车辆工程技术15车辆技术
1 纯电动汽车的动力匹配研究背景意义及现状1.1 研究背景及意义 从汽车诞生，到现在已经有一百多年的历史了，而且发展速度越来越快。现如今汽车已经不是简单的代步工具，已经成为人们的生活和文化的一部分。但同时也会带来很多方面的负面影响。汽车尾气带来的环境问题，严重污染了空气质量，对人们的生活造成了诸多影响并且严重危害人们的身心健康。同时，人们对能源的需求急剧上升，使我国乃至全球面临能源紧缺的危机[1]。因此，推动汽车产业转型加快发展节能与新能源汽车，特别是纯电动轿车，是解决燃油汽车所导致的环境问题以及应对国家能源紧张、全球气候变化的重要举措。随着纯电动轿车需求量的持续高涨，如何快速高效的开发出满足市场需求的产品是厂家面对的主要问题[2]。纯电动轿车动力总成部分作为传动系统核心单元，其性能的优劣是纯电动轿车能否在市场立足的重要保障[3]。1.2 研究现状 国外对纯电动轿车的研究时间比较早，主要是政府对研究机构和汽车企业进行资助扶持政策。美国政府于2009年以后，陆续的为电动轿车的推广提供了很多贷款和补贴，用于研究电动轿车电控和电池等核心技术的研究，为新能源汽车的电池、电驱动等技术提供了很好的发展条件[4-5]。日本则早在1996年就对电动轿车进行了鼓励推广，对购买者进行补贴和免税等相关政策，促进了日本在新能源汽车核心技术领域取得了一定的发展[6-7]。 国内对纯电动轿车的研究时间相对国外则较晚，但近些年我国政府对新能源汽车的扶持推广力度很大，国内的电动轿车企业或机构在相关技术上取得了较快的发展。同时，也成长起来了一批电池企业，如宁德时代、比亚迪、国轩高科以及天津力神等电池企业[8-9]。武汉理工大学的喻厚宇等人对双轴驱动纯电动轿车控制策略进行了分析研究，提高了车辆动力经济性能和制动性能。吉林大学周飞鲲等针对目前国内外纯电动轿车的结构特点，基于Cruise/Simulink建立了多种模式的VCU开发模型。长安大学许世维等针对四驱电动轿车，从经济性方面分析利用拉格朗日乘子法，设计出电机工作效率优化的基准转矩分配方法。吉林大学宋世欣等研究了分布式驱动电动轿车的驱动控制策略,该驱动控制策略加入反馈控制后，提高了驱动电机的性能[10-11]。2 纯电动汽车的动力匹配总成的目的 纯电动汽车具有高效、节能、终端零排放等特点,是解决能源危机和环境污染的重要途径。但电动汽车受电池能量密度和驱动系统效率的限制,续驶里程短,充电时间长,制约了纯电动汽车的推广应用。因此,对动力总成系统关键部件进行选型和匹配,确保这些部件高效区域与电动汽车频繁运行区域之间的合理匹配,并开发合适的控制策略,能够提高车辆驱动系统工作效率,有效延长纯电动汽车的续驶里程。3 纯电动汽车的动力总成的组成 纯电动汽车的动力系统主要包括：电动机、动力电池、传动系、控制系统四个部分。 （1）电动机是纯电动汽车的唯一动力源，其性能与电动机整车性能密切相关，因此，对电机的选择及参数匹配是研究设计汽车动力系统的关键之一。 （2）动力电池系统是整车的能量源，为整车提供驱动电能。电池系统的体积、形状和技术参数影响电动汽车的性能，是电动汽车最重要的子系统之一。电动汽车动力电池系统参数主要包括电池类型的选择、电池组电压和能量的选择。 （3）传动系为了满足电动汽车的行驶性能，同时也使驱动电机经常保持在高效率的工作范围内工作以减轻驱动电机和动力电池组的负荷，电动汽车在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器。4 总结 随着内燃机汽车带来的环境污染和能源短缺问题日益严重，越来越多的新能源车成为研究者们青睐的研究对象。从各方面来看电动汽车的研究最有可能称为日后汽车发展的主要方向之一。
２０１１年（第３３卷）第９期 汽车工程
Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１１（Ｖｏ１．３３）Ｎｏ．９
２０１１１６４
纯电动汽车新型动力传动装置的匹配仿真与优化
王峰，方宗德，祝小元
（西北工业大学机电学院，西安７１００７２）
［摘要］ 为某纯电动汽车提出一种新型的包括一调速电机和行星减速机构的动力传动装置，对其电机和传动
装置的参数进行合理选择和匹配计算，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下进行整车动力性能的仿真，对传动装置的参数进行
了优化。结果表明，电动汽车动力性与经济性满足实际要求。
关键词：纯电动汽车；动力传动装置；动力性能；匹配；仿真；优化
Ｍａｔｃｈｉｎｇ，Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｐｏｗｅｒ
Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｗａｎｇ Ｆｅｎｇ．Ｆａｎｇ Ｚｏｎｇｄｅ＆Ｚｈｕ Ｘｉａｏｙｕａｎ
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００７２
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ａ ｎｅｗ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ ｇｏｖｅｒｎｏｒ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ａ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｒｅｄｕｃｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ
ｆｏｒ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｉｔｓ ｍｏｔｏｒｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔ—
虚拟
与
仿真CRUISE纯电动车动力性能仿真及优化
姜海斌,黄宏成(上海交通大学汽车工程研究院汽车电子控制技术国家工程实验室,上海200240)
SimulationandOptimizationoftheElectricVehiclesDynamicPerformanceonCRUISE
JIANGHaibin,HUANGHongcheng(NationalEngineeringLaboratoryofAutomotiveElectronics,InstituteofAutomotiveEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)
摘要:以后轮驱动纯电动车为例,利用CRUISE
软件建立了电动车的动力系统模型,并用此软件模
拟得到其动力性能,验证了该模型分析车辆动力性
能的可行性.分析了影响续驶里程及最大爬坡度的各种因素,提出的措施和方法能够很好地提高电动
汽车动力性能.
关键词:纯电动车;建模;CRUISE;续驶里程;
优化
中图分类号:U469.7文献标识码:A
文章编号:10012257(2010)04006104
收稿日期:20091203Abstract:Takingrearwheeldriveasanex-
ample,themodeloftheelectricvehicleisestab-
lishedinCRUISE.Alsothissoftwareisusedto
simulatetheperformanceofthevehicle.Thesimu-lationresultsvalidatethatCRUISEcananalyzethe
feasibilityofvehicleperformance.Then,various
factorsthataffectcontinueddrivingrangeandlar-
ＶＡ 瓣 【技术研发】 基于ＭＡＴＬＡＢ仿真的纯电动车动力系统匹配研究 琚 （北京交通大学 龙 北京１０００４４） 摘要： 介绍纯电动车辆动力系统匹配的理论计算方法，并根据某型纯电动车的特点，兼顾整车动力需求及零部件所能达到的最优组合，对车辆动力系统进 行匹配优化。基于ＭＡＴＬＡＢＡＤＶＩＳＯＲ进行建模仿真，通过实车试验进行验证。 关键词： ＭＡＴＬＡＢ；ＡＤＶＩＳＯＲ；纯电动车：动力匹配 中图分类号：ｕ４文献标识码：Ａ文章编号：Ｉ６７１－－７５９７（２０１０）１１１００８２－－０１ ０前言 石油是不可再生资源，发展纯电动汽车对我国摆脱对石油的依赖性有 着重要贡献。同时由于汽车尾气排放是城市大气污染的主要源头，因此节 能且零排放的纯电动汽车成为未来的发展趋势。电动汽车是以车载电源为 动力，用电机驱动车轮行驶的车辆。本文基于最优电机驱动系统的选择及 匹配进行了理论研究及实际测试。 １某蛩纯电动车的整车参数及性能指标要求 某型纯电动车的整车参数如下：变速箱一档速比（ＩＫＩ）为１３．９，变速 箱二档速比（Ｉｋ２）为５．６２５，整车满载总质量（ｍ）为１０１０ｋｇ，迎风面积为 （Ａ）２．３１，轮胎滚动半径（Ｒｋ）０．２４ｍ。具体的性能指标要求如下： ０ｋｍ／￣５０ｋｍ／ｈ２ｎ速时间≤３０ｓ，满载最高车速（ｕｍａ）≥７０ｋｍ／ｈ，满载６０ｓ之 内爬坡能力≥２０％，满载长时间运行爬坡能力≥１２％，４０ｋｍ／ｈ等速行驶百公 里耗电量≤１０度。 ２纯电动汽车动力系统匹配的理论计算方法 纯电动汽车的动力性评价指标与传统内燃机汽车基本相同，即汽车的 最高车速、最大爬坡度和加速时间。用电机的额定外特性计算电动汽车的 最高车速，用电动机的峰值外特性进行计算加速时间。采用峰值特性计算 最大爬坡度则必须限定在短时运行状态，即爬坡时间不能大于峰值特性运 行的时间，如果超过此时间则会导致电机驱动系统过热损坏。如采用额定 特性计算爬坡度则会浪费电机驱动系统的功率容量。所以本文针对这两种 情况对最大爬坡度提出了不同的要求 理论上应使电动汽车的常规车速落 在基速点以下，从而可以在不换挡的情况下获得最高车速。 ２．１以最高车速确定电机的额定功率 ｌ ｒ１● ＋，，２ 丽 ｇ ｆ “ （１） 计算得ＰＮ＝６．７ｋｗ ２．２电机转速的确定。汽车速度与电机转速之间的关系为： ： ： ： … ０．３７７ Ｒ … 以最高车速计算得ｎ＝４３５２ｒｐｍ，即电机峰值转速ｎ ≥４３５２ｒｐｍ。以常 规等速平地行驶速度计算，当Ｕ＝４０ｋｍ／ｈ时，ｎ＝２４８６￣ｐ电机额定转速ｍ≥ ２４８６ｒｐｍ。 ２．３以常规等速平地行驶速度确定电机系统效率。由３．２可知当Ｕ＝４０ Ｉ（Ⅱｌ／ｈ时，电机输出功率为２．４ｋｗ。行驶ｌＯＯｋｍ需输出功率为６ｋｗ。若百公里耗 电在１０度时，若电池放电效率在０．９５，则电机驱动系统效率不小于６４％。 ２．４以最大爬坡度确定的峰值／额定转矩。满足最大爬坡度要求的转 矩计算公式为： ｒ ＞ ！星！ ！ ：！ ！璺 ± 璺 一 ，０．＾ｌ Ｊ７ｒ （３） 计算得：当Ⅱｏ：ｌ２％时，ＴＨ￣２４Ｎｍ。当Ⅱ０＝２０％时，Ｔｍａｘ￣３８Ｎｍ。 ２．５匹配电机。根据以上计算，得到匹配电机参数为：ＰＮ＝６．７ｋｗ、 ｎ￣４３５２ｒｐｍ、ｍ＞ｔ２４８６ｒｐｍ、Ｔｓ￣２４Ｎｍ、Ｔｍｘ￣３８Ｎｍ、电机系统效率＞６４％的 区间要大于电机运行区间的６０％以上。峰值外特性运行时间大于６０ｓ。 经过性能、价格比较，选择如下电机：Ｐ ：７．５ｋｗ、ｎ￣＝６０００ｒｐｍ、 ｍ＝２５００ｒｐｍ、Ｔ￣＝２８Ｎｍ、Ｔｍ“＝５０Ｎｍ电机驱动系统效率＞８０％的区间大于电机运 行区间的７０％、峰值外特性运行时间１８０ｓ。 由３．４可知，如果采用二档变速器，则要求转矩为ＴＮ≥６０Ｎｍ和Ｔ ≥ ９４ＮＥ。通过市场调研，若采用这种电机，若额定转速为２４８５，则电机控制 系统的额定功率为１６ｋｗ，峰值功率为２５ｋｗ，电机驱动系统的价格会大幅提 高。综合考虑电机系统的价格、性能以及车辆需求，最终选择二档变速器 来进行传动。一档变速器在整车爬坡情况下使用，二档变速器在正常行驶 时使用。这样即可以满足整车爬坡度的要求，又可以减少对驱动系统的功 率需求，在合理匹配的基础上达到了最优化的组合。 本文使用的变量：ｎ ：传动系统效率（取０．９５）；ｆ：轮胎滚动阻力 系数（取０．０１５）；ｃｄ：风阻系数（取０．３３５）；ａ ：最大爬坡角度；Ｉｏ： 汽车驱动桥速比（取１）。 ３ ＡＤＶＩＳ０Ｒ建模仿真曩实车测试 首先在ＡＤＶＩＳＯＲ第一个界面中通过对ｍ文件的修改来快速输入部件的各 种参数，从而建立整车仿真部件的仿真模型。然后通过汽车路况仿真参数 输入界面选择试验方案和设定仿真初始条件。设置好汽车参数、道路仿真 参数后便可运行仿真，查看仿真结果。以下为本文研究的纯电动车的仿真 结果。 欧洲城市循环工况仿真结果：采用二档运行。Ｏｋｍ／￣５０ｋｍ／ｈ加速时间 为１６．５ｓ。由于电机驱动系统运行点多数分布在电机额定点以下，效率较 低，电机系统总体效率在７７％左右。 在电机峰值转矩输出的情况下的爬坡度仿真：采用一档运行。在 ｌＯｋｍ／ｈ速度下，最大爬坡度为２５．８％。运行时电机驱动系统总体效率在 ８１％左右。 在电机额定转矩输出的情况下的爬坡度仿真：在１０ｋｍ／ｈ速度下，最大 爬坡度为ｌ３．６％。运行时电机驱动系统总体效率在８１％左右。 ４０ｋｍ／ｈ匀速运行工况仿真：电机驱动系统总体效率在８４％。 实际车辆测试结果：３Ｏ分钟最高车速测试结果为平均车速７０．２ｋｍ／ｈ、 ０－３Ｏｋｍｈ２￣速时间为９．４５ｓ，３０—５０ｋｍｈ２￣速时间为７．３５ｓ、２０％坡道起步正 常。 ４结论与展望 本文通过理论研究，针对电动车辆，总结了选择驱动系统所需的各个 性能指标。建立了基于ＭＡＴＬＡＢＡＤＶＩＳＯＲ的动力系统车辆模型。通过计算及结 ￣ＡＤＶＩＳＯＲ软件进行车辆仿真，快速、准确的针对某型纯电动车的机械结构 及性能特点进行了动力系统的匹配。仿真匹配后进行了实际车辆验证，由 于车辆测试场地的限制，无法全部验证仿真结果，但是通过实车测试验证 了大部分仿真结果，证明了通过本文的理论计算和仿真结合的方法进行纯 电动车动力系统匹配的可行性及准确性。该研究结果不仅可以指导设计人 员的设计工作，而且为车辆的进一步改型设计及动力系统进一步优化提供 了依据。 （下转第６５页）
