機直驅(qū)式與電驅(qū)橋方案最不適合。
 
將傳動比3.0的輪轂電機與傳動比3.7的電驅(qū)橋驅(qū)動方案相比，最高車速提高16.6%，0-50km/h加速時間增加了12.9%，最大爬坡度減少了16.6%，比能耗降低了6.3%，在最高車速與能耗方面的增益效果更顯著。
綜上所述，輪轂電機是理想的驅(qū)動方案，在動力性和經(jīng)濟性方面均優(yōu)于其他方案，在城市工況中，應(yīng)優(yōu)先考慮經(jīng)濟性，同時最高車速的意義也要大于加速能力。所以，最佳方案為傳動比3.0的輪轂電機驅(qū)動方案，該方案最高車速110.9km/h，最大爬坡度24.7%，滿足設(shè)計和實際使用要求。其次是傳動比3.7的輪轂電機驅(qū)動方案，能與經(jīng)濟性側(cè)重的電驅(qū)橋式、電機直驅(qū)式能耗相當(dāng)?shù)那闆r下，具有更強的動力性能，需要一定操控性時可選擇該方案。考慮城市工況，經(jīng)濟性側(cè)重的方案優(yōu)先于動力性側(cè)重的方案。
 
以上分析均基于微型純電動汽車，承載不需要驅(qū)動橋，通過車架承載的結(jié)構(gòu)。即，適用于微型商用車及乘用車等。
 
參考文獻(xiàn)
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