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某純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方案分析及參數(shù)匹配
2019-09-03 09:20:22· 來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)
純電動(dòng)小汽車驅(qū)動(dòng)方案的選擇及動(dòng)力匹配是電動(dòng)汽車開發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵，本文以一種微型純電動(dòng)汽車為例[1]，對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)方案影響因素分析及參數(shù)匹配，以實(shí)現(xiàn)車輛
純電動(dòng)小汽車驅(qū)動(dòng)方案的選擇及動(dòng)力匹配是電動(dòng)汽車開發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵，本文以一種微型純電動(dòng)汽車為例[1]，對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)方案影響因素分析及參數(shù)匹配，以實(shí)現(xiàn)車輛具備相應(yīng)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。
1 驅(qū)動(dòng)方案選取
電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案主要有三種：電機(jī)直驅(qū)方案、集成式電驅(qū)橋方案及輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案[2]。
電機(jī)直驅(qū)方案
采用一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源，由控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用差速器將驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩分配到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，與傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)相同，無(wú)需復(fù)雜的控制算法，利用差速器便可實(shí)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(jì)周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。擬定方案采用電機(jī)軸與驅(qū)動(dòng)軸相互平行的方案更為緊湊，使用低傳動(dòng)比微型車常用傳動(dòng)部件[3]，主減速器采用的單級(jí)圓柱斜齒齒輪減速并用圓錐滾子軸承支撐，差速器選用對(duì)稱式圓錐行星齒輪，采用獨(dú)立懸架，等速萬(wàn)向節(jié)。由于差速半軸式以單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余兩種均以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)方案之間的可比性，采用改變差速半軸驅(qū)動(dòng)方案的電機(jī)參數(shù)，使其驅(qū)動(dòng)能力與采用兩電機(jī)的其他驅(qū)動(dòng)方案基本一致。
集成式電驅(qū)橋
方案（分布式）中電機(jī)控制器控制兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，各驅(qū)動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，省去了差速機(jī)構(gòu)，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器制作為一體，無(wú)需傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)等零件，所需的布置空間大為減小，傳動(dòng)效率有所提高，但電機(jī)控制器中的控制算法要求高，需起到差速器作用，對(duì)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(dòng)系統(tǒng)，圓錐滾子軸承支撐，等速萬(wàn)向節(jié)，是當(dāng)前常見的驅(qū)動(dòng)方案之一。
輪轂電機(jī)
方案中驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)嵌有輪轂電機(jī)，無(wú)需經(jīng)過(guò)其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接由輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。這種驅(qū)動(dòng)方案極大地減小了傳動(dòng)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(duì)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(shí)現(xiàn)輪邊減速，可以提供較大的減速比，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性要求比較低，動(dòng)力損失較小，且增加有用空間，但是目前NVH、震動(dòng)、密封等諸多問(wèn)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(dòng)力匹配分析
2.1 樣車參數(shù)及動(dòng)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(dòng)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(dòng)電機(jī)選型
基于樣車參數(shù)、動(dòng)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(dòng)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(jì)算得，在umax為90km/h的條件下，該電動(dòng)汽車受到行駛阻力的功率為10.18kW。因此，要求每種驅(qū)動(dòng)方案采用的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)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(jī)功率5.5kW以上。電機(jī)過(guò)載系數(shù)一般取2~3，因此，電機(jī)的最大功率應(yīng)在11~16.5 kW，所以初步假設(shè)電機(jī)的峰值功率為15kW。
電機(jī)額定功率取5.5kW，額定轉(zhuǎn)速取2500r/min，計(jì)算出所用電機(jī)的額定扭矩應(yīng)達(dá)到21.01kN·m。電機(jī)峰值功率取15 kW ，額定轉(zhuǎn)速取2500r/min，計(jì)算出所用電機(jī)的最大扭矩應(yīng)達(dá)到57.3kN·m。再考慮到永磁直流無(wú)刷電機(jī)功率密度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，研究選用永磁同步電機(jī)作為三種驅(qū)動(dòng)方案的動(dòng)力來(lái)源。
2.3 傳動(dòng)比確定
電動(dòng)機(jī)型號(hào)確定后，外載荷特性方面，電機(jī)轉(zhuǎn)速在1000r/ min以下時(shí)，電機(jī)可獲得最大轉(zhuǎn)矩Tmax，平均為78.9 kN·m左右。電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmax=4100r/min。在2300r/min轉(zhuǎn)速處，電動(dòng)機(jī)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(shí)，部分負(fù)荷與滿負(fù)荷的電機(jī)效率相差不超過(guò)5%。驅(qū)動(dòng)方案均采用固定傳動(dòng)比式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，無(wú)變速箱和離合器，需通過(guò)選擇合理的傳動(dòng)比。
進(jìn)行最大爬坡計(jì)算時(shí)，電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行在轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)矩最大的工況下。則電動(dòng)汽車傳動(dòng)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(dòng)效率的差異，計(jì)算得，傳動(dòng)比i需不小于2.8。
在最高行駛車速下，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力需克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力。
（3）
T’指電動(dòng)車運(yùn)行在要求達(dá)到的最高行駛車速時(shí)，單個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。由于T’與電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)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(dòng)力匹配的計(jì)算。
推導(dǎo)汽車行駛速度與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系：
（4）
式中，汽車行駛車速ua單位為km/h，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速na及車輪轉(zhuǎn)速nr單位為r/min，其他均為國(guó)際單位制。
將式（3）可寫為：
（5）
函數(shù)編寫實(shí)際采用的公式為：
（6）
Fsum的物理意義為驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力與滾動(dòng)阻力和空氣阻力的合力，方向以驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)檎ＴO(shè)計(jì)的最高車速需不低于90km/h，由爬坡度計(jì)算結(jié)果，傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)車參數(shù)匹配仿真模型，并進(jìn)行仿真計(jì)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(dòng)力性要求，傳動(dòng)比取值范圍為2.8≤i≤3.8。在保證電動(dòng)車的動(dòng)力性的前提下，若以經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重進(jìn)行動(dòng)力匹配，則傳動(dòng)比均選為3.0。若以動(dòng)力性為側(cè)重進(jìn)行動(dòng)力匹配，則傳動(dòng)比均選為3.7。
圖2 差速半軸式純電動(dòng)汽車Fsum-i仿真計(jì)算曲線
2.4 蓄電池選擇
為在AVL_Cruise環(huán)境下進(jìn)行純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性建模，還需設(shè)定蓄電池參數(shù)，由于重點(diǎn)分析不同驅(qū)動(dòng)方案及不同設(shè)計(jì)側(cè)重情況下的車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此，僅對(duì)蓄電池進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，僅滿足仿真需要，保證蓄電池能驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，在30min的循環(huán)工況內(nèi)能量豐沛，不會(huì)發(fā)生SOC值過(guò)小，引起功能效能下降的問(wèn)題。行駛阻力的功率經(jīng)計(jì)算得10.18kW，所以總能量為5.09 kW。由于電機(jī)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(dòng)力源，以串聯(lián)形式連接，單體電池總數(shù)為24個(gè)。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(dòng)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(gè)不同驅(qū)動(dòng)方案建立整車模型，以電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪驅(qū)動(dòng)方案模型
模型中采用的元件塊及機(jī)械連接關(guān)系、信息流、能量流，依據(jù)驅(qū)動(dòng)方案的具體結(jié)構(gòu)確定，蓄電池、電動(dòng)機(jī)元件塊參數(shù)根據(jù)其特性試驗(yàn)填寫，傳統(tǒng)系統(tǒng)元件參數(shù)則參考目前純電動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)控制實(shí)現(xiàn)，選用的電機(jī)控制策略為驅(qū)動(dòng)防滑控制（Anti-Slip control）。
圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)元件塊部分參數(shù)設(shè)置
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力性對(duì)比分析
分別選擇3.0（經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重）和3.7（動(dòng)力性為側(cè)重）兩種傳動(dòng)比，對(duì)每個(gè)電動(dòng)汽車模型設(shè)計(jì)了滿負(fù)荷加速能力計(jì)算任務(wù)和爬坡能力計(jì)算任務(wù)。
選擇傳動(dòng)比3.0（經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重）進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖6所示，三種驅(qū)動(dòng)方案的最高車速差異不大，0-50km/h加速時(shí)間依次是：電動(dòng)輪式7.0s、整體驅(qū)動(dòng)橋式7.5s、差速半軸式7.9s。
圖6 傳動(dòng)比3.0的不同驅(qū)動(dòng)方案滿負(fù)荷加速能力對(duì)比
選擇傳動(dòng)比3.0（經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重）進(jìn)行爬坡能力仿真計(jì)算，如圖7所示，最大爬坡度依次是：電動(dòng)輪式24.7%、整體驅(qū)動(dòng)橋式23.3%、差速半軸式21.8%。12%坡道車速依次是：電動(dòng)輪式83.1km/h，整體驅(qū)動(dòng)橋式81.0km/h，差速半軸式78.2km/h。
圖7 傳動(dòng)比3.0的不同驅(qū)動(dòng)方案滿負(fù)荷爬坡能力對(duì)比
綜上所述，傳動(dòng)比3.0的三種驅(qū)動(dòng)方案均滿足設(shè)計(jì)要求，電動(dòng)輪式要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動(dòng)方案，電動(dòng)輪式與動(dòng)力性最差的差速半軸式相比，在0-50km/h加速時(shí)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(dòng)力性（傳動(dòng)比3.7）的情況下，三種驅(qū)動(dòng)方案的最高車速差異不大，0-50km/h加速時(shí)間依次是：輪轂電機(jī)5.8s、電驅(qū)橋6.2s、電機(jī)直驅(qū)式6.6s。爬坡能力方面，最大爬坡度依次是： 輪轂電機(jī)31.5%、 電驅(qū)橋29.6%、 電機(jī)直驅(qū)式27.7%。12%坡道車速依次是： 輪轂電機(jī)75.2km/h， 電驅(qū)橋74.0km/h， 電機(jī)直驅(qū)式72.3km/h。
綜上所述，傳動(dòng)比3.7的三種驅(qū)動(dòng)方案均滿足設(shè)計(jì)要求，在動(dòng)力性比較中，無(wú)論是加速能力還是爬坡能力，輪轂電機(jī)要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動(dòng)方案，輪轂電機(jī)與動(dòng)力性最差的電機(jī)直驅(qū)式相比，在0-50km/h加速時(shí)間上縮短12.1%，在最大爬坡度上提高13.7%。
3.2.2經(jīng)濟(jì)性對(duì)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(jì)性分析，實(shí)際速度變化情況如圖8所示，以百公里耗電量作為評(píng)判電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)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(dòng)比3.0（經(jīng)濟(jì)性為側(cè)重）的三種方案，在一個(gè)循環(huán)工況下，電機(jī)直驅(qū)式電動(dòng)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(jī)消耗電能4966.4kJ，比能耗357.55kJ/km。輪轂電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動(dòng)方案，與經(jīng)濟(jì)性最差的電機(jī)直驅(qū)式相比，能耗低8.7%。
圖9 傳動(dòng)比3.0的不同驅(qū)動(dòng)方案能耗對(duì)比
傳動(dòng)比3.7（動(dòng)力性為側(cè)重），在一個(gè)循環(huán)工況下，電機(jī)直驅(qū)式電動(dòng)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(jī)消耗電能5078.0kJ，比能耗365.59kJ/km。輪轂電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于另外兩種驅(qū)動(dòng)方案，與經(jīng)濟(jì)性最差的電機(jī)直驅(qū)式相比，能耗低8.5%。
4 結(jié)論
在設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比范圍內(nèi)，選取3.0和3.7兩種傳動(dòng)比，再結(jié)合三種不同驅(qū)動(dòng)方案，進(jìn)行了動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性分析，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。
將同一驅(qū)動(dòng)方案，傳動(dòng)比3.0與傳動(dòng)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(shí)間增加了19.7%-21.0%，最大爬坡度減少了21.3%-21.6%。
無(wú)論是傳動(dòng)比3.0還是傳動(dòng)比3.7，仿真結(jié)果均表明輪轂電機(jī)在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于電驅(qū)橋式優(yōu)于電機(jī)直驅(qū)式。
表1 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)
將傳動(dòng)比3.7的輪轂電機(jī)式與傳動(dòng)比3.0的電驅(qū)橋式驅(qū)動(dòng)方案相比，動(dòng)力性側(cè)重的輪轂電機(jī)不僅在動(dòng)力性上有較大優(yōu)勢(shì)，0-50km/h加速時(shí)間減少了22.3%，最大爬坡度提高了35.2%，而且經(jīng)濟(jì)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(jī)直驅(qū)式與電驅(qū)橋式非理想方案，尤其是側(cè)重動(dòng)力性的電機(jī)直驅(qū)式與電驅(qū)橋方案最不適合。
將傳動(dòng)比3.0的輪轂電機(jī)與傳動(dòng)比3.7的電驅(qū)橋驅(qū)動(dòng)方案相比，最高車速提高16.6%，0-50km/h加速時(shí)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(jī)是理想的驅(qū)動(dòng)方案，在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(jì)性，同時(shí)最高車速的意義也要大于加速能力。所以，最佳方案為傳動(dòng)比3.0的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，該方案最高車速110.9km/h，最大爬坡度24.7%，滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求。其次是傳動(dòng)比3.7的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，能與經(jīng)濟(jì)性側(cè)重的電驅(qū)橋式、電機(jī)直驅(qū)式能耗相當(dāng)?shù)那闆r下，具有更強(qiáng)的動(dòng)力性能，需要一定操控性時(shí)可選擇該方案?？紤]城市工況，經(jīng)濟(jì)性側(cè)重的方案優(yōu)先于動(dòng)力性側(cè)重的方案。
以上分析均基于微型純電動(dòng)汽車，承載不需要驅(qū)動(dòng)橋，通過(guò)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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