基于动力性的纯电动专用车辆传动系统匹配仿真

袁 新

(四川工业科技学院,四川 德阳 618500)

0 引言

随着纯电动汽车相关技术的不断发展,对纯电动汽车的各项使用性能要求也日益提升[1-2],特别是在纯电动汽车动力性及续航里程方面存在的一些问题,在一定程度上制约着纯电动汽车的发展,在纯电动专用车辆方面也同样如此[3-5]。因此,本文根据某纯电动专用车辆设计参数和性能要求,对目标车辆电机及传动系统等动力系统参数进行分析与匹配,以求提高车辆动力性,达到设计要求。

1 纯电动专用车辆的基本参数

1.1 纯电动专用车辆的技术参数

根据某纯电动专用车辆的设计要求,其设计参数如表1所示。

表1 纯电动专用车辆的设计参数

1.2 纯电动专用车辆的性能指标

根据某纯电动专用车辆设计用途,要求其动力性指标要求如表2所示。

2 驱动电机参数匹配

2.1 建立驱动电机匹配数学模型

驱动电机作为纯电动汽车的动力源,对整车动力性有着至关重要的作用[6]。通常电机功率参数匹配可依据最高车速、最大爬坡度和加速性能等指标确定。

1)根据纯电动专用车辆最高车速确定电机功率Pm1。电机的额定功率应满足汽车以最高车速在水平道路行驶时滚动阻力和空气阻力所消耗的功率之和

(1)

式中,m为整车质量,kg;f为滚动助力系数;CD为风阻系数;A为迎风面面积,m2;vmax为最高车速,km/h;ηT为传动效率。

2)根据纯电动专用车辆最大爬坡度确定电机功率Pm2。电机的额定功率应满足汽车以最低挡匀速爬上最大坡度时滚动阻力、空气阻力和坡道阻力所消耗的功率之和

(2)

式中,vp为爬坡速度,km/h;αmax为最大爬坡角度,(°)。

3)根据纯电动专用车辆加速性能确定电机功率Pm3。电机的额定功率应满足汽车以在水平道路加速行驶时滚动阻力、空气阻力和加速阻力所消耗的功率之和

(3)

式中,ve为加速终了时的车速,km/h;δ为旋转质量换算系数;te为加速时间,s。

电机额定功率必须满足车辆最高车速要求,峰值功率应同时满足动力性三大指标要求。因此,电机额定功率Pe和峰值功率Pemax分别为

Pe≥Pm1

(4)

Pemax≥max(Pm1,Pm2,Pm3)

(5)

电机峰值功率与额定功率关系为

Pemax=λPe

(6)

式中,λ为电机过载系数,取值范围2～3,本文取2.5。

4)纯电动专用车辆最高车速vmax与电机最高转速nmax关系为

(7)

式中,imax为最大传动比;r为轮胎滚动半径,m。

电机额定转速ne为

(8)

式中,β为电机的扩大恒功率区系数,取值范围2～4。

电机额定转矩Te为

(9)

电机峰值转矩Temax为

(10)

2.2 基于MATLAB的驱动电机参数匹配

利用驱动电机功率和转速数学模型,分别编写驱动电机功率及转速匹配的MATLAB程序。分别运行相关程序将得到以下数据。

图1为电机功率-最高车速曲线。可见,最高车速在120 km/h时所需的电机功率为28.62 kW。

图1 电机功率-最高车速曲线

图2为不同爬坡速度下的电机功率-爬坡度曲线。可见,爬坡速度越高,所需电机功率越大,故以较低车速下爬坡能力确定所需电机功率。得出,最低爬坡速度20 km/h爬20°坡时所需的电机功率为34.13 kW。

图2 电机功率-爬坡度曲线

图3为电机功率-加速时间曲线。可见加速时间为15 s时所需的电机功率为58.47 kW。

图3 电机功率-加速时间曲线

因此,选用电机类型为永磁同步电机,峰值功率取60 kW,过载系数取2.5,额定功率为24 kW。

图4为电机最高转速-最高车速曲线。图5为电机最高转速-传动比曲线。可见,最高车速越高、传动比越大,电机最高转速越高。综合分析,电机的最高转速为8 000 r/min,额定转速为3 000 r/min。

图4 电机最高转速-最高车速曲线

图5 电机最高转速-传动比曲线

根据式(9)可得电机额定转矩为76.4 N·m,根据式(10)可得电机的峰值转矩为225 N·m。电机电压选择345 V。综上所述,驱动电机匹配参数见表3。

表3 驱动电机匹配参数

3 二挡变速器参数匹配

在驱动电机输出性能一定的前提下,传动比的选择主要取决于电动汽车的动力性[7]。驱动电机的外特性具有低速区恒转矩输出,高速区恒功率输出的特征[8]。驱动电机较宽的工作范围,适合电动汽车的运行,因此在变速器的匹配上,并不需要设置过多挡位[9]。为满足电机工作于高效区域,且不必增加变速器的结构复杂性,因此选择II挡变速器,这样不仅可以控制成本,简化操作,同时还能满足电动汽车经济性的要求。

3.1 建立二挡变速器的传动比匹配数学模型

变速器传动比的确定,主要受车辆动力性指标来确定[10]。I挡传动比的选择既要满足动力性爬坡要求,又要兼顾电机低速区工作效率,同时,I挡驱动时的最大驱动力又应小于或等于驱动力的附着力。所以,I挡传动比的上限应满足

(11)

式中,i0为主减速器传动比;ig12为变速器Ⅰ档传动比上限;r为轮胎滚动半径,m;b为汽车质心到后轴的距离,m;L为轴距,m;φ为道路附着系数。

I挡传动比的下限应满足

(12)

式中,ig11为变速器I挡传动比上限。

Ⅱ挡传动比的选择既要满足电动汽车行驶的最高车速,同时也要尽可能地降低驱动电机转速,兼顾电机高速工况下的效率,所以Ⅱ挡传动比的上限应满足

(13)

式中,ig22为变速器II挡传动比上限。

Ⅱ挡传动比的下限应满足

(14)

式中,ig21为变速器Ⅱ挡传动比上限;Tumax为最高车速对应的输出转矩,N·m。

为保证在换挡时动力输出的连续性,避免由于换挡时的动力中断影响驾驶体验,II挡时电机基速下的驱动力应满足以下要求

(15)

3.2 基于MATLAB的二挡变速器传动比匹配

利用变速器传动比匹配数学模型,编写变速器传动比匹配的MATLAB程序。运行相关程序将得到数据如下:I挡传动比范围为1.91≤ig1≤2.23;Ⅱ挡传动比范围为0.27≤ig2≤1.75。综合考虑,选择I挡传动比为1.98,Ⅱ挡传动比为1。

4 纯电动专用车辆动力性仿真

4.1 建立纯电动专用车辆动力性数学模型

根据驱动电机输出特性,其电机输出转矩与转速关系为

Ts=Temax(n≤ne)

(16)

(17)

式中,Ts为电机输出转矩,N·m;ne为电机转速,r/min。

加速度为

(18)

式中,Ft为驱动力,N,Ff为滚动阻力,N,Fw为空气阻力,N。

最大爬坡度为

(19)

4.2 基于MATLAB的纯电动专用车辆动力性仿真分析

4.2.1 建立纯电动专用车辆动力性模型

根据纯电动专用车辆动力性数学模型,基于MATLAB/simulink建立了整车模型,如图6所示。

图6 纯电动专用车辆动力性仿真模型

4.2.2 纯电动专用车辆动力性仿真分析

运行纯电动专用车辆动力性,可得到二挡变速器纯电动专用车辆驱动力-行驶阻力平衡图,如图7所示,当变速器处于Ⅱ挡时,其行驶车速最高,最高车速约为159.2 km/h。二挡变速器纯电动专用车辆加速度曲线如图8所示,当变速器处于I挡时,其加速度最大,最大加速度约为3.044 m/s2。二挡变速器纯电动专用车辆爬坡度曲线如图9所示,当变速器处于I挡时,其爬坡度最大,最大爬坡度约为36.4%。

图7 纯电动专用车辆驱动力-行驶阻力平衡图

图8 纯电动专用车辆加速度曲线

图9 纯电动专用车辆爬坡度曲线

5 结论

本文研究纯电动专用车辆电机与传统机械结构的参数进行合理匹配这一技术热点问题,根据设计目标,完成电机各项参数匹配,匹配参数如表3,并匹配出变速器两个挡位传动比(I挡传动比为1.98,II挡传动比为1)。因此,基于MATLAB软件建立整车模型,并进行性能分析以及对其传动系统匹配仿真的方法可行,对研究两挡变速器对提高纯电动专用车辆动力性具有实际意义。

本文探索纯电动专用车辆的simulink仿真模型的基本规律和有效方法,分析不同传动系统对于车辆动力性的影响,为纯电动专用车辆的传动系统优化与升级提供了理论依据。