纯电动汽车驱动系统设计及性能仿真_高树健

第３３卷　第４期　吉首大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３３　Ｎｏ．４ ２０１２年７月Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉｓｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）Ｊｕｌ．２０１２ 文章编号：１００７－２９８５（２０１２）０４－００７９－０４纯电动汽车驱动系统设计及性能仿真＊高树健，陈丁跃（长安大学汽车学院，陕西西安　７１００６４）摘　要：以某款普及型轿车为改装对象，对纯电动汽车系统进行了设计．根据设计目标对其动力参数进行了理论计算，并对驱动装置合理选型．利用电动汽车仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ建立了该电动汽车模型，最后进行了动力性能仿真．仿真结果表明：设定动力参数合理，电动汽车能良好运行，达到了预期期望．关键词：纯电动汽车；驱动系统；动力参数；性能仿真中图分类号：Ｕ４６９．７２ 文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２９８５．２０１２．０４．０１８随着环境污染的加剧和资源的日益短缺，纯电动汽车（ＥＶ）成为当前研制取代内燃机汽车的首选车型，前景广阔．我国的纯电动汽车大都建立在改装车基础上，目前电动汽车存在的主要问题是动力电池成本高和续驶里程不理想．对驱动系统进行合理设计，是提高电动汽车的动力性能和增加续驶里程的有效手段．电动汽车仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，简称ＡＤＶＩＳＯＲ）在电动汽车的设计中具有重要作用，在提高汽车性能的同时还可以缩短设计周期，降低开发成本．本文通过理论方法设计了某电动汽车驱动系统并利用ＡＤＶＩＳＯＲ对其进行仿真验证，实现了提高电动汽车动力性能和续驶里程的目标．１　驱动系统基本结构不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的ＥＶ．本文所设计ＥＶ的驱动系统基本结构如图１所示．［１］电动汽车驱动系统由蓄电池组、电动机、离合器、变速器、主减速器、差速器和驱动轮等部件组成，这些组成部件的参数选择将直接影响电动汽车的整车动力性能和续驶里程．图１　驱动系统电驱动形式２　驱动系统参数设计以某款普及型轿车为原型对其进行改装，根据驱动系统动力参数的设计原则设计出电动汽车，其部分技术参数目标见表１．［２－３］＊收稿日期：２０１２－０３－２８作者简介：高树健（１９８８－），男，山东临沂人，长安大学硕士研究生，主要从事汽车新能源研究；陈丁跃（１９６０－），男，安徽安庆人，长安大学教授，硕士生导师，主要从事新能源车辆、控制技术和太阳能汽车等研究．表１　电动汽车部分技术参数期望值最大总质量／ｋｇ１　６８９整备质量／ｋｇ１　３８９滚动阻力系数０．０１６　５迎风面积／ｍ２１．８９空气阻力系数０．２７轮胎滚动半径／ｍ　０．３２６　２续驶里程／ｋｍ≥１５０最高期望车速／（ｋｍ／ｈ）９０加速时间（０～４０ｋｍ／ｈ）／ｓ≤１０最大爬坡度（１２～１５ｋｍ／ｈ）／％≥２０％２．１电动机功率选择电动机功率的选择依据是汽车对最高车速、加速时间和最大爬坡度的要求．首先，电动机应为电动汽车提供恒定的保证汽车最高速行驶一段时间的功率，因此可以根据电动汽车最高车速确定电机额定功率：Ｐ１＝ｖｍａｘ３　６００（ｍｇｆ＋ＣＤＡｖ２ｍａｘ２１．１５）．（１）其中：ｖｍａｘ为电动汽车最高车速，单位为ｋｍ／ｈ；ｍ为汽车最大总质量，单位为ｋｇ；ｆ为滚动阻力系数；ＣＤ为空气阻力系数；Ａ为迎风面积，单位为ｍ２．其次，电动机还需具备一定的过载能力以满足电动汽车对加速性能的要求，试验所选电机初定为交流感应电机，设其输出功率峰值为ＰＰ，过载系数为λ，那么它的额定功率Ｐ２＝Ｐｅｒλ．（２）第三，电动汽车应具备持续爬坡能力，根据最大爬坡度确定电机额定输出功率Ｐ３＝ｖｉ３　６００（ｍｇｆ＋ｍｇｉ＋ＣＤＡｖ２ｉ２１．１５），（３）其中ｖｉ为电动汽车爬坡速度，单位为ｋｍ／ｈ．要使电动汽车能正常行驶，电机额定功率Ｐｅｒ必须同时满足以上３个条件，又考虑到机械传递效率η，则Ｐｅｒ≥ｍａｘ｛Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３｝η．（４）此外，电机转速ｎ和转矩Ｔ也均应满足电动汽车各项动力性能指标．考虑到电机效率与汽车行驶环境等的影响，电机参数的选择值应适当大于理论计算值［４］．２．２传动系传动比设计根据电机最高转速和最高行驶车速确定最大传动比ｉｔ，ｍａｘ＝０．３７７×Ｒ×Ｎｅ，ｍａｘ／ｖｍａｘ，（５）其中Ｒ为车轮滚动半径，Ｎｅ，ｍａｘ为电机最高转速．由电动机最高转速对应最大输出扭矩和最大行驶车速对应行驶阻力确定传动比的最小值为ｉｔ，ｍｉｎ＝（ｍｇｆ＋ＣＤＡｖ２ｍａｘ）Ｒ／（η·Ｔｖ，ｍａｘ），（６）其中Ｔｖ，ｍａｘ为电机最高转速对应的最大输出扭矩，单位为Ｎ·ｍ．电动汽车传动系传动比ｉｔ介于ｉｔ，ｍａｘ和ｉｔ，ｍｉｎ之间就能满足电动汽车行驶性能．２．３电池组容量设计电池组容量选择主要考虑电动汽车行驶时的最大功率和行驶一定距离所消耗的能量．在选定蓄电池型号的条件下，电池组容量取决于蓄电池数目．因此，根据电动汽车所需最大功率和续驶里程确定蓄电池数目ｎ．电池组携带的能量至少需满足电动汽车最大功率消耗，那么它所要求的蓄电池数目ｎ１应满足如下关系：Ｐｂ，ｍａｘ·ｎ１≥Ｐｅ，ｍａｘηｅηｅｃ．（７）其中：Ｐｂ，ｍａｘ为每块蓄电池的最大功率，单位为ｋＷ；Ｐｅ，ｍａｘ为电动汽车消耗最大功率，单位为ｋＷ；ηｅ为电机工作效率；ηｅｃ为控制器工作效率．另外，电池组携带能量对续驶里程有直接影响，要使电动汽车达到目标续驶里程，蓄电池数目ｎ２应满足ＣｓＶｓｎ２≥１　０００ＬＷ．（８）０８吉首大学学报（自然科学版）第３３卷其中：Ｃｓ，Ｖｓ分别为每块蓄电池的容量和电压；Ｗ为单位路程（ｋｍ）所消耗能量，单位为ｋＷ；Ｌ为续驶里程，单位为ｋｍ．根据（７），（８）式所列条件得到ｎ１，ｎ２，则电动汽车需要蓄电池数目即为ｎ≥ｍａｘ｛ｎ１，ｎ２｝．２．４驱动参数确定为了所设计的纯电动汽车能够有可靠的性能，根据动力参数设计原则，在理论计算结果的基础上适当增加一些裕量［５］．（１）电动机参数．根据计算结果要求，所选电动机参数如下：额定功率１９ｋＷ，峰值功率４７ｋＷ；额定转矩１３０Ｎ·ｍ，峰值转矩２００Ｎ·ｍ；额定转速４　０００ｒ／ｍｉｎ，最高转速８　０００ｒ／ｍｉｎ．（２）传动比设定．由于原车传动比符合电动汽车传动比理论计算范围，为了减少对原车结构的改动，保持原车主减速器传动比ｉ０为３．８６３；原车４个前进挡对应传动比分别为ｉ１＝２．９１０，ｉ２＝１．５４０，ｉ３＝１．０００，ｉ４＝０．７３０．（３）电池组容量选择．本设计选用Ｏｖｏｎｉｃ公司研制的镍－氢蓄电池，模块电池额定容量为９０Ａｈ，额定电压为１２Ｖ，额定能量达１　１００Ｗｈ，峰值功率为７．０ｋＷ．经计算，为达到电动汽车最大功率和续驶里程要求，需要该种蓄电池３２块．３　性能仿真在实车改造之前，为了分析所设计纯电动汽车是否满足各方面性能要求，基于前述驱动参数对电动汽车进行了仿真分析．采用模块化思想利用ＡＤＶＩＳＯＲ建模，建立的电动汽车主要部件及整车模型如图２所示［６］．图２　模块化ＥＶ仿真模型３．１仿真参数设置在ＡＤＶＩＳＯＲ提供的原始模型基础上，纯电动汽车仿真模块主要有：整车模型、车轮模型、主减速器和变速器模型、电动机模型、动力电池模型以及车辆模型等．针对所设计动力参数及表１所述电动汽车期望目标，设置主要仿真参数如表２．表２　仿真参数设置参数名称变量值整备质量ｖｅｈ＿ｍａｓｓ＝１２８６ｋｇ最大装载质量ｖｅｈ＿ｃａｒｇｏ＿ｍａｓｓ＝１５８６ｋｇ轴距ｖｅｈ＿ｗｈｅｅｌｂａｓｅ＝２．６８５ｍ空气阻力系数ｖｅｈ＿ＣＤ＝０．２７迎风面积ｖｅｈ＿ＦＡ＝１．８９ｍ２变速器档位数ｇｂ＿ｇｅａｒｓ＿ｎｕｍ＝４参数名称变量值各档速比ｇｂ＿ｒａｔｉｏ＝［２．９１０　１．５４０　１．０００　０．７３０］主减速器速比ｆｄ＿ｒａｔｉｏ＝３．８６３模块电池容量ｅｓｓ＿ｍａｘ＿ａｈ＿ｃａｐ＝９０Ａｈ电池模块数目ｅｓｓ＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｎｕｍ＝３２电机转速ｍｃ＿ｍａｐ＿ｓｐｄ＝［０　５００　１　０００…８　０００］电机转矩ｍｃ＿ｍａｐ＿ｔｒｑ＝［０　２５　５０…２００］３．２仿真分析目前纯电动汽车主要用于城市代步，因此该纯电动汽车的动力性仿真环境选择ＣＹＣ＿ＵＤＤＳ（美国城市工况）作为道路循环工况．ＵＤＤＳ城市道路的行驶里程是１１．９９ｋｍ，最高车速９１．２５ｋｍ／ｈ，仿真时间为１　３６９ｓ，怠速时间为２５９ｓ，停车次数为１７次．仿真结果如图３所示，根据仿真曲线对电动汽车车速、荷电１８第４期 高树健，等：纯电动汽车驱动系统设计及性能仿真图３　电动汽车ＵＤＤＳ工况下仿真结果状态、蓄电池电流和电动机功率输入进行分析：车辆的仿真速度与工况要求车速基本一致，最高车速能达到９１．２５ｋｍ／ｈ；荷电状态曲线在较长时间内下降比较平缓，由初始值ＳＯＣ＝１下降终了值ＳＯＣ＝０．８４，其中上升段为蓄电池进行充电阶段；蓄电池电流曲线中正值代表蓄电池工作时的放电电流，负值表示在能量回收过程中蓄电池的充电电流；电机功率输入中也包括正负值，正值表示电动机提供功率时的工作功率，负值表示电动机工作在发电状态时，向蓄电池提供的充电功率．后者对电动汽车节省能源和增加续驶里程有非常重要的意义．根据电动汽车动力性要求，设置电动汽车仿真模型的最高车速、加速性和爬坡度仿真参数，得出整车动力性仿真结果：最高车速１０９．７ｋｍ／ｈ；０～４０ｋｍ／ｈ加速时间６．８ｓ；１２～１５ｋｍ／ｈ时最大爬坡度２３．３％．通过以上仿真结果可以看出：设计的电动汽车动力性达到目标期望，并且能在城市道路循环工况下良好运行．４　结语纯电动汽车驱动系统的参数配置对整车动力性能及延长续驶里程有重要影响．以某款普及型轿车为原型，通过一系列参数计算对其驱动系统进行重新设计改装，并运用ＡＤＶＩＳＯＲ对其建模仿真，仿真结果显示该电动汽车各项动力指标均达到设计目标要求，并能在ＵＤＤＳ工况下良好运行，证明了本文对设计改装的电动汽车驱动参数是合理的．参考文献：［１］　张　珍．纯电动汽车动力传动系统的设计与整车性能仿真［Ｄ］．西安：长安大学，２０１０．［２］　黄菊花，徐仕华，刘淑琴，等．电动汽车动力参数匹配及性能仿真［Ｊ］．南昌大学学报：工科版，２０１１，３３（４）：３９１－３９４．［３］　余志生．汽车理论［Ｍ］．第４版．北京：机械工业出版社，２００６：７４－８３．［４］　ＭＩＣＨＡＥＬ　Ｈ　ＷＥＳＴＢＲＯＯＫ．Ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃａｒ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｔｈｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，２００１．［５］　薛念文，高　非，徐　兴，等．电动汽车动力传动系统参数的匹配设计［Ｊ］．重庆交通大学学报，２０１１，３０（４）：３０４－３０７．［６］　郑慧勤．纯电动汽车动力系统的设计与实现［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００９．Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｉｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｐｕｒｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＶｅｈｉｃｌｅＧＡＯ　Ｓｈｕ－ｊｉａｎ，ＣＨＥＮ　Ｄｉｎｇ－ｙｕｅ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，Ｃｈａｎｇ－ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｐｏｐｕｌａｒ　ｓｅｄａｎ，ａｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗｅｒｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍ－ａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ＡＤＶＩＳＯＲ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａ－ｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｔｈｅ　ｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｃｏｕｌｄ　ｒｕｎ　ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔａｒｇｅｔ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｉｎ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（责任编辑　陈炳权）２８吉首大学学报（自然科学版）第３３卷。