纯电动汽车动力传动系统的匹配与仿真

景 柱，符纯明，干年妃

（湖南大学新能源汽车研究中心，湖南，长沙 410082）

面临着全球能源危机的不断逼近，各国政府和企业都投入巨大的资金研发新能源汽车。目前，纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的成熟度还有待发展，纯电动汽车的瓶颈在于其动力电池。动力电池、电机参数、变速器匹配结果的优劣决定着汽车的动力性和经济性。

国内外对电动汽车的研究主要集中在动力电池和电驱动系统控制策略两个方面。查鸿山等从车辆动力学出发建立电机功率计算模型，结合动力性指标对动力传动系统进行优化[1]；徐亚磊以电动汽车动力性和续驶里程为设计指标，对驱动系统元件参数进行匹配优化设计[2]；王峰等提出了一种新型的调速电机和行星减速机构的动力传动系统，并优化该传动装置参数以提高动力性和经济性[3]；S. Rinderknecht等将纯电动汽车动力系统细分为轮毂驱动、轴旁驱动和轴中驱动系统，并结合变速器进行了匹配分析[4]。本文依托某纯电动汽车研发项目，对其动力传动系统中电机功率的选择与单挡、两挡和5挡变速器的匹配，理论计算证实采用相同功率的电机使用5挡变速器能更好地满足动力性要求，并运用ADVISOR进行5挡变速器与15 kW电机续驶里程仿真，仿真结果表明其续驶里程超过国家标准。

1 整车基本参数和设计目标

1.1 整车参数

本项目研发的电动汽车依托于传统的微型车，在保留原有的悬架系统、换挡机构和车架的基础上，采用锰酸锂电池作为动力电池，永磁同步电机作为驱动电机。综合权衡，其整车参数见表1。

表1 整车参数

1.2 动力性指标

根据本项目的市场定位和国标GB/T 28382—2012标准，确定其整车动力性指标见表2。

表2 动力性指标

2 驱动电机参数确定

选择电机时应使电机尽可能工作在高效区，同时还需考虑电池组的峰值放电倍率。

2.1 最高车速时计算驱动电机功率

在水平道路上以最高车速匀速行驶时忽略加速阻力[5-6]，假定风速为0，则需电机输出功率为

式中：P1为最高车速时驱动功率；m为整车满载质量，kg；umax为最高车速，km/h；Cd为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；ηt为机械传动效率；f(u)为滚动阻力系数。

其中[7]

根据国标和实际需求选定车速为100 km/h，由式（2）计算得f(u)=0.015 24，由式（1）计算得P1≈13.2 kW。若车速只需满足国家标准不小于85 km/h，则可以选择功率更小的电机。

2.2 最大爬坡度时计算驱动电机功率

在计算最大爬坡度行驶时的所需功率，应忽略加速阻力功率和空气阻力功率[5-6]，其电机输出功率为

式中：P2为最大爬坡度行驶功率；ua为爬坡时最低车速，30 km/h；i为爬坡度，20%。

由式（2）计算得f(u)≈0.012 7，由式（3）计算得P2≈26 kW。

2.3 加速性能计算驱动电机峰值功率

在水平道路上，假定风速为0，整车加速过程的末时刻为电动汽车输出最大功率，其加速过程所需最大功率为[8]

式中：P3为匀加速末所需的最大功率；ua为匀加速时末速度，km/h；ta为匀加速时间，s。

由国标GB/T 28382—2012可知，0～50 km/h的加速时间不超过10 s，ta取10 s；由式（2）与式（4）计算可知 P3≈21.3 kW。

由式（1）计算可知选定电机的额定功率为15 kW，由式（3）与式（5）计算可知选定电机的峰值功率为30 kW。基于满足实际需求和成本因素，选择电机额定功率和峰值功率分别为15 kW和30 kW。

2.4 电机特性参数确定

参照电机设计标准，确定额定电机额定转速为3 600 r/min，最高转速为6 000 r/min，电机的外特性控制成额定转速以下恒转矩和额定转速以上恒功率，据此电机试验数据绘出电机外特性如图1所示。

3 传动系传动比确定

假定电机特性与行驶条件不变，对以下4种传动比的变速器的使用选择进行动力性分析比较。

3.1 单一传动比的动力性能

为兼顾最高车速和最大爬坡度，采用固定传动比为6.963。其动力与阻力平衡图如图2所示。

由图2可见，最高车速能达到85 km/h，最大爬坡度只能达到12%。为了满足爬坡性能的要求，不得不将电机功率加大到峰值45 kW，将电机转速提高到9 000 r/min。带来的弊病是电池放电功率需要提高，减速器齿轮和润滑性能需要提高，还要考虑倒挡时减速器输入轴反转带来的影响。

3.2 两挡传动比的动力性能

采用相同功率的电机输入，两挡变速器其高挡传动比为6.5，低挡传动比为10。计算得到的动力与阻力平衡图如图3所示。

由图3可知，最高车速只能达到90 km/h，最大爬坡度只能接近20%。因此，需要更高的车速和爬坡度则需更高功率的驱动电机，同样对电池的性能要求更高。

3.3 5挡传动比的动力性能

3.3.1 15 kW电机与5挡变速器动力性能分析

采用额定功率为15 kW的输入，其5挡变速器最大传动比为3.538，最小传动比为0.78，倒挡速比为3.454，主减速传动比为3.765。此5挡变速器与15 kW电机其动力性分析如图4所示。由图4可知最高车速可以达到96 km/h，最大爬坡度大大超过20%，能很好地满足动力性的要求。

3.3.2 11 kW电机与5挡变速器动力性能分析

如果只需满足最低标准车速为85 km/h的要求，则选择电机额定功率为11 kW，其5挡变速器的最大传动比为5.494，最小传动比为1.033，倒挡速比为3.583，主减速传动比为4.314，此5挡变速器与11 kW电机的动力平衡分析如图5所示。

由图5可知，最高车速满足85 km/h的要求，其最大爬坡度也超过20%。采用两挡时需电池提供30 kW的放电功率，其放电倍率约为1.28，采用5挡时满足同样的动力性能只需电池提供15 kW放电功率，其放电倍率约为0.64，从而降低了对电池性能的要求。

3.4 三类变速器最高车速和最大爬坡度对比

结合以上动力性能分析，得出15 kW电机与单挡、两挡和5挡变速器的各自最高车速和最大爬坡度见表3。由表3可知，采用5挡变速器结合15 kW电机能很好地满足爬坡度与最高车速要求，比采用单挡和两挡其最高车速高出12.9%和6.7%，最大爬坡度约为26%。

表3 比较15 kW与不同挡位变速器动力性

4 续驶里程仿真计算

ADVISOR是由美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的一款用于电动汽车仿真研究软件。采用后向仿真与前向仿真相结合，但以后向仿真为主。后向仿真一般用于初期的系统预估，从系统需求出发，假定车辆按指定工况行驶，通过计算得到满足工况要求的各个输入变量的值[9]。

采用ADVISOR软件原有的整车模型、电机模型、电池模型和减速器模型，按设计目标设置好相应参数，采用电池的电压为288 V，容量为70 A·h，并与5挡变速器联合仿真，当SOC低于30%时停止仿真。采用15 kW驱动电机在50 km/h等速工况和美国环境保护署EPA制动的城市道路循环（Urban Dynamometer Driving Schedule，UDDS）工况下仿真[10-11]，其续驶里程分别为164.7 km和121 km。仿真结果表明，采用5挡变速器能很好地满足续驶里程要求。

5 结论

本车型原配置5挡手动变速器，在此基础上，改成电动汽车，可以获得低成本高性能的效果，并且有利于产业化共线总装，有利于持续发展。通过单挡、两挡和5挡对比验证了改造的电动汽车，使用传统汽油车的变速器，是事半功倍的好途径。

（1）使用5挡变速器其动力性取得了令人满意的效果，其续驶里程能达到121 km。

（2）在相同整车动力性要求下，采用两挡变速器则需要电机额定功率为30 kW，而5挡变速器只需将电机额定功率选为15 kW，这使电池的放电倍率由1.28降低为0.64，电池放电功率随之降低，从而降低了对动力电池的要求和减少了整车成本。

目前，5 挡变速器早已产业化，而两挡变速器正处于研发阶段，使用5 挡变速器不但能降低研发成本，还能降低对电机和电池的要求，是未来电动汽车发展的方向。

References)

[1]查鸿山，宗志坚，刘忠途，等.纯电动汽车动力匹配计算与仿真[J].中山大学学报(自然科学版)，2010，49(5)：48-51.Zha Hongshan，Zong Zhijian，Liu Zhongtu，et al.Matching Design and Simulation of Power Train Parameters for Electrical Vehical[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2010，49(5)：48-51. (in Chinese)

[2]徐亚磊.纯电动汽车驱动系统选型及仿真研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.Xu Yalei. The Selection and Simulation Research of EV Drive System[D]. Wuhan：Wuhan University of Technology，2012. (in Chinese)

[3]王峰，方宗德，祝小元.纯电动汽车新型动力传动装置的匹配仿真与优化[J].汽车工程，2011，33(9)：805-807.Wang Feng，Fang Zongde，Zhu Xiaoyuan. Matching，Simulation and Optimization of the New Power Transmission Device for an Electric Vehicle[J]. Automotive Engineering，2011，33(9)：805-807. (in Chinese)

[4]RINDERKNECHT S，MEIER T. Electric Power Train Configurations and Their Transmission Systems[C].International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion，2010：1564-1568.

[5]刘清虎，郭孔辉.动力参数的选择对纯电动汽车性能的影响[J].湖南大学学报(自然科学版)，2003，30(3)：62-64.Liu Qinghu，Guo Konghui. The Choice of Dynamic Parameters of the Performance of Electric Vehicle Influence[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences)，2003，30(3)：62-64. (in Chinese)

[6]曾虎，黄菊花.纯电动汽车的电机与变速器匹配[J]，装备制造技术，2010(2)：40-42.Zeng Hu，Huang Juhua. The Matching of EV between the Motor and the Transmission[J].Equipment Manufacturing Technology，2010 (2)：40-42.(in Chinese)

[7]Huang Wei，Wang Yaonan，Feng Kun. Development of a Two-Speed Automatic Transmission for Pure Electric Vehicles [J].Automotive Safety and Energy，2011，2(1)：72-76.

[8]熊明洁，胡国强，闵建平.纯电动汽车动力系统参数选择与匹配[J]. 汽车工程师，2011(5)：36-38.Xiong Mingjie，Hu Guoqiang，Min Jianping. Selecting and Matching on Power Train Parameters of Pure Electric Vehicles[J].Auto Engineer，2011(5)：36-38. (in Chinese)

[9]黄妙华，陈飚，陈胜金.电动汽车仿真结构比较[J].武汉理工大学学报，2005，27(3)：66-69.Huang Miaohua，Chen Biao，Chen Shengjin. Comparison of Simulation Structures in Electrics in Electric Vehicle[J].Journal of Wuhan University of Technology，2005，27(3)：66-69.(in Chinese).

[10]MARKEL T，BROOKER A，HENDRICKS T，et al. ADVISOR：a Systems Analysis Tool for Advanced Vehicle Modeling[J]. Journal of Power Sources，2002(110)：255-266.

[11]WIPKE K B，CUDDY M R，BURCH S D. ADVISOR 2.1：A User-Friendly Advanced Powertrain Simulation Using a Combined Backward/Forward Approach[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1999，48(6)：1751-1761.