电动汽车传动系统的匹配及优化探析

余立刚

（湖北职业技术学院 机电工程学院，湖北 孝感 432000）

1 电机参数的选择及匹配

1.1 额定功率

电机额定功率属于一种工作状态，即电机可以长期连续性的高效作业。本文以P指代额定功率，具体表达式如下所示：

其中，ηT表示传动机械效率；m表示车的整体质量，单位为kg；g表示重力加速度，单位为m/s2；f表示滚动阻力系数；CX表示空气阻力系数；S表示迎风面积，单位m2；α 表示纵向坡度角，单位为°；u表示巡航车速，单位为km/h。

1.2 峰值功率

爬坡工况以及加速工况下，电动汽车的整体工作性能便是电极的峰值功率，峰值功率与车动力性呈现正比关系，不过，峰值功率越大，电池需求容量越高。所以，在选择峰值功率时，要对汽车整体因素进行全面考虑。设峰值功率为P1，汽车特定时刻行驶速度设为u1，加速性能下计算公式如下：

其中，δ 表示汽车旋转的质量系数。

电机处于额定转速状态时，转矩最大值（Rmax）的输出能力会直接影响汽车爬坡性能，因此，假设额定转速状态中，汽车的恒定车速为u2，坡度角最大值为α1，则爬坡性能下计算公式如下所示：

1.3 扩大恒功率区系数

电机额定转速不仅会给峰值功率造成一定的影响，在某种程度上来说，其还决定了汽车整体动力性能。假设扩大恒功率区的系数为Q=hmax/h，特定时刻的行驶速度为u3，静止加速至u3的时间设为t，具体表示式如下：

参考点击特性可得，电机峰值转矩的最大值T：

在上式中代入Q=hmax/h，结果如下：

由上述所得三个公式可知，电机额定转速值越小，Q值越大，峰值功率与动力电池需求功率越小，可以有效降低汽车的整体成本与质量。不过，额定转速功率降低，会在一定程度上影响汽车的整体动力性能。而电机额定转速值越大，Q越小，汽车额定转速周边的动力性能越好，不过，与此同时，峰值功率将会大幅度上涨，汽车整体电池需求功率也会上涨。

2 传动系统参数的匹配

电动汽车的传统系统的参数主要有五个：峰值转矩；最高转速；额定转速；峰值功率；额定功率。在对这些参数进行匹配时，不仅要结合汽车整体在动力性能方面的需求，还要对汽车整体质量进行严格掌控，确保其质量实现最小化，从而节约汽车整体造价，提高其市场效益、服务效益以及经济效益。合理化匹配电机参数，需要对多个目标进行有效优化，并基于汽车整体动力性能的约束，对已知参数进行有机结合，从而获取其余参数。

代入公式（2）中u1的最大值，假设所需功率为P3，并以P4替代公式（3）中，爬坡性能下的峰值功率，由此可得，电机峰值功率表达式：

继而可得，电机最大车速与转速最大值之间的关系，并获取转速最大值，具体公式如下：

其中，i0表示主减速比；ig表示变速器传动比；rd表示驱动轮半径。继而将所得参数代入公式（6），便可获取峰值转矩。

3 传动系统的优化

3.1 构建目标函数

汽车的能量耗损程度越小，其行驶里程越长，性能越好，市场效益、服务效益以及经济效益越高。因此，本次实验，将汽车的能量耗损程度与行驶里程作为目标函数，由于本文目标函数的构建方法为惩罚函数法，需要求解目标函数的极小点，因此，需要对汽车行驶里程进行负数化处理。目标函数的具体表达式如下所示：

3.2 构建约束条件

本次实验的约束条件主要有三个：传动比分配、行驶里程以及动力性能。其中，动力性能约束主要含有行驶车速最大值、爬坡性能以及加速性能。普遍而言，只要汽车的爬坡性能、加速性能与设计需求相符，则行驶车速的最大值必将负荷设计需求。因此，约束汽车爬坡性能、加速度时间即可。具体约束公式如下所示：

其中，ff表示的是滚动阻力；fw表示的是空气阻力；ft表示的是驱动力；而δ 表示的是旋转质量的换算系数。

汽车行驶里程约束主要包含工况状态下行驶里程、等速行驶状态下行驶里程。具体表达式如下所示：

其中，W1表示的是电池总能量；b表示的是各个工况下，汽车行驶距离，单位为km。

利用遗传算法对传统系统速比进行优化可得如下适应度函数：

其中，覣表示罚因子，值域为（0，+∞）。

最终优化结果如表1所示。

表1 传统系统优化表

4 结语

本文以汽车动力性能为切入点，对其传动系统参数的选择方法以及匹配方式、具体流程进行了深入分析，并提出了一系列优化策略，以减轻电动汽车整体质量、节约造价成本、提高电动汽车的整体能效。同时，期望能为我国相关人员提供有价值的参考资料，提高相关人员的电动汽车设计水平，推进电动汽车发展。