纯电动汽车动力系统传动比优化设计

黄 康 罗时帅 王富雷

合肥工业大学,合肥,230009

纯电动汽车动力系统传动比优化设计

黄 康 罗时帅 王富雷

合肥工业大学,合肥,230009

针对纯电动汽车传动装置挡位数和传动比选择的问题,根据城市道路条件要求,在电机和电动汽车整备参数已定的情况下,以传动比为变量,分析传动装置挡位数确定的理论依据,初步确定满足动力性能的传动比范围。以能量利用率为优化目标,研究电动汽车传动比的优化,提出一种直观的传动比优化设计方法。应用实践表明,该方法能够为纯电动汽车设计出既满足道路行驶要求又能够达到能量利用率最优的挡位数和传动比。

传动比;电动汽车;动力性;能量利用率

0 引言

目前,能源与环境已成为全球关注的问题,汽车行业的发展在推动经济发展的同时又带来了严重的污染,在当前技术条件下发展电动汽车无疑是汽车行业向前发展的一种选择[1]。然而,电动汽车发展到今天,技术条件仍然不够成熟,存在着大量需要解决的问题。其中,作为电动汽车的传动系统的一个重要参数——传动比对电动汽车的续驶里程、电机的寿命、电动汽车的动力性能等有很大的影响。在电动汽车传动比的设计上,目前主要按照燃油汽车传动比的设计方法进行,以电机的特性、电动汽车必须满足的动力性能作为设计依据。而作为电动汽车动力系统的电机与燃油汽车的发动机的机械特性是完全不同的,机械传动装置也有所不同。无论是电动汽车还是燃油汽车,都不能片面追求动力性能而不顾能耗经济性。另外,虽然驱动电机本身具有一定的变速性能,但在某些情况下电机的变速范围仍不能满足实际行驶情况的需求。多挡或单挡传动装置的应用主要取决于电动机的转矩—转速特性[2],但目前没有一个明确的选择指标和理论依据,因此有必要研究根据电机的特性和电动汽车本身的特性选择适合电动汽车需要的机械传动装置形式和传动比。

1 研究思路

在对电动汽车的传动比进行设计时,必须考虑动力性能[3],然而,只考虑动力性能是远远不够的,必须兼顾能耗经济性。车辆的动力性能和能耗指标是相互矛盾的,为了增加动力性能,要求车辆具有更大的后备功率,但后备功率大,必然降低动力系统的负荷率,从而使能耗经济性变差,因此不能片面追求动力性能或能耗经济性,必须取得车辆动力性能和能耗经济性之间的优化[4-5]。因此传动比的设计就转化为双目标函数的优化问题,在寻求两者之间的优化时,采用的方法不同可能会给优化结果带来很大的差异。

目前电动汽车主要在市区和城市近郊行驶,因此本文基于纯电动汽车,以城市道路设计规范为基础,首先分析挡位数设置的依据,然后在满足城市道路工况所需要的动力性能的前提下考虑经济性,选择传动比。整体思路如图1所示。

图1 整体思路

1.1 动力性能匹配优化

动力性能匹配优化以满足纯电动汽车在城市道路上行驶所需的动力为目标。

1.1.1 设计要求及参数计算

为满足城市道路要求,电动汽车的动力性能要求定为:最高车速80km/h,最大爬坡度20%,起步换挡由静止加速到40km/h的时间为20s[6]。

电动汽车在车速为80km/h时所受的阻力为

采用前轮驱动时的汽车附着力计算比较复杂,也不是本文研究的重点。这里为了简单地说明问题,取附着力:

式中,φ为附着系数。

1.1.2 传动比初选

传动系传动比 i=igi0,ig为变速器的传动比,i0为主减速器传动比。本文主要是对传动系传动比i进行优化设计,因此不再将i分为i g和i0分别讨论。

电动汽车驱动力为

式中,T为电机输出转矩;ηT为传动系机械效率;r为车轮半径。

电机转速为

T与n的函数关系可以通过电机特性曲线得出。

为保证汽车行驶的最高车速为80km/h,根据式(4)和式(5)可以得出在车速固定的情况下电动汽车的驱动力和传动比的函数关系。同样,在某一确定的车速下,电动汽车所受的行驶阻力及附着力是常数。因此,以电动汽车传动系传动比为自变量,将电动汽车的行驶阻力和驱动力绘制在一张图中,在MATLAB中可得到行驶阻力与驱动力图,见图2。电动汽车驱动力由电机特性及式(4)、式(5)计算得出,行驶阻力由式(1)、式(2)计算得出。

图2 以传动比为变量的电动汽车驱动力和行驶阻力的关系

1.2 挡位设置原则

根据纯电动汽车的行驶条件要求,可很容易地从图2中得出最大传动比i max及最小传动比i m in的选择范围。即ia≤imin≤ib,ic≤imax≤id。

若i b＜i c,表明不存在同时满足最高车速和最大爬坡度的传动比,必须选择至少两挡变速器才能够满足动力性能要求。具体操作时先选择两个挡位,在结果评价时再考虑是否增加挡位。

若ib≥ic,表明同时满足最高车速和最大爬坡度的传动比是存在的,则选择一个挡位即可满足动力性能要求。

1.3 能量利用率匹配优化

能量利用率匹配优化是在上述工作的基础上考虑能耗经济性的优化。

定义能量利用率ηE为

式中,Ee为消耗在电动汽车上的有效驱动能量;Eb为电池组在行驶过程中消耗的总能量。

令E d为电动汽车车轮上的驱动能量,则

式中,η1为电池组能量经电机和传动系传至驱动轮上成为驱动能量的效率;η2为在一定行驶工况下,电动汽车驱动功成为有效驱动能量的效率。

式中,ηT为传动系效率;η为电机效率;ηy为电池组放电效率。

能量利用率把电池组、电机、传动系的固有特性与电动汽车实际使用条件相结合,既反映了电动汽车具有的能力,又反映了电动汽车的实际使用效果[4],故可以采用能量利用率作为选择传动比的依据。

从式(8)可以看出,对于车速一定的情况,除电机效率以外的其余参数,传动比的变化对其没有影响,因此可以认为都是常数。传动比的不同所带来的只有电机效率的变化,可以认为能量利用率ηE=Cη,C为常数。在上述所选定的传动比范围内,以能量利用率为目标函数进行优化,便可以得出既能够满足设计要求,又能够使能量利用率达到最高的传动比。

在前述工作(图2)的基础上,在MATLAB中把电机的效率场分布绘到同一张图上,如图3所示,图中0.4～0.9等数字为电机的效率。

1.4 结果评价

图3 传动比选择依据

以电动汽车动力性能评价标准进行优化结果的评价。传动比确定之后,可以对电动汽车的动力性能进行评价,进而评价所选传动比是否满足设计要求。电动汽车的动力性能评价因素有最高速度、爬坡度、加速能力,在传动比已知的情况下,根据式(4)和式(5),利用计算工具MA TLAB可以作出驱动力 —行驶阻力图,如图4所示。

根据前述的设计原则,所选传动比无论是单挡还是多挡,都满足最大车速和最大爬坡度的要求,挡位的多少主要影响加速能力,即加速时间。如图5所示,加速时间即阴影部分面积,三个挡位的加速时间明显短于两个挡位的加速时间。若加速时间能满足设计要求,则完成设计,若加速时间不能满足设计要求,则增加一个挡位,如此循环下去。若挡位数过多,则考虑重新选择驱动电机。

最终使所选择的传动比既能够保证电动汽车的正常行驶,又能够达到能耗经济性的最优。

2 计算实例

本文以我们实际开发的某型纯电动汽车作为研究对象进行分析。

2.1 原始参数

设计条件包括电动汽车的整备参数、电机参数和外特性以及城市道路路况。已知整车质量m=1600kg,迎风面积A=2.1m2,车轮半径r=0.2828m,滚动阻力系数f=0.0215,空气阻力系数C D=0.35,传动系效率ηT=0.9。

图4 电动汽车动力性能

图5 电动汽车加速度倒数曲线

驱动电机参数见表1,外特性曲线根据厂商提供的电机特性曲线(设计值),在MATLAB中给出,如图6所示。

表1 驱动电机基本参数

图6 电机特性曲线

由式(1)～式(3)可得,电动汽车在车速为80km/h时所受阻力 ∑F=566.40N,坡度为20%,以20km/h的车速上坡时所受阻力∑F=3496N,附着力Fφ=4000N。

2.2 传动比初选

按照前述方法绘制以传动比为变量的驱动力—行驶阻力关系图,见图3,从图中可以很明显看出,当汽车的车速为80km/h时,为使汽车能够行驶,驱动力必须大于等于行驶阻力,并且小于等于附着力,附着力此时远远大于驱动力,可以不予考虑。因此,传动比必须在1.5～3.16之间选择。

同理,从图3b中可以看出,为保证汽车的最大爬坡度为 20%的设计要求,传动比必须在9.2～10.42的范围内选择。

显然,3.16＜9.2,同时满足最大车速与最大爬坡度的传动比不存在,必须选择至少两个挡位才能满足要求。

2.3 传动比优化

以传动比为变量,计算在车速(设计条件)一定的前提下不同传动比时电动汽车的驱动力和行驶阻力,并依据电机特性曲线将电机效率场分布曲线绘制到同一张图中,即得到如图3所示的曲线图。

本例当中,既满足设计要求的动力性能又能够使能量利用率最高的传动比可以根据图3得出。由此得出的最小传动比为 3.16(图3a中a点),最大传动比为10.42(图 3b中b点)。

2.4 优化结果分析

由以上的分析结果,计算电动汽车加速时间,如图5a所示,计算得出电动汽车在良好路面上从静止换挡加速到50km/h的时间为28.26s,不满足设计要求。

为此,增加一个挡位,按照等比数列分配,各挡传动比分别为 i1=3.16,i2=5.74,i3=10.42。再次进行结果评价,得到如图5b所示的结果,计算得出加速时间为19.31s,满足设计要求。至此,设计完毕,从电动汽车动力性能的角度进行结果的评价,见图4。

由图4可知电动汽车最大速度能够达到80km/h,最大爬坡度可以达到23%。用图解法表示图6中的功率平衡图,可知电动汽车在保证最高车速的情况下有较大的后备功率。因此,所选择的传动比满足设计要求。

3 结论

(1)用所建立的挡位确定原则设计纯电动汽车挡位数,简单且可靠。

(2)利用该方法设计的传动比既能够满足动力性能的要求又能够使能量利用率达到最高。

(3)为混合动力汽车及其他新能源汽车传动系统传动比的设计方法提供了参考。

[1] 陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[2] EhsaniM,Gao Yim in,Gay S E,et al.Modern Electric,Hybrid Electric,and Fuel Cell Vehicles-Fundamentals,Theory and Design[M].倪光正,倪培宏,熊素铭,译.北京:机械工业出版社,2008.

[3] 张文春.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] Dai Y,Song L,CuiS.Development of PMSM Drives for Hybrid Electric Car App lications[J].IEEE T rans.on Magnetics,2007,43(43):434-437.

[5] 王震坡,姚利民,孙逢春.纯电动汽车能耗经济性评价体系初步探讨[J].北京理工大学学报,2005,25(6):479-482.

[6] 北京市市政设计研究院.CJJ 37-1990城市道路设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1991.

Optim ization Design of Electric Vehicle Transm ission Gear Ratio

Huang Kang Luo Shishuai Wang Fulei
Hefei University of Techno logy,H efei,230009

In connection with the prob lems to select the transm ission number and ratio of pure electric vehicles,according to the requirements of road conditions in Chinese cities and in the case of parametersofelectric drivem otor and electric vehiclewere set,taking the transmission ratio asa variable,the transmission ratio range which can meet the demandsof power performancewas defined prelim inarily after the theoreticalbasis of thedefinition of transmission gear numberwasanalyzed.Taking energy efficiency op timization as target,op tim ization of the transmission ratio o f electric vehicles was studied and a visual optim ization design method was established finally.Practical applications show that the proposedm ethod can design the number and the transmission gear ratio for a pureelectric vehicle which w illmeet the requests of road conditions and achieve the optimalefficiency ofenergy utilization.

transm ission ratio;electric vehicle;power;efficiency o f energy utilization

U463.2

1004—132X(2011)05—0625—05

2010—02—07

国家“863”节能与新能源汽车重大专项(2006A A11A 109,2006AA 11A 115);合肥工业大学重大项目预研专项(2010HGZY0014)

(编辑 袁兴玲)

黄 康,男,1 9 6 8年生。合肥工业大学机械与汽车工

程学院教授。主要研究方向为机械强度、机械传动、MEMS耦合场。获省科技进步三等奖1项,发表论文3 0余篇。罗时帅,男,1 9 8 5年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生。王富雷,男,1 9 8 5年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生。