电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配.pdf

第 3 4卷 第 4期 2 0 0 6年 4月 华 南 理 工 大 学 学 报(自然 科 学 版)J o u r n a l o f S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)Vo 1 3 4 NO 4 Ap ril 2 0 0 6 文章编号：1 0 0 0 5 6 5 X(2 0 0 6)0 4-0 0 3 3-0 5 电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配 术 姬芬竹高峰(北京航空航天大学 汽车工程系，北京 1 0 0 0 8 3)摘要：探讨了电动汽车传动系统的传动比和挡位数确定原则，指出电动机额定功率或 转矩、转速必须与传动系统参数合理匹配 并以某型号电动汽车为研究对象，计算并分析 了五挡手动变速器中两个挡位，即二挡和三挡的驱动力一 行驶阻力平衡图，提出了去掉笨 重的机械齿轮变速器而代之以固定速比减速 器的单挡驱动传动方案，理论上可以减轻整 车质量，增加续驶里程 应用电动汽车仿真软件 A d v a n c e d V e h i c l e S i m u l a t o r(A D V I S O R)对 整车动力性和续驶里程进行了仿真，初步验证了文中提 出的传动系统参数确定原则和方 法 的正确 性 关键词：电动汽车；传动系；电动机；匹配；仿真 中图分类号：U 4 6 3 文献标识码：A 目 前，能源问题和环境污染已成为以内燃机为 动力的燃油汽车所面临的两大突出问题，寻求低排 放、能综合利用能源的车辆是汽车研究人员的当务 之急 具有这些特征的电动汽车又成为各国研究的 热点，它是解决能源危机和环境污染的重要途径，是 2 1 世纪重要的新型绿色环保交通工具。j 近年来，关于电动汽车的研究主要集中在能量存储系统(如 动力电池)、电驱动系统和控制策略的开发研究方 面，然而，在动力电池和其它技术没有取得有效突破 之前，对动力传动系统部件的没计进行匹配研究是 提高电动汽车性能的重要手段之一 4-5 电动汽车 动力传动系部件的设计参数，如电动机功率(或转 矩)转速、传动系传动比以及它们之间的合理匹配 等，对电动汽车的动力性、续驶里程等都有显著的影 响 如果这些参数选择或匹配不当，有可能使得电动 汽车的最高车速不在最高挡上 针对国家 8 6 3项 目(纯电动汽车子项 目)的第 一轮样车，即 X L 2 0 0 0纯电动汽车保 留了原夏利 收稿日期：2 0 0 5-0 5 一 l 1 基金项目：国家8 6 3计划资助项 目(2 0 0 3 A A 5 0 1 0 6 0 0)作者简介：姬芬竹(1 9 6 3 一)，女，副教授，博士生，主要从事 电动汽车驱动系统研究 E-m a i l：j f z a e b u a a e d u c n 2 0 0 0的五挡变速器，为了减小传动系统的质量(去 掉笨重的五挡变速器)，提高整车续驶里程，提 出采 用同定速比的传动方案 1 电动汽车传动 系统参数确定原则 电动汽车的动力性评价指标与传统内燃机汽车 相同，即最高车速、加速时间和最大爬坡度 而电动 机机械特性与传统汽车用内燃机特性有很大不同，内燃机的运行工况为：P o T n (1)式中：P为有效功率；T为扭矩；n为工作转速 当功 率一定时，转速与扭矩成反比，显然内燃机的工作区 域被限制在一定范围内(n )，并有一定的扭 矩储备(1 0 2 0)，如图 1 所示 因此，为了满足 汽车速度在宽广范围内变化的要求，所有以内燃机 为动力的车辆必须设置离合器|11 1 1|l 1 图 1 内燃机特性 F i g 1 P e r f o r ma n c e o f i n t e r n a l c o mb u s t i o n e n g i n e 维普资讯 http:/ 华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 3 4卷 电动机的机械特性对驱动车辆 卜 分有利 电动 机的最大功率可达额定功率的 3倍甚至更高，而最 大功率工况不能长时间运行，因此必须用额定工况 计算电动汽车的最大爬坡度和最i寄车速 汽车的加 速、起步过程时间较短，理论上可以用电动机的外特 性进行设计计算 与传统内燃机特性不同的是，电动 机的机械特性是低速恒扭矩和高速恒功率，如图2 所示，罔中n 表示电动机基频所对应的转速 转速 越小，电机输f I 扭矩越大，正好满足汽车起步或爬坡 工况车速较低时，需要较大扭矩的要求 此外，由于 电动机的起动、加速性能特别好，其转速 一 扭矩特性 能满足汽车各种行驶工况的需要，故 电动汽车不 必 设置离合器 图2 电动机机械特性 F i g 2 Me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e o f e l e c t r o mo t o r 传动系统有多个挡位时，驱动力图与内燃机汽 车相比也有其特殊性，所以在选择挡位数和速比、确 定最高车速时也与内燃机汽车不同，需要考虑两个 主要的动力 阻力平衡点 一个是以常用车速在良 好路面上匀速行驶的转矩平衡点，另一个是最高车 速时的转矩平衡点 它们对电动汽车传动系中变速 器挡位数的选择产生重要影响 理论上，应使电动汽 车的常用牟速落在基频上，以直接挡获得最高车速，功率平衡点在等功率段上 J 图3足电动汽车功率 平衡分析图，罔中 P +P 为汽车行驶阻 J 功率，k W；P 为电动机额定功率，k W；卵为传动系统效率；i 为变速器传动 比；为 电动机基频所对应 的汽车 速度，k m h I v 为电动汽车最高速度，k m h；为汽 车行驶速度，k m h 下面对可能 出现 的儿种 情况进 行分析(1)电动机从基频 向上调速 的范 围足够大，即：n ra a x n 1 2 5叫 ，选择一个挡位即可，即采用固定速 比 这是一种理想情况，其功率平衡图如图 3(a)所 示 在设计计算时，按照要求先确定图中的 B点和 A 点，再根据A点计算传动系总传动比 由于仅选择 一个挡位，若固定速比i=1，则主传动比i=i 此 时应注意变频范 也不宜太大，一般考虑最高车速对 应的电动机转速为其最高转速的9 o 9 5 即可 尸 P P 0 v N v V 1 8 图 3 电动汽 车功 率平 衡分析 图 F i g 3 P o w e r b a l a n c e a n a l y s i s c h a a o f EVS (2)电动机从基频 向上调速 的范围不够 宽，电 动机最高转速 能满足 n m a Jn 12 5时，应考虑再 增加一个挡位，如图 3(b)所示 与前一种情况不同 的是要根据 i=i o i ，再合理分配 i。和变速器各挡 位的传动比i，(3)电动机从基频向上调速的范围较窄，满足 m a xJ n 1 8，如图 3(C)所示，此时增加一个挡位后 在等功率段车速无法衔接起来 在这种情况下，当车 速达到 c点后，先由C点到 D点进入等转矩工作区，然后再经 D点、E点进入等功率区段丁作 也可以考 虑再增加一个挡位，传动比的设计计算方法同前(4)如果 现第 3种情况，说 明电动机参数 _l j 整 车性能要求不 配，应考虑重新选择电动机的参数 2 电动机和传动系统参数设计 2 1 电动机参数的确定 正确选择 电动机的额定参数非常重要 如果选 择过小，电动机经常：茁过载状态下运行；相反，如果 选择太大，电动机经 曾 在欠载状态下运行，效率及功 维普资讯 http:/ 第4期 姬芬竹 等：电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配 3 5 率因数降低，不仅浪费电能，而且增加动力电池的容 量，综合经济效益下降 J，通常，从保证汽车预期的最高车速来初步选择 电动机应有的功率 J，最高车速虽然只是 汽车动力 性能的一个指标，但它实质 也反映了汽车的加速 能力和爬坡能力，所选择的电动机功率应不小于汽车 在良好路面上以最高车速行驶时的阻力功率之和，即【+3 (2)式中：P 为电动机额定功率，k W；G为整车总重量，N；_厂 为滚动阻力系数；为最高车速，k m h；c。为 空气阻力系数；A为车辆迎风面积，In X L 2 0 0 0型电动汽车的整车主要技术参数见表 1 需特别说明的足采用固定速比时，电池箱也经过 了减重设计 根据表 1 有关参数，由公式(2)计算电 动机的额定功率 P =1 9，6 k W 计算时取吲定速比 传动系统的效率=O 9 5，滚动阻力系数_厂=0 0 1 5，空气阻力系数 C =0，2 9 通过对各种驱动 电动机进行 比较，选用三相 交 流异步电动机 主要技术参数为额定功率 峰值 功率：2 0 6 0 k W；额定转速 最高转速：3 6 0 0 9 0 0 0 r m i n；额定转矩 峰值转矩：5 3 6 1 5 0 N m；额定电 压：1 8 0 V 2 2 传动系统参数的确定 由所选择电动机的主要技术参数口 知，最大转 速与基速的比值较大，rt m ax n =9 0 0 0 3 6 0 0=2 5，属于第 1 节参数确定原则讨论的第一种情况，即电 动机从基频向上调速的范围足够大，变速器只需要 选择一个挡位 电动汽车经常行驶在市区车流密度较大的情况 下，行驶速度为3 0 5 0 k m h 左右，故首先考虑去掉 传动比小于 1 的两个挡位(四、五挡)；另一方面，由 于电动汽车经常行驶的路面质量较好，很少有起伏 不平或较大坡度，故去掉原变速器的爬坡挡(一 挡)那么接下来的工作就是从二、三挡中确定一个 能够满足整车技术要求的挡位 但如果此两个挡位 都不能满足要求，则需要重新设计该传动比 根据 电动机转矩 可以确定 电动 汽车的驱动力，然后利用电动机转速与汽车行驶速度之问 的关 系计算车速，即可得到各个挡位的驱动力 一 行驶 阻力平衡 幽 电动汽车的驱动力 为：F：T igl o n!(3)r 电动机转速与汽车行驶速度之 自 J 的关系为：(4)式(3)和(4)I f J，T为电动机扭矩，N In；r 为车轮滚 动半径，m；n 为电动机转速，r m i n；i。为主减速器传 动比 南式(2)计算电动汽车的功率平衡图，见图4 由式(3)和(4)计算驱动力 一 行驶阻力平衡图，见图 5 图中 F +F 为行驶阻力 由图 4可以看 出，曲 线的交点所对应的车速略高于 1 2 0 k m h 罔5中驱 动力曲线 阻力曲线的交点便是理论 I 的最高车速 按电动机额定功率计算，若保 原n 挡变速器 的j挡，则最高车速在 9 51 0 0 k m h之问，不 能满 足整车主要技术参数的需要，若保留原五挡变速器 的二挡，则最高车速大予 1 2 0 k m h，为 1 2 5 k m h 左 右。故把原五挡变速器 的二挡速 比作为 固定速 比减 速器的传动比，即 =1 8 4 2；而主减速器传动比保 奎 鼍、图4 电动汽车功率平衡罔 F i g 4 P o w e r b a l a n c e c h a r t o f E VS 维普资讯 http:/ 3 6 华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 3 4卷 k m h。)图5 电动汽车驱动力 一行驶阻力平衡图 F i g 5 Ba l a n c e c h a r t o f d r i v e f o r c e a n d o b s t r u c t i o n f o r c e o f E VS 持不变，即 i。=4 2 6 6 故将最大车速定为 1 2 0 k m h 是合适 的 3 电动汽车性能仿真 传动系统采用固定速比减速器，去掉五挡齿轮 变速器，同时对电池箱进行减重设计，使得整车质量 减轻了 为了验证本文提出的电动汽车传动系统参 数确定原则的正确性，利用 A D V I S O R仿真软件对 X L 2 0 0 0型电动汽车 的动力性能和续驶里程进行 了 仿真，仿真结果见表 2 由表 1 和表2可以看出，X L 2 0 0 0电动汽车采用 表 2 X L 2 0 0 0型电动汽车的仿真结果 T a b l e 2 T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s o f XI 20 o O EV S 1)汽车 r 驶速厦为 4 0 k m h 固定速比后，最高车速和加速性能与原车相当，最大 爬坡度有所减小，但续驶里程却增加了2 0 k m以上 这一点对于目前技术条件下的电动汽车来说意义是 巨大的 同时也说明本文提出的电动汽车传动系统 参数确定原则是正确的，对 X L 2 0 0 0电动汽车的参 数设计是合理的 4 结论 电动汽车动力传动系统参数设计及合理匹配对 其性能有很大的影响 由于电动汽车经常行驶在城 市较好的路面上，车流密度较大，经常行驶车速在 3 0 5 0 k m h之间，故采用固定速比的传动系是可 行的，不仅能减轻整车质量，同时增加续驶里程 以X L 2 0 0 0电动汽车的传动系参数匹配计算为 例，验证了本文给出的电动汽车传动比与挡位数确 定原则 的正确性 本研究采用原五挡变速器的二挡为固定速比，保留主传动比不变，只是一个方案，并不一定最佳 若是全新设计电动汽车，则应根据传动系统总传动 比 -优化分配固定速比 和主减速器速比i。参考文献：1 陈清泉，詹宜巨 2 1世纪的绿色交通工具电动车 M 北京：清华：学出版社，2 0 0 0 Mo r i t a K e n j i A u t o m o t i v e p o w e r s o u r c e i n 2 1。c e n t u r y J J S A E R e v i e w，2 0 0 3(2 4)：3-7 L i n d l y J a y K，Ha s k e w T i m A I mp a c t o f e l e c t r i c v e h i c l e s o n e l e c t ri c p o w e r g e n e r a t i o n a n d g l o b a l e n v i r o n me n t a l c h a n g e J A d v a n c e s i n E n v i r o n m e n t a l R e s e a r c h，2 0 0 2 (6)：2 9 1 3 0 2 朱正礼，殷承良，张建武 基于遗传算法的纯电动汽车 动力总成参数优化 J 一I 二 海交通大学学报，2 0 0 4，3 8 (1 1)：1 9 0 7 1 9 1 2 Z h u Z h e n g l i，Yi n C h e n g l i a n g，Z h a n g J i a n WU G e n e t i c a l g o rit h m b a s e d o p t i mi z a t i o n o f e l e c t r i c v e h i c l e p o we r t r a i n p a r a m e t e J j J o u r n a l o f S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y，2 0 0 4 3 8(1 1)：1 9 0 71 9 1 2 L e e Wo o t a i k，C h o Da e h o，S u n wo o My o u n g h o Mo d e l l i n g a n d s i m u l a t i o n o f v e h i c l e e l e c t r i c p o w e r s y s t e m J J o u r n a l o f P o w e r S o u r c e s，2 0 0 2(1 0 9)：5 8-6 6 于金风 电动汽车动力性初步研究 D 洛阳：河南科 技大学车辆与动：匀工程学院，2 0 0 3，罗玉涛，廖权来，E V 6 6 3 0电动轻型客车的研制 J 华 南理工大学学报：自然科学版，1 9 9 7，2 5(1 1)：8 0 8 3 L u o Y u t a o，L i a o Q u a n l a i D e v e l o p me n t o f E V 6 6 3 0 l i g h t e l e e t r i e b u s J J o u r n a l o f S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y：N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n，1 9 9 7，2 5(1 1)：8 0 8 3 俞明，罗玉涛，黄榕清 一种混联式电动汽车驱动系统 JJ J 1j 1 J 1 J 2 3 4 5 6 7 8 rl rl r-r-r l-rl 维普资讯 http:/ 第4期 姬芬竹 等：电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配 3 7 J 华南理工大学学报：自然科学版，2 0 0 1，2 9(8)9 0_ 9 2 Y u Mi n g，L u o Y u t a o，Hu a n g R o n g q i n g A k i n d o f h y b ri d e l e c t r i c v e h i c l e d ri v i n g s y s t e m J J o u r n a l o f S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y：Na t u r a l S c i e n c e E d i t i o n，2 0 0 1，2 9(8)：9 0 9 2 9 余志生 汽车理论 M 北京：机械工业出版社，2 13 0 0+1 0 易将能，韩力 电动车驱动电机 及其控制技术综述 微特电机，2 0 0 1(4)：3 6 3 8 Yi J i a n g n e n g，Ha n L i Ov e r v i e w o f d r i v i n g mo t o r a n d i t s c o n t r o l t e c h n o l o g y a b o u t e l e c t r i c v e h i c l e J S ma l l&S p e c i a l M a c h i n e s，2 0 0 I(4)：3 6 3 8 M a t c h i n g o f M o t o r a n d Po we r t r a i n Pa r a m e t e r s o f El e c t r i c Ve h i c l e j i F e n z h u G a o F e g (D e p t，o f A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g，B e i j i n g U n i v o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e d e t e r mi n i n g p r i n c i p l e s o f t h e t r a n s mi s s i o n r a t i o a n d t h e b l o c k n u mb e r o f e l e c t r i c v e h i c l e a r e d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r I t i s d i s c o v e r e d t h a t t h e r a t e d p o we r t o r q u e a n d t h e r o t a t i n g s p e e d o f t h e mo t o r mu s t ma t c h t h e p a r a m e t e r s o f p o w e r t r a i n Wi t h a t y p e o f e l e c t r i c v e h i c l e a s t h e r e s e a r c h o b j e c t，t h e c h a r t s d e s c r i b i n g t h e b a l a n c e b e t we e n t h e d r i v i n g f o r c e a n d t h e o b s t r u c t i o n f o r c e a r e p r e s e n t e d a n d t h e n a n a l y z e d b y t h e c a l c u l a t i o n s o f t h e s e c o n d a n d t h e t h i r d g e a r s h i ft s o f a ma n u a l f i v e g e a r t r a n s mi s s i o n B a s e d o n t h e c h a rt s，a s i n g l e g e a r s h i ft d ri v i n g s c h e me w i t h t h e h e a v i e r me c h a n i c a l g e a r t r a n s mi s s i o n b e i n g r e p l a c e d b y t h e c o n s t a n t r a t i o o n e i s p r o p o s e d T h e o r e t i c a l l y，t h e g r o s s ma s s i s l i g h t e n e d a n d t h e d ri v i n g r a n g e i s i n c r e a s e d b y t h e p r o p o s e d s c h e me T h e g r o s s ma s s a n d t h e d r i v i n g r a n g e o f t h e e l e c t ri c v e h i c l e a r e fi n a l l y s i mu l a t e d u s i n g t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n s o ft w a r e o f Ad v a n c e d Ve h i c l e S i m u l a t o r(A D V I S O R)T h e c o r r e c t n e s s o f t h e p r o p o s e d p r i n c i p l e s a n d m e t h o d s f o r d e t e r mi n i n g p o w e r t r a i n p a r a me t e r s i s t hu s v e r i fie d Ke y wo r d s：e l e c t ri c v e h i c l e；p o we r t r a i n；mo t o r；ma t c h i n g；s i mu l a t i o n (上接第3 2页)Gl o ba l Op t i mi z a t i o n Co n t r o l o f Pa r a l l e l Hy b r i d El e c t r i c Ve h i c l e Hu H o t Hu a n g X i a n g d o n g L u o Y u t a o Zh a o i c e g a n g (G u a n g d o n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f E V R e s e a r c h，S o u t h C h i n a U n i v o f T e c h ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0，G u a n g d o n g，C h i n a)Ab s t r a c t：Wi t h a c h a r g e s u s t a i n i n g P H E V(P a r a l l e l H y b r i d E l e c t ri c V e h i c l e)a s t h e r e s e a r c h s u b j e c t，a s y s t e m t a r g e t f u n c t i o n wi t h mi n i mu m g l o b a l f u e l c o n s u mp t i o n i n t h e w h o l e d r i v i n g c y c l e i s s e t u p b a s e d o n t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l s r e l a t e d t o t h e v e h i c l e a n d i t s p o we r t r a i n T h e c o r r e s p o n d i n g me c h a n i c a l a n d b a t t e r y c o n s t r a i n t f u n c t i o n s a r e a l s o e s t a b l i s h e d T h e n，t h e c o n s t r a i n e d mi n i mu m p r o b l e m i s t r a n s f o r me d i n t o a n u n c o n s t r a i n e d mi n i mu m o n e，w h i c h i s s o l v e d b y u s i n g t h e L a g r a n g e mu l t i p l i e r me t h o d，w i t h a g l o b a l o p t i mi z a t i o n c o n t r o l s t r a t e g y b e i n g o b t a i n e d Mo r e o v e r，a v e h i c l e s i mu l a t i o n mo d e l i s b u i l t u p b a s e d o n Ma t l a b S i mu l i n k t o v e r i f y t h e p r o p o s e d s t r a t e g y i n s e v e r a l t y p i c a l d ri v i n g c y c l e s T h e s i mu l a t e d r e s u l t s a r e fi n a l l y c o mp a r e d w i t h t h o s e o b t a i n e d b y t h e i n s t a n t a n e o u s o p t i-mi z a t i o n c o n t r o l s t r a t e g y I t i s t h e n c o n c l u d e d t h a t t h e p r o p o s e d s t r a t e g y i s v a l i d a n d c a n h e l p s a v e f u e 1 Ke y wo r d s：P a r a l l e l Hy b r i d E l e c t r i c Ve h i c l e；g l o b a l o p t i mi z a t i o n；c o n t r o l s t r a t e gy；I gra n g e mu l t i p l i e r me t h o d 维普资讯 http:/