电动汽车驱动系统的参数设计与仿真

周振响，张琦

引言

电动汽车因其零排放、高效率、结构简单、维修方便、操作性好等优势成为解决上述问题的首选车型。目前，电动汽车技术还不太成熟，其主要问题是动力电池组成本高和续驶里程不理想，对驱动系统的合理设计以求各部件参数达到最佳匹配，是提高电动汽车动力性和增加续驶里程的有效手段[1]。本文是建立在传统汽车驱动系统的基础上，对电动汽车驱动系统的参数进行了设计方法与仿真。

1、驱动系统的基本结构布置

采用不同的电驱动系统形式总体上可分为两种：集中驱动和车轮独立驱动。本文研究的电动汽车电驱动结构形式是集中驱动，基本结构如图1所示[2]。

其驱动模式与传统汽车驱动系统的布置一致，带有变速器和离合器，只是将发动机换成电动机，这种布置可以提高电动汽车的起动转矩，增加低速时电动汽车的后备功率。

2、驱动系统的参数设计

电动汽车驱动系统由蓄电池组、功率转换器、电动机、离合器、变速器、主减速器、差速器和驱动轮等主要部件组成。集中驱动是利用一个动力源通过变速器和减速器减速增扭，最后经差速器将驱动转矩大致平均地分配给左右驱动半轴到达驱动轮，其驱动形式采用前轮驱动。驱动系统的技术参数由电动汽车动力性能指标决定[3][4]。

2.1 驱动电机参数确定

电动汽车的功率全部由电机来提供，所以电机功率的选择须满足汽车最高车速、加速时间和最大爬坡度等动力要求[5]。

2.1.1 满足汽车最高车速时驱动电机的功率

车辆在水平良好路面上，以最高车速匀速行驶，坡度阻力和加速阻力为零，驱动电机输出功率应至少为：

式中：P1为最高车速时驱动电机功率，kW；Tη为传动系统效率；m为车辆满载质量，kg；f为滚动阻力系数；maxu为最高行驶车速，km/h；CD为空气阻力系数；A为车辆迎风面积，m2；g为重力加速度，9.8N/kg。

2.1.2 满足汽车爬坡性能时驱动电机的功率

电动汽车以某一车速爬上一定坡度时，驱动电机输出功率应至少为：

式中：P2为满足爬坡性能时驱动电机功率，kW；α为爬坡角度， α = a rctani ，i为道路坡度； ua为爬坡时最低车速，km/h。

2.1.3 满足汽车加速性能时驱动电机的功率

电动汽车加速过程中，所需的最大功率为加速至目标车速下的功率，忽略坡道阻力，驱动电机输出功率应至少为：

式中：P3为满足加速性能时驱动电机功率，kW； um为加速后期车速，km/h；δ为汽车旋转质量换算系数；为加速后期加速度，m/s2。

电动汽车的驱动电机最大功率应该同时满足车辆在最高车速、最大爬坡度和最大加速度时所需的功率，所以驱动电机的最大功率为：

驱动电机的额定功率为：

式中：Pe为驱动电机的额定功率，kW；λ为驱动电机的过载系数，一般取2～3。

2.1.4 驱动电机转速的确定

式中：ne为驱动电机的额定转速，r/min；maxn 为驱动电机的最大转速，r/min；β为驱动电机的扩大恒功率区系数，一般取2～4。

2.1.5 驱动电机转矩的确定

式中：Te为驱动电机的额定转矩，N·m。驱动电机的最大转矩为：

2.2 传动系传动比参数确定

在驱动电机输出特性一定时，电动汽车传动比的选择依赖于整车的动力性能指标，即应该满足汽车最高车速、最大爬坡度以及对加速时间的要求[6]。

2.2.1 最小传动比的确定

根据驱动电机最高转速和最高行驶车速确定最小传动比[7]。若变速器的最高挡为直接挡时，即此挡的传动比为 1，则最小传动比即为主减速器的传动比，有：

式中：0i为主减速器传动比；minti 为传动系最小传动比；r为车轮滚动半径，m。

2.2.2 最大传动比的确定

电动汽车最大传动比的确定，要考虑以下两个方面的问题：最大爬坡度和附着率。电动汽车在满足最大爬坡度的条件下，车辆的最大传动比为：

式中：1gi为变速器I挡传动比；maxti 为传动系最大传动比；maxα为车辆I挡时的最大爬坡角度；maxuα为车辆最大爬坡度时的速度，km/h。

电动汽车传动系传动比应满足： itmin≤i≤itmax。

3、驱动系统设计

某款电动汽车驱动模式与传统汽车驱动系统的布置一致，采用前轮前驱形式，其基本参数及动力性能需求如表 1所示。

表1 电动汽车基本参数和动力性能要求

3.1 驱动电机参数的选择

驱动电机类型选取交流感应电动机。

由公式（1）～（4）计算得到驱动电机的最大功率为82.6kW；取λ=3由公式（5）得额定功率为27.5kW。由公式（6）得驱动电机最大转速为 6000r/min，额定转速为3000r/min。由公式（7）（8）得驱动电机最大转矩为219.2 N·m，额定转矩为87.7 N·m。

3.2 传动系传动比的选择

本文设计的变速器为3挡，各挡以等比级数分配，且3挡为直接挡即 ig3=1，由公式（9）得主减速器传动比i0= 5 .7；由公式（10）得1、2、3挡传动比分别为 ig1=2.9， ig2=1.7，ig3=1。

4、仿真分析

利用ADVISOR软件对混合动力汽车动力性能进行仿真分析。ADVISOR软件能够依据汽车动力系统的性能要求对一定行驶循环工况下汽车的动力性能、经济性能和排放性能进行估算。

在UDDS工况下仿真结果如图2至图5所示。汽车的最高车速为 133km/h，最大爬坡度为 32%。发动机的转速在UDDC道路工况下不断的发生变化，汽车在加速运动时，电机能够提供额外转矩，而在减速情况下电机开始发电，有效的回收能量为蓄电池充电。从图中得出，SOC呈动态变化，但波动很小，实现了充放电的平衡，满足了设计的要求。

5、结论

驱动系统是汽车的核心组成部分，而对电动汽车更为重要，驱动系统的参数匹配将影响到电动汽车的动力性能和续驶里程等指标。通过对电动汽车驱动系统的研究，对驱动系统各主要部件的具体计算方法和基本参数的选择进行了说明，为实现驱动系统各部件的参数达到最佳匹配提供了理论基础。通过仿真软件验证了所设计驱动系统的主要参数，满足了动力性能和经济性的要求。

[1] 张珍,陈丁跃,刘栋.电动汽车驱动系统的参数设计及匹配[J].上海汽车,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](第五版).北京：机械工业出版社,2009.

[4] 赵立军,佟钦智.电动汽车结构与原理[M].北京：北京大学出版社,2012.

[5] 张罗曦.电动车用集成式驱动系统的研究[D].武汉理工大学,2010：1-19.

[6] 吴敏.电动汽车动力驱动系统参数优化设计及性能仿真研究[J].制造业自动化,2012，34(5)：127-141.

[7] 高树健，陈丁跃.电动汽车驱动系统设计及性能仿真[J].吉首大学学报（自然科学报）,2012，33(4)：79-82.