楊濤，李浙昆，王治軍，韓子偉

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明650500)

微型純電動汽車動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊濤，李浙昆，王治軍，韓子偉

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明650500)

以某微型純電動汽車作為研究對象，在理論計(jì)算和工程分析的基礎(chǔ)上，對電機(jī)、電池及傳動系傳動比進(jìn)行參數(shù)匹配，并利用AVL cruise仿真軟件建立電動汽車的蓄電池、電動機(jī)、傳動系、車身等仿真模型，對加速性能、最高車速、最大爬坡度和續(xù)駛里程等動力性能進(jìn)行仿真研究，此外還進(jìn)行制動能量回饋控制系統(tǒng)的仿真分析。仿真結(jié)果分析表明，該微型電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配合理，可對電動汽車動力系統(tǒng)的研究提供一定的參考，促進(jìn)電動汽車的發(fā)展。

純電動汽車；動力系統(tǒng)；參數(shù)匹配；建模仿真；AVL cruise

汽車在給人們生活帶來便利的同時(shí)，也帶來了“能源消耗”和“環(huán)境污染”兩大問題[1]。

為了解決這兩大難題，汽車技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了轉(zhuǎn)變，力求逐步實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能化、能源多樣化、動力電氣化和排放潔凈化，更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)油和環(huán)保兩大目標(biāo)。純電動汽車憑借其零排放、低噪聲、電力來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，成為了節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新型交通工具。

近年來，盡管有許多汽車研發(fā)部門都投入大量的人力物力來研究電動汽車，但到目前為止動力電池和關(guān)鍵性技術(shù)還未取得有效的突破，動力電池的續(xù)駛里程和充電時(shí)間大大制約了電動汽車的發(fā)展和普及。因此，在現(xiàn)在的電池技術(shù)條件下，合理地選擇傳動部件及相關(guān)參數(shù)，并使匹配達(dá)到最優(yōu)，使之在蓄電池參數(shù)不變的情況下，整車動力性能達(dá)到最佳和續(xù)駛里程值最大，一直是研究者追求的目標(biāo)，也是本文研究的主要目的[2]。

1 整車參數(shù)及性能要求

純電動汽車主要有三個(gè)動力性能指標(biāo)，分別為最高車速、加速性能和爬坡度。根據(jù)對相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀和整車參數(shù)以及社會調(diào)研，提出本次研究的純電動汽車的動力性能指標(biāo)如下：(1)最大爬坡度(15 km/h)≥20%；(2)最大車速≥100 km/h；(3) 0～50 km/h加速性能≤10 s，50～80 km/h超車加速≤15 s；(4)續(xù)駛里程：30 km/h等速情況下≥120 km，60 km/h等速情況下≥80 km，整車數(shù)據(jù)如表1所示。

2 動力性能參數(shù)匹配

2.1 驅(qū)動電機(jī)的選擇及參數(shù)匹配

正確選擇電動機(jī)的額定參數(shù)非常重要。如果選擇的電機(jī)功率過小，那么電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速可能達(dá)不到汽車設(shè)計(jì)的性能要求，并且電機(jī)會常在過載狀態(tài)下運(yùn)行，有損電機(jī)；相反，如果選擇的電機(jī)功率過大，那么電機(jī)常在欠載狀態(tài)下運(yùn)行，此外效率及功率因數(shù)也會降低，這樣不僅浪費(fèi)電能，而且增加動力電池的容量，綜合經(jīng)濟(jì)效益下降[3]。

驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配主要包括3個(gè)參數(shù)，額定功率Pe、峰值功率Pemax及最大轉(zhuǎn)矩Tmax。

(1)純電動汽車的最高車速是指純電動汽車可以在一定時(shí)間內(nèi)正常行駛的最高速度。通常情況下，純電動汽車的行駛速度低于最高車速，具有一定的后備功率，用來爬坡和加速。因此可以根據(jù)純電動汽車的最高速度確定驅(qū)動電機(jī)的額定功率Pe。

(2)根據(jù)爬坡性能確定峰值功率，要求瞬時(shí)功率即過載功率大于額定功率。

(3)在同樣爬坡工況下，若已知主減速器的傳動比為i0，則純電動汽車最大轉(zhuǎn)矩為：

在以上(1)、(2)、(3)三個(gè)公式中，r為輪胎滾動半徑；m為汽車總質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；α為坡度角，deg；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v、vmax分別為行駛車速及最高車速；h為傳動效率。

經(jīng)過以上計(jì)算和分析，結(jié)合市場供應(yīng)情況，通過對各種驅(qū)動電動機(jī)進(jìn)行比較，初步選定無刷直流電機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為電機(jī)電壓320 V，額定功率8 kW，最大功率20 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/m in，最大轉(zhuǎn)速7 000 r/m in，額定扭矩40 N·m，最大扭矩100 N·m。

2.2 驅(qū)動電池的選擇及參數(shù)匹配

電池的選擇主要影響純電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程，純電動汽車行駛完全依賴電池的容量，電池容量越大，可以實(shí)現(xiàn)的續(xù)駛里程越長，但是電池的體積和質(zhì)量也會越大，會影響到車輛的性能[4]。通過市場上各種電池的對比，本次研究所選用的電池為磷酸鐵鋰電池，最大充電量為SOC(充電容量與額定容量的比值，用百分比表示)的90%計(jì)算，最大放電程度按照SOC為10%計(jì)算。電池的數(shù)目確定有以下兩種方法[5－6]：

(1)由最大功率來確定電池?cái)?shù)目[7]：

式中：Pbmax為模塊電池的最大輸出功率，kW；Pemax為驅(qū)動電機(jī)的最大功率，kW；he為電動機(jī)工作效率；hec為電控器工作效率。

式中：P恒為勻速行駛時(shí)的功率；L為續(xù)駛里程數(shù)；v恒為勻速行駛時(shí)的速度；Vt為單節(jié)電池電壓；Cr為單節(jié)電池額定容量。

以上兩種方法中計(jì)算結(jié)果較大者為所求電池?cái)?shù)目，通過計(jì)算，電池?cái)?shù)目為200，連接方式為每100塊為一串，然后并聯(lián)，電池組容量為43 Ah，額定電壓為320 V。

2.3 傳動比的選擇

傳動系的總傳動比等于傳動系中各個(gè)部件之間傳動比的乘積，即i=i0ig，其中ig為變速器傳動比。

傳動系的總傳動比上限可根據(jù)式(6)確定：

式中：nmax為驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。

傳動比的下限可由以下兩種方法確定：

“九天”吃飯前向神明感恩、始終強(qiáng)調(diào)陣頭基本功、強(qiáng)制傳承者學(xué)習(xí)傳統(tǒng)陣頭的基本范型，這些都是傳統(tǒng)體育自我管理的表現(xiàn)。學(xué)界認(rèn)為任何范型一旦形成傳統(tǒng)，也就成為絕大多數(shù)人約定俗成的做法，大家都會遵從的。這些現(xiàn)存的傳統(tǒng)是一種長期沉淀的范型，個(gè)人要改變本來就既定的東西極其困難。本尼迪克特(Ruth Benedict)認(rèn)為：“自出生就受到風(fēng)俗的熏染，長大后參加了文化創(chuàng)造活動，文化的習(xí)慣就是他的習(xí)慣，文化的信仰就是他的信仰”[10]。

(1)根據(jù)驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩和最高行駛車速對應(yīng)的行駛阻力確定傳動比的下限：

式中：Ter為驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

(2)根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度對應(yīng)的行駛阻力確定傳動比下限：

由以上兩種方法確定的傳動比下限中，較大的為所求傳動比下限。經(jīng)過計(jì)算選定傳動比為5.83。

3 基于AVL cruise軟件的整車動力性能仿真

AVL cruise軟件可以進(jìn)行發(fā)動機(jī)、電機(jī)、變速箱、輪胎的選擇及整車的匹配優(yōu)化，還可以用于純電動汽車、混合動力汽車的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化。它廣泛應(yīng)用于動力傳動系和發(fā)動機(jī)的研究中，不僅可以對車輛的燃油消耗和排放進(jìn)行計(jì)算分析，而且還可對整車的動力性、傳動性、制動性進(jìn)行仿真與優(yōu)化，同時(shí)亦可進(jìn)行傳動系的振動特性分析。

本次研究所用到的純電動汽車仿真模型主要包含以下幾個(gè)模塊：整車(Vehicle)模塊、電機(jī)(Motor)模塊、電池(Battery)模塊、變速箱(Gear Box)模塊、車輪(Wheel)模塊、駕駛員(Cockpit)模塊，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。為了能使各個(gè)模塊協(xié)調(diào)發(fā)揮作用，必須在各個(gè)模塊之間建立必要的物理連接和電氣連接，然后從數(shù)據(jù)文件中錄入數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真計(jì)算。

(1)最大爬坡度

汽車的最大爬坡度，是指汽車滿載時(shí)在良好路面上用一檔能克服的最大坡度。它表征汽車的爬坡能力。利用cruise軟件的仿真，直接可以得出在不同速度下的爬坡度曲線，如圖1所示。隨著車速的增加，最大爬坡度逐漸減小，符合車輛的爬坡性能變化趨勢。根據(jù)仿真結(jié)果中values文件所示，可以得到最大爬坡度的確切值。速度在15 km/h時(shí)的最大爬坡度為25.09%(≥20%)，滿足本次研究所提出的性能要求。

(2)最高車速

最高車速是指在無風(fēng)條件下，在水平、良好的瀝青或水泥路面上，汽車所能達(dá)到的最大行駛速度。它表征汽車的動力性能，通過cruise軟件的仿真，可以得到最高車速曲線。如圖2所示。車速隨時(shí)間的變化不斷增大，最后達(dá)到一個(gè)最大值，符合車速變化趨勢。根據(jù)仿真結(jié)果中values文件所示，可以得到最大車速的確切值。最高車速為108.8 km/h(≥100 km/h)，滿足本次研究所提出的性能要求。

圖2 最高車速示意圖及最高車速數(shù)值

(3)加速時(shí)間

如圖3所示。根據(jù)仿真結(jié)果中values文件所示，可以得到加速時(shí)間的確切值。0～50 km/h加速時(shí)間為8.6 s(≤10 s)，0～80 km/h加速時(shí)間為20.4 s，則50～80 km/h超車加速時(shí)間為11.8 s(≤15 s)，滿足本次研究所提出的性能要求。

圖3 50 km/h和80 km/h時(shí)加速時(shí)間數(shù)值(s)

(4)續(xù)航能力

續(xù)航能力指電動車在最大燃油儲備情況下可連續(xù)行駛的總里程。續(xù)駛里程對于綜合評價(jià)電動汽車動力電池、電動機(jī)及傳動系統(tǒng)效率、電動汽車實(shí)用性具有積極的意義。車輛在道路上行駛狀況可以用一些參數(shù)(如加速、減速、勻速和怠速等)來反應(yīng)，根據(jù)這種運(yùn)動特征的調(diào)查和解析，繪制出能夠代表車輛運(yùn)動狀況，即車輛的工況圖[8]。續(xù)駛里程有等速法和工況法兩種計(jì)算方法。這里將以等速法為例計(jì)算續(xù)駛里程。

等速法：沒有等速續(xù)駛里程任務(wù)，修改NEDC工況作為等速任務(wù)文件。設(shè)定以30 km/h和60 km/h的速度等速行駛，使鋰電池電量消耗10%(電池不能過耗電，過耗電影響電池壽命，鋰電池只能使電量消耗到10%，蓄電池只能使電量消耗到30%)。

從圖4可見續(xù)駛里程隨時(shí)間成線性變化，通過仿真結(jié)果中values文件可見，在等速30 km/h時(shí)的續(xù)駛里程為166.7 km (≥120 km)，等速60 km/h時(shí)的續(xù)駛里程為86.93 km(≥80 km)，滿足本次研究所提出的性能要求。

圖4 30 km/h及60 km/h時(shí)等速工況下的續(xù)駛里程

4 制動能量回饋控制系統(tǒng)的仿真分析

對于純電動汽車而言，由于車體結(jié)構(gòu)中具有電機(jī)，而電機(jī)具有可逆性，即電機(jī)在特定條件下可以充當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，所以制動過程中電動機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行制動能量回饋。制動能量回饋對于增加電動汽車的續(xù)駛里程和提高電池能量利用率具有重要意義[9]。因此在動力傳動系統(tǒng)中加入制動能量回饋系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 制動能量回饋系統(tǒng)簡化圖

為了在cruise中實(shí)現(xiàn)能量管理控制，使電池和超級電容充分發(fā)揮存儲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，可以通過cruise提供的Matlab DLL接口，將在Matlab/Simulink中創(chuàng)建的控制策略連接到cruise中。在Matlab/Simulink環(huán)境下對控制策略建模。模型的輸入信號是來自cruise的電機(jī)負(fù)載Load signal、車速speed、超級電容SOC、剎車壓力Brake pressure等，主要通過模糊邏輯控制器將剎車壓力、電機(jī)負(fù)載信號作為輸出信號反饋到cruise中實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制[10]。

在cruise中構(gòu)建純電動汽車制動能量回饋系統(tǒng)模型，主要的模塊包括車輪、剎車、電機(jī)以及電池等，并且設(shè)置為后輪驅(qū)動方式，輸入電動汽車的初始參數(shù)，同時(shí)把Matlab DLL嵌入其中。建立合適的工作任務(wù)，同時(shí)運(yùn)行cruise模型和Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真并得到仿真結(jié)果。

美國FTP75工況中區(qū)間里程多為變速行駛，工況接近于日常行駛狀態(tài)，并且方便測試制動能量的回收情況。本次研究就以FTP75工況為例分析制動能量回饋。

通過圖6、圖7可見在FTP75工況下連續(xù)行駛2 500 s里程為17.78 km，而加入制動能量回饋控制系統(tǒng)后，續(xù)駛里程達(dá)到了30.27 km。可見加入控制策略后里程明顯增加，制動能量得到明顯回收。

圖7 FTP75下續(xù)駛里程（有控制策略）

圖8 為某時(shí)刻的能量分配，可見電池和超級電容同時(shí)工作。在不同工況下能量分配不同，超級電容處于放電和充電兩個(gè)狀態(tài)交替轉(zhuǎn)換，電機(jī)處于電動機(jī)和發(fā)動機(jī)兩個(gè)狀態(tài)交替轉(zhuǎn)換。

圖8 某時(shí)刻能量分配

鋰電池SOC值變化如圖9所示，純電動汽車在頻繁加速減速工況下，可以回收能量，實(shí)現(xiàn)能量回饋。在開始階段，電池SOC下降較快，這是由于電池放電極化現(xiàn)象引起的。在SOC達(dá)到96%以后，下降趨于平穩(wěn)，這時(shí)電池工作在較平穩(wěn)狀態(tài)。

5 結(jié)論

電動汽車動力傳動系統(tǒng)對整車性能有著顯著影響，其參數(shù)設(shè)計(jì)及合理匹配更為重要。本次研究中，對電機(jī)、電池及傳動比進(jìn)行了選擇及參數(shù)匹配，利用AVL cruise仿真軟件建立動力性能仿真模型，并仿真計(jì)算了整車的動力性，還進(jìn)行了制動能量回饋控制系統(tǒng)的仿真分析。分析結(jié)果表明，以磷酸鐵鋰電池為能源的此款電動汽車在加速性、爬坡能力、最大車速、續(xù)駛里程等動力性能指標(biāo)上滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了提出的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和模型仿真的正確性，為電動汽車的設(shè)計(jì)、性能預(yù)測和分析提供了一定的依據(jù)，促進(jìn)了電動汽車行業(yè)的發(fā)展。

圖9 SOC變化曲線

[1]江挺候.電動汽車熱泵系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]．制冷技術(shù)，2012，32 (2)：71-74．

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Design and research of power system form icro electric vehicle

YANG Tao，LIZhe-kun，WANG Zhi-jun，HAN Zi-wei
(Faculty ofMechanical and Electrical Engineering，Kunming University ofScience and Technology，Kunm ing Yunnan 650500，China)

Am icro electric vehicle was used as the research object，and the parameters of the electric motor，the battery and the transm ission ratio of the transm ission system were matched w ith the theoretical calculation and engineering analysis.The simulation models of battery，electric motor，transm ission system and body of the electric vehicle were builtby using AVL cruise.At the same time，the acceleration performance，maximum speed，maximum climb gradientand driving range were researched.The simulation analysis of the energy feedback controlsystem of the braking was carried out.The simulation results show that the parameters of the power system of the m icro electric vehicle are reasonable.Itprovides a reference for the research on the transm ission system and promotes the developmentofelectric vehicles.

electric vehicle;power system;parametermatching;modeling and simulation;AVL cruise

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1441-03

2015-12-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51168020)；紅云紅河集團(tuán)技術(shù)開發(fā)資助項(xiàng)目(2012GY08)

楊濤(1989—)，男，山東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)等。

李浙昆(1957—)，男，云南省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)、設(shè)備性能分析與評價(jià)等。