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某纯电动汽车驱动方案分析及参数匹配
2019-09-03 09:20:22· 来源：EDC电驱未来
纯电动小汽车驱动方案的选择及动力匹配是电动汽车开发过程中的关键，本文以一种微型纯电动汽车为例[1]，对车辆进行驱动方案影响因素分析及参数匹配，以实现车辆
纯电动小汽车驱动方案的选择及动力匹配是电动汽车开发过程中的关键，本文以一种微型纯电动汽车为例[1]，对车辆进行驱动方案影响因素分析及参数匹配，以实现车辆具备相应的动力性能和经济性能。
1 驱动方案选取
电动汽车传动系统布置方案主要有三种：电机直驱方案、集成式电驱桥方案及轮毂电机驱动方案[2]。
电机直驱方案
采用一台驱动电机作为动力源，由控制器控制驱动电机，利用差速器将驱动电机产生的驱动力矩分配到两个驱动轮，与传统汽车传动系统相同，无需复杂的控制算法，利用差速器便可实现轴荷的合理分配，车辆行驶平顺性和操纵稳定性良好，具有设计周期短、成本低的优点。拟定方案采用电机轴与驱动轴相互平行的方案更为紧凑，使用低传动比微型车常用传动部件[3]，主减速器采用的单级圆柱斜齿齿轮减速并用圆锥滚子轴承支撑，差速器选用对称式圆锥行星齿轮，采用独立悬架，等速万向节。由于差速半轴式以单电机驱动，其余两种均以双电机驱动，为了实现方案之间的可比性，采用改变差速半轴驱动方案的电机参数，使其驱动能力与采用两电机的其他驱动方案基本一致。
集成式电驱桥
方案（分布式）中电机控制器控制两台驱动电机，各驱动一个驱动轮，省去了差速机构，且驱动电机和减速器制作为一体，无需传动轴、万向节等零件，所需的布置空间大为减小，传动效率有所提高，但电机控制器中的控制算法要求高，需起到差速器作用，对轴荷进行合理分配。拟定方案采用分布式电驱桥方案，选取单速圆柱斜齿轮传动系统，圆锥滚子轴承支撑，等速万向节，是当前常见的驱动方案之一。
轮毂电机
方案中驱动轮内嵌有轮毂电机，无需经过其它传动机构，直接由轮毂电机驱动车轮。这种驱动方案极大地减小了传动系统所占空间，减轻了整车质量，且使汽车重心下降，稳定性提高，但相对成本较高。拟定方案采用NGW行星圆柱齿轮减速器，以中心轮输入、行星架固定、内齿圈输出，实现轮边减速，可以提供较大的减速比，对电动机的转矩特性要求比较低，动力损失较小，且增加有用空间，但是目前NVH、震动、密封等诸多问题未能有效封闭，目前这种结构重型车辆应用较少，乘用车辆，跑车应用较多。
2 车辆性能要求及动力匹配分析
2.1 样车参数及动力性要求
样车主要应用在路面状况良好，但加减速比较频繁的市内交通，要求整车最高车速不低于90km/h，最大爬坡度不低于20%，整车质量800kg，质心高度0.56m，轮胎半径0.245m，空气阻力系数0.417，滚动阻力系数0.0173，迎风面积1.7m2，前桥升力系数0.02，后桥升力系数0.015。
2.2 驱动电机选型
基于样车参数、动力性要求和应用工况，根据汽车行驶方程式，汽车在最高车速下的行驶阻力功率Pe为：
（1）
其中，umax为电动汽车的最高行驶车速，单位为km/h。行驶阻力功率Pe单位为kW。根据整车参数可计算得，在umax为90km/h的条件下，该电动汽车受到行驶阻力的功率为10.18kW。因此，要求每种驱动方案采用的两台电动机满载功率之和应在较广的转速范围内达到11kW以上，即单电机功率5.5kW以上。电机过载系数一般取2~3，因此，电机的最大功率应在11~16.5 kW，所以初步假设电机的峰值功率为15kW。
电机额定功率取5.5kW，额定转速取2500r/min，计算出所用电机的额定扭矩应达到21.01kN·m。电机峰值功率取15 kW ，额定转速取2500r/min，计算出所用电机的最大扭矩应达到57.3kN·m。再考虑到永磁直流无刷电机功率密度高、使用寿命长等特点，研究选用永磁同步电机作为三种驱动方案的动力来源。
2.3 传动比确定
电动机型号确定后，外载荷特性方面，电机转速在1000r/ min以下时，电机可获得最大转矩Tmax，平均为78.9 kN·m左右。电机最大转速nmax=4100r/min。在2300r/min转速处，电动机获得最大输出功率15.8kW。部分负荷特性方面，在负荷60%以上时，部分负荷与满负荷的电机效率相差不超过5%。驱动方案均采用固定传动比式驱动结构，无变速箱和离合器，需通过选择合理的传动比。
进行最大爬坡计算时，电动车电动机将运行在转速较低，转矩最大的工况下。则电动汽车传动比需满足：
（2）
其中，αmax为最大爬坡角，要求不低于20%，根据三种方案的传动效率的差异，计算得，传动比i需不小于2.8。
在最高行驶车速下，电动汽车的驱动力需克服滚动阻力和空气阻力。
（3）
T’指电动车运行在要求达到的最高行驶车速时，单个电机的驱动力矩。由于T’与电动机转速呈一定的函数关系，且该函数关系难以用简单的数学公式加以描述。因此，研究选用Matlab软件作为数学工具，帮助进行动力匹配的计算。
推导汽车行驶速度与电动机转速的关系：
（4）
式中，汽车行驶车速ua单位为km/h，电动机转速na及车轮转速nr单位为r/min，其他均为国际单位制。
将式（3）可写为：
（5）
函数编写实际采用的公式为：
（6）
Fsum的物理意义为驱动电机驱动力与滚动阻力和空气阻力的合力，方向以驱动力方向为正。设计的最高车速需不低于90km/h，由爬坡度计算结果，传动比i不小于2.8。故在Matlab中，令i从2.8开始增加，直至Fsum≤0，确定传动比的取值范围。
进一步在Matlab/Simulink环境下建立如图1所示的电动车参数匹配仿真模型，并进行仿真计算。
图1 Matlab/Simulink参数匹配仿真模型
Matlab仿真结果如图2所示，以差速半轴式方案为例，i不可大于3.8。综上所述，为满足动力性要求，传动比取值范围为2.8≤i≤3.8。在保证电动车的动力性的前提下，若以经济性为侧重进行动力匹配，则传动比均选为3.0。若以动力性为侧重进行动力匹配，则传动比均选为3.7。
图2 差速半轴式纯电动汽车Fsum-i仿真计算曲线
2.4 蓄电池选择
为在AVL_Cruise环境下进行纯电动汽车的动力性与经济性建模，还需设定蓄电池参数，由于重点分析不同驱动方案及不同设计侧重情况下的车辆动力性和经济性，因此，仅对蓄电池进行简单建模，仅满足仿真需要，保证蓄电池能驱动两台电动机，在30min的循环工况内能量丰沛，不会发生SOC值过小，引起功能效能下降的问题。行驶阻力的功率经计算得10.18kW，所以总能量为5.09 kW。由于电机的额定电压为72V，得出电池容量为70.69 A·h，选择由单体电池电压为3V的锂电池作为动力源，以串联形式连接，单体电池总数为24个。某电池生产厂家提供的蓄电池总电量150A·h，即研究Cruise仿真分析中电池模块所采用的数据。
3 纯电动汽车动力性、经济性仿真及分析
3.1 仿真模型的建立
在AVL_Cruise环境下，根据三个不同驱动方案建立整车模型，以电动轮驱动方案为例，如图3所示，输入整车质量、车轮直径及主要部件参数。
图3 电动轮驱动方案模型
模型中采用的元件块及机械连接关系、信息流、能量流，依据驱动方案的具体结构确定，蓄电池、电动机元件块参数根据其特性试验填写，传统系统元件参数则参考目前纯电动汽车工业生产中所生产相关零部件的一般情况填写。以发动机元件块为例，参数设定如图4所示，与其他各元件块连接的信息关系如图5所示。仿真中不考虑曲线行驶的电机控制实现，选用的电机控制策略为驱动防滑控制（Anti-Slip control）。
图4 发动机元件块部分参数设置
图5 发动机与其他各元件块连接的信息关系
3.2 仿真任务的建立及仿真结果分析
3.2.1动力性对比分析
分别选择3.0（经济性为侧重）和3.7（动力性为侧重）两种传动比，对每个电动汽车模型设计了满负荷加速能力计算任务和爬坡能力计算任务。
选择传动比3.0（经济性为侧重）进行仿真计算，如图6所示，三种驱动方案的最高车速差异不大，0-50km/h加速时间依次是：电动轮式7.0s、整体驱动桥式7.5s、差速半轴式7.9s。
图6 传动比3.0的不同驱动方案满负荷加速能力对比
选择传动比3.0（经济性为侧重）进行爬坡能力仿真计算，如图7所示，最大爬坡度依次是：电动轮式24.7%、整体驱动桥式23.3%、差速半轴式21.8%。12%坡道车速依次是：电动轮式83.1km/h，整体驱动桥式81.0km/h，差速半轴式78.2km/h。
图7 传动比3.0的不同驱动方案满负荷爬坡能力对比
综上所述，传动比3.0的三种驱动方案均满足设计要求，电动轮式要优于另外两种驱动方案，电动轮式与动力性最差的差速半轴式相比，在0-50km/h加速时间缩短11.4%，在最大爬坡度提高13.3%，在12%坡道车速上提高6.3%。
在侧重动力性（传动比3.7）的情况下，三种驱动方案的最高车速差异不大，0-50km/h加速时间依次是：轮毂电机5.8s、电驱桥6.2s、电机直驱式6.6s。爬坡能力方面，最大爬坡度依次是： 轮毂电机31.5%、 电驱桥29.6%、 电机直驱式27.7%。12%坡道车速依次是： 轮毂电机75.2km/h， 电驱桥74.0km/h， 电机直驱式72.3km/h。
综上所述，传动比3.7的三种驱动方案均满足设计要求，在动力性比较中，无论是加速能力还是爬坡能力，轮毂电机要优于另外两种驱动方案，轮毂电机与动力性最差的电机直驱式相比，在0-50km/h加速时间上缩短12.1%，在最大爬坡度上提高13.7%。
3.2.2经济性对比分析
选择Japan_Mode_1_URBAN循环工况作为目标行驶工况进行经济性分析，实际速度变化情况如图8所示，以百公里耗电量作为评判电动汽车经济性的标准。
图8 循环工况速度变化情况
如图9所示，将传动比3.0（经济性为侧重）的三种方案，在一个循环工况下，电机直驱式电动汽车消耗电能5442.0kJ，比能耗391.80kJ/km；电驱桥式消耗电能5189.5kJ，比能耗373.64kJ/km；轮毂电机消耗电能4966.4kJ，比能耗357.55kJ/km。轮毂电机的经济性要优于另外两种驱动方案，与经济性最差的电机直驱式相比，能耗低8.7%。
图9 传动比3.0的不同驱动方案能耗对比
传动比3.7（动力性为侧重），在一个循环工况下，电机直驱式电动汽车消耗电能5548.9kJ，比能耗399.49kJ/km；电驱桥式消耗电能5300.5kJ，比能耗381.63kJ/km；轮毂电机消耗电能5078.0kJ，比能耗365.59kJ/km。轮毂电机的经济性要优于另外两种驱动方案，与经济性最差的电机直驱式相比，能耗低8.5%。
4 结论
在设计的传动比范围内，选取3.0和3.7两种传动比，再结合三种不同驱动方案，进行了动力性及经济性分析，数据汇总如表1所示。
将同一驱动方案，传动比3.0与传动比3.7相比较，最高车速提高了15.2%-16.0%，比能耗降低了2.0%-2.2%，但0-50km/h加速时间增加了19.7%-21.0%，最大爬坡度减少了21.3%-21.6%。
无论是传动比3.0还是传动比3.7，仿真结果均表明轮毂电机在动力性和经济性方面优于电驱桥式优于电机直驱式。
表1 计算结果数据
将传动比3.7的轮毂电机式与传动比3.0的电驱桥式驱动方案相比，动力性侧重的轮毂电机不仅在动力性上有较大优势，0-50km/h加速时间减少了22.3%，最大爬坡度提高了35.2%，而且经济性表现反而也略好，比能耗降低了2.2%，因此，在不考虑成本因素的情况下，电机直驱式与电驱桥式非理想方案，尤其是侧重动力性的电机直驱式与电驱桥方案最不适合。
将传动比3.0的轮毂电机与传动比3.7的电驱桥驱动方案相比，最高车速提高16.6%，0-50km/h加速时间增加了12.9%，最大爬坡度减少了16.6%，比能耗降低了6.3%，在最高车速与能耗方面的增益效果更显著。
综上所述，轮毂电机是理想的驱动方案，在动力性和经济性方面均优于其他方案，在城市工况中，应优先考虑经济性，同时最高车速的意义也要大于加速能力。所以，最佳方案为传动比3.0的轮毂电机驱动方案，该方案最高车速110.9km/h，最大爬坡度24.7%，满足设计和实际使用要求。其次是传动比3.7的轮毂电机驱动方案，能与经济性侧重的电驱桥式、电机直驱式能耗相当的情况下，具有更强的动力性能，需要一定操控性时可选择该方案。考虑城市工况，经济性侧重的方案优先于动力性侧重的方案。
以上分析均基于微型纯电动汽车，承载不需要驱动桥，通过车架承载的结构。即，适用于微型商用车及乘用车等。
参考文献
[1] 岳崇会.微型纯电动汽车动力系统设计[D].南京:南京航空航天大学,2012.
[2] 秦建军,蔚蕊,王跃进.电动车辆整体式驱动系统设计[J].北京建筑工程学院学报, 2005(1): 35-38.
[3] 范健文,吴彤峰,金国栋.电动汽车电驱动系统结构方案分析[J].机械制造, 2003(11): 38-40.
[4] 涂雪飞.纯电动汽车动力系统参数匹配及仿真研究[D].重庆:重庆大学,2016.
[5] 赵林亭,邱绪云,梁健明.基于AVL CRUISE的果园自走式电动车辆动力传动系统匹配研究[J].内燃机与配件,2018(19):29-32.
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