里程延长式电动汽车传动系参数匹配与仿真*

2013-09-12冯永恺杨昊仁

组合机床与自动化加工技术 2013年9期

冯永恺，杨昊仁，黄康，陈奇

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009)

0 引言

随着石油资源危机和汽车尾气排放等问题日益严重，汽车界势必要寻求低排放、综合利用能源的车辆。因此，具有这些特性的纯电动汽车成为各国研究的热点［1］。但是，目前的电池性能还未能完全满足要求，存在安全性差、续航能力弱、成本高等缺点，影响电动汽车的产业化。采用里程延长式电动汽车是当前切实可行的解决方案。里程延长式电动汽车解决了汽车续驶里程短的问题，同时又兼顾了购车成本。基本结构如图1所示。

图1 里程延长式电动汽车动力系统

目前，小型电动汽车多采用固定速比的减速器，这种传动方式结构简单、成本较低。但是，采用一个档位的减速器，对牵引电机提出了较高的要求，使得牵引电机既要在恒转矩区提供较高的瞬时转矩，又要在恒功率区提供较高的运行速度。同时，存在电机利用效率较低的问题［2］。针对上述问题，本文在某款里程延长式电动车上，设计电机与两档行星齿轮结构的传动系统，并对传动系参数进行匹配与仿真。

1 传动系统结构设计

电动汽车传动系统结构类型较多，常用的有AMT结构和DCT结构。采用AMT结构时，需要使用同步器，此时换档冲击较大。而采用DCT结构时，由于变速箱只有两个档位，此时双离合器结构会使成本增加很多。本文根据较成熟的4AT结构，并进行修改，最后得到由单排行星齿轮构成的2AT结构，如图2所示。

变速器为行星齿轮式结构，Ⅰ轴与输入电机相连，Ⅱ轴为动力输出轴，在Ⅰ轴上安装有离合器C1，齿圈上安装有制动器B1，用于完成档位的切换。

图2 传动系统结构

2 电机选型

2.1 系统动力要求

电动汽车动力性主要由3个指标来评定：汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度。根据设计要求，本文设计的电动汽车最高车速为130km/h，最大爬坡度为30%，续驶里程160km，0～100km/h加速时间20s。相关整车参数，如表1所示。

表1 整车相关参数

2.2 电机参数及特征

驱动电机是电动汽车行驶的动力源，一般要求其在车辆低速行驶或爬坡时提供大转矩，在高速行驶时提供大功率［3-4］。需要确定的电机特性参数主要有额定功率、峰值功率、额定转速和最大转速等。

2.2.1 电机的额定功率及峰值功率

(1)额定功率的匹配

正确选择电动机的额定功率十分重要，电机额定功率的设计方法与传统发动机相似。通常，从保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机的额定功率［5］。

(2)峰值功率的匹配

驱动电机的峰值功率(Pemax)必须满足最高车速时的功率(Pe)、最大爬坡度时的功率(Pa)及加速时间的功率(Pc)的要求，即：Pemax≥max［Pe，Pa，Pc］［6］。

式中，umax为最高车速;ηT为传动效率;m为整车质量;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;ui为爬坡车速;ua为汽车的加速末速度;ta为汽车加速时间。

2.2.2 电机的额定转速及最高转速

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3所示。在低转速时得到恒定的最大转矩(Tmax)，在高转速时得到恒定的较高功率(wb)［7］。

图3 驱动电机扭矩转速特性

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，因此β值一般取 2 ～3［6］。

2.2.3 电动机匹配结果

综合以上计算结果和分析，经过市场调研，本车最终选择某公司的永磁驱动电机，具体参数如表2所示。

表2 电机参数

2.2.4 驱动系统仿真结果

(1)平直道上最高车速仿真

车辆在平直道路上行驶，根据匹配得到的电机参数，车速与牵引力、行驶阻力的关系，利用MATLAB进行仿真，得到的最高车速为133.3km/h。仿真结果如图4所示。

图4 平直道上最高车速仿真

(2)坡道上最高车速仿真

车辆在坡度为30%的坡道上直线上坡行驶，根据匹配得到的电机参数，车速与牵引力、行驶阻力的关系，利用MATLAB进行仿真，得到的最高爬坡车速为57km/h。仿真结果如图5所示。

图5 坡道上最高车速仿真

3 两档变速器设计

3.1 结构原理

本文设计的两档变速器为行星齿轮结构式，如图2所示。各个档位的运动路线如下：

(1)D1档的实现(低速档)

B1接合制动，动力从输入轴Ⅰ，经齿轮2、3、4和H行星轮系，将动力输出至齿轮5，并经5和6再次减速后，输出动力到Ⅱ轴。此档为减速档，主要用于起步和爬坡等。

(2)D2档的实现(同步档)

C1接合，动力直接从输入轴Ⅰ输出到齿轮5，并经5和6再次减速后，输出动力到Ⅱ轴。此档的输出速度与输入电机同步，主要用于中高速行驶。

(3)倒档的实现

B1接合，动力传递路线与D1档一致，此时控制电机反转，即为倒档，用于倒车。

表3为各个档位的离合器工作状态。

表3 在不同动力输出时离合器的工作状态

注：表中“●”表示结合，“○”表示分离。

3.2 传动参数确定及动力参数的匹配

在电动机输出特性一定时，传动比如何选择，依赖于整车的动力性指标，即应该满足汽车的最高车速、最大爬坡度以及加速度时间。同时尽可能地使电机工作于高效率区。

3.2.1 传动比上限的确定

传动比的上限由电机最高转速和车辆最高行驶速度决定［8-10］：

式中，nmax为电机最高转速;umax为汽车最高行驶速度;r为车轮半径。

3.2.2 传动比下限的确定

(1)由最高车速和行驶阻力确定的传动比下限：

式中，Fumax为最高车速时行驶阻力;Tumax为电机最大转速对应的转矩。

(2)由电动机最大输出转矩、最大爬坡度和行驶阻力确定的传动比下限：

由于本车采用的变速箱为行星齿轮结构，所以主减速器传动比初步取为3.8，一档传动比初步取为4.52，二档为同步档。

4 传动系统仿真

根据整车设计要求，匹配的电机参数及传动系参数，详见表1，表2。应用电动汽车仿真软件ADVISOR输入仿真参数，包括整车质量，变速器传动比，电动机工作特性等。其中根据电机测试报告数据所得的电机效率曲线如图6所示。从该图可知，该永磁电机整体工作效率较高，且当电机工作在额定转速附近时，效率可达95%左右。

图6 电机工作效率曲线

仿真参数输入完成后，进行仿真参数设置，包括道路循环工况的选择，加速性能的测试设置，爬坡能力测试设置等。由于电动汽车主要在城市道路工况下行驶，因此本文采用欧洲城市道路工况的CYC_ECE_EUDC工况曲线，其循环周期为1225s，行驶路程为10.93km，最大行驶车速为120km/h，平均车速为32.1km/h，最大加速度为1.05m/s2，最大减速度为－1.39m/s2，停车次数为13。该工况车速曲线如图7所示。