电动汽车动力传动系统参数的匹配设计(共10页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上场地电动汽车动力传动系统设计(兰州工业学院汽电)摘要: 根据电动汽车动力性能要求, 考虑到动力传动系统共振的危害, 结合传动系统频率匹配, 提出了电动汽车动力传动系统参数匹配计算方法。以某公司电动汽车机电传动系统为例, 在 A DV ISOR 软件中建立整车模型, 进行循环工况下动力经济性能仿真分析。通过仿真和试验可知, 该车动力性和经济性均能满足设计要求且动力传动系统没有共振产生, 验证了匹配的可行性。关 键 词: 电动汽车; 动力性; 匹配; 频率M atching of Param eters of Power Transm ission for E lectr

2、ic V ehiclesXUE N ian wen, GAO Fe,i XU X ing, GONG X in( Schoo l of A utomob ile and T ra ffic Eng ineering,Jiangsu U n iversity,Zhenjiang ,Jiangsu,Ch ina)Abstract: A cco rding to e lectr ic veh icle dynam ic requ irem ents and the disadvantag es of system resonance, a m atch ing m ethod of pow er t

3、ra in fo r e lectr ic veh ic lesw as put fo rw ard based on frequency m atch ing o f dr ive train system. T ak ing mechan ica land e lec trica l drive system for an electr ic car as an examp le,softw are ADV ISOR w as emp loyed to conduct sim ulation ana lys is of drive cyc le o f the dynam ic and e

4、conom ic pe rfo rm ance;the resu ltw as in accordance w ith actual data.Bo th the simu lation result and test data ind ica ted that dynam ic and econom ic perform ance of the vehic le cou ld m eet the requ irem ents; there w as no resonance o f the powe r train system; feasib ility m atch m ethod w

5、as ver ified.K ey words: e lectr ic car; dynam ic per fo rm ance; m atch ing;frequency专心-专注-专业由于环境污染、能源匮乏等问题, 电动汽车日益受到各国汽车业界的重视, 但续驶里程严重制约了电动汽车的推广。因此, 近年来关于纯电动汽车的研究主要集中在动力电池等能量存储系统和电驱动系统的开发方面。在这些技术取得有效突破前, 对纯电动汽车动力传动系统部件进行合理选择和匹配将是提高电动汽车性能的重要手段之一 1 - 2 。结合某厂纯电动汽车的研发, 对动力传动系统参数进行设计, 利用阶次分析法对其零部件的工作频率

6、进行分析, 从而避免共振, 使整车在达到动力性和经济性要求的基础上满足舒适性要求。1 电动汽车动力性要求及分析电动汽车动力性主要由 3 个指标来评定 3 : 汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度。动力性要求及整车参数如表 1。表 1 动力性要求及整车参数Tab. 1D ynam ic requirem ents and overa ll param eters类别参数值最高车速 v/( km h- 1 )50m ax加速时间 tf / s15最大爬坡度 ( 30 km /h) /%1535 km /h 匀速行驶续驶里程 /km100工况行驶续驶里程 / km60满载质量 m /kg1 000迎

7、风面积 A /m 21. 82电机的选择2. 1功率的确定1)根据最高车速确定电机额定功率 4 :P e1mgfCD A 3( 1)T3 600vmax +76 140vmax2)根据最大爬坡度确定电机峰值功率:1m gf cos mCD A 3Pfva +va+T3 60076 140收稿日期: 2010- 11- 11; 修订日期: 2010- 12- 01作者简介: 薛念文 ( 1960- ), 男, 江苏镇江人, 教授, 主要从事汽车动力学及其控制技术、汽车维修检测技术等方面的研究。E - m ai:l xnw u js. edu. cn。m g sinm( 2)va36002. 2电

8、机最大转速的确定电动机最高转速对电动机成本、制造工艺和传动系尺寸有很大影响。转速在 6 000 r/m in以上为高速电机, 以下为普通电机。前者成本高、制造工艺复杂且对配套使用的轴承、齿轮等有特殊要求, 适用于 100 kW 以上的大功率驱动电机, 因此应采用最高转速小于 6 000 r/m in 的低速电机 5 。2. 3 电动机匹配结果综合以上计算结果和分析, 经过调研市场上现有的电机产品性能参数, 本车最终选择某公司直流无刷电机, 具体参数如表 2。表 2电机参数Tab. 2M otor pa ram eters类别参数值类别参数值电机类型直流无基速 /2 800刷式( r m in-

9、 1 )峰值转矩 /(Nm )70额定电压 / V72额定转矩 /(Nm )19峰值功率 / kW15最高转速 /( r m in- 1 )4 000额定功率 / kW53 电池组的确定电池组容量的选择主要考虑车辆行驶时的最大输出功率和电动汽车最大续驶里程所消耗的能量,笔者综合考虑各种电池的性能并借鉴国内外各汽车公司的使用经验, 选用锂离子电池。1)由最大功率确定电池组数目 6 :ne=P( 3)P b max e式中: P b max为电池最大输出功率, kW;e 为电动机及其控制器工作效率。2)由续驶里程确定电池组数目nL=1 000LW( 4)C sV sN式中: L 为续驶里程, km

10、; W 为电动汽车行驶 1 km 消耗的能量, kW; Cs 为单个电池的容量, A h; Vs 为单个电池的电压, V。根据上述计算及对市场的实际考察, 本车选取某厂锂离子电池 4组 24节, 具体参数如表 3。表 3 电池参数Tab. 3Battery param eters速。对于固定速比变速传动, 电动机要既能在恒转矩区提供较高的瞬时转矩, 又能在恒功率区提供较高的运行速度。可变速比齿轮变速传动的优点为:低档位得到较高启动转矩, 高档位得到较高行驶速度, 但质量及体积大、成本高、可靠性低、结构复杂。目前电动车的一大特点是尽量减轻整车质量, 提高续驶里程, 所以本车选择固定速比。4. 1

11、传动比上限的确定 7传动比的上限由电动机最高转速和最高行驶速度决定:i0 #0. 377nmax r( 5)vmax式中: nmax为电机最高转速, r /m in; vmax为汽车最高车速,km /h; r 为车轮半径, m。4. 2传动比下限的确定1)由电动机最大转速下输出转矩和行驶阻力确定传动系速比下限:i0F u max rT u maxF u m ax= Ff + Fw( 6)Ff = m gf rCD AFw =va221. 15式中: Fu max为最高车速时行驶阻力, N; T u max为电机最大转速对应转矩, N m。2)由电动机最大输出转矩、最大爬坡度对应的行驶阻力确定传

12、动系速比下限:i0F i max rT im axF i max= Ff+ Fw+ F iFf= m gf rco sm( 7)Fw =CD Ava221. 15F i= m g sin m4. 3根据齿轮齿数选择传动比传动比的大小取决于齿轮的齿数比, 因此在选择传动比时要考虑各齿轮齿数的大小。齿轮齿数的选择要注意以下几点:1)齿数互质。若齿轮齿数比可以整除, 会形成周期性接触, 易导致齿轮失效, 增大传递过程中的振类别参数值类别参数值动, 降低齿轮的传递效率和使用寿命, 因此大小齿轮电池组型号100AH电压 / V72齿数最好互质。单位尺寸 / mm50 ! 160 ! 282推荐电机控制器

13、2)避免根切。根切会削弱轮齿的抗弯强度, 降单体重量 / g3 500 ? 20欠压保护值 / V63低齿轮传动的合度, 这对传动是十分不利的, 因此齿4 传动比的确定轮齿数应大于不产生根切的最少齿数。传动系统通常分为固定速比和可变速比齿轮减3)使用寿命。齿轮齿数会影响其使用寿命, 因此要对齿轮寿命进行校核。根据上述计算和齿轮齿数选择的要求对传动比进行二次选择, 本车初步选择单挡二级传动, 传动比为 6. 8。5 频率匹配5. 1频率匹配的作用汽车行驶时, 由电机、传动系等旋转部件激发的汽车振动会增大车内噪声影响车辆的乘坐舒适性,如有共振产生还会造成零部件的疲劳, 降低其使用寿命, 因此在进行

14、动力匹配时应对其零部件的工作频率进行匹配, 以免引起共振。5. 2 阶次跟踪分析传统的频谱分析, 仅用于稳态信号的分析处理,阶次跟踪分析是针对旋转机械非稳态信号的分析方法。汽车各零部件的工作频率均与车轮的转速、发动机转速相关, 由于转速很难保持稳定, 用传统频谱分析方法分析, 会产生频率的混叠, 难以分析主要噪声源 8 。阶次分析方法采用的是角域采样理论, 在汽车加速或减速过程中, 对转轴进行恒角度增量测量, 此时时域的非稳态信号在角度域是稳态信号, 对其进行 FFT 变换, 便得到阶次谱, 图 1为阶次跟踪分析流程 9 。图 1 阶次跟踪分析流程F ig. 1Order ana lysis

15、process5. 3 根据阶次跟踪分析进行频率匹配传动系统的工作频率主要包括旋转件工作频率和齿轮啮合工作频率, 如半轴冲击频率、轮毂轴承冲击频率、差速器工作频率、变速器工作频率和电机工作频率等。采用阶次跟踪分析法, 以车轮转速为基频, 根据以下公式计算各零部件的阶次:5. 3. 1电机电磁噪声极对数为 p 的转子每旋转一周, 定子绕组感应电动势也相应交换 p 次, 因此电机供电频率为:f 1 =ipn( 8)60式中: p 为极对数; n为车轮转速; i 为传动比。主波磁场产生的径向力波为:Pr1 = P 0 + P1( 9)式中: P0 为径向力的不变部分; P1 为径向力波的交变部分。P

16、 1 = P 0 cos( 2p- 2!1 t - 2 0 )( 10)这个力波的角频率是 2!1, 即 2倍的电源频率,它使定、转子产生 2倍电源频率的振动与噪声。所以磁极径向磁拉力脉动声的频率为:f2=ipn( 11)30齿谐波噪声的频率:ii谐 Q( 12)f3=n60式中: i谐 为谐波次数; Q 为齿槽数; n为转速。5. 3.2电机转子不平衡噪声转子不平衡噪声是转子和轴不同心或动不平衡造成, 可产生偏心磁场, 其基频为转子转动频率:f5=in( 13)5. 3.3其他噪声源除了电机产生的噪声源, 其他与传统发动机的噪声源一致。包含风扇产生的共鸣声和涡流声, 轴承噪声, 传动系统齿轮

17、啮合噪声, 齿轮固有振动噪声, 轮胎噪声和车身板件振动噪声等。5. 3. 4 阶次计算根据上述公式对选定传动比进行验证, 如有零部件阶次太过接近, 则有共振趋势, 需要对传动比进行再次选择, 计算结果见表 4。表 4 主要噪声源对应阶次Tab. 4Orders of the m ain no ise sources编号名 称阶次1电机供电频率642径向磁拉力脉动声的频率12431次齿谐波频率16242次齿谐波频率3245电机转子不平衡质量6. 36电机风扇共鸣频率387电机风扇 2次共鸣频率868减速器第 2级齿轮啮合749减速器第 1级齿轮啮合14610差速器支承轴承9由表 4可知, 各零部

18、件阶次不接近, 不会引起共振, 由此可知以上匹配可以满足上述各项要求。6 电动汽车动力性仿真及验证6. 1电动汽车动力性能仿真根据上述选择的电机、电池及传动系统参数, 应用电动汽车仿真软件 ADV ISOR 2002, 建立电动汽车仿真模型, 并使其在 CYC _ECE 工况下运行, 仿真结果如图 2、图 3。通过在 CYC _ECE 工况下的循环仿真, 得到表 5 结论。表 5 CYC _ECE 工况下仿真结论Tab. 5Sim ula tion resu lt o f CYC_ECE wo rking cond ition仿真内容仿真结果最大车速 /( km h- 1 )58.90 50

19、km /h 加速时间 / s10.4最大爬坡度36 km /h爬15% 的坡CYC _ECE 工况最大续驶里程 / km626. 2 实验验证试验是验证动力系统参数匹配是否合理最根本的方法。根据上述匹配结果, 对电动车进行设计, 并在转鼓试验台和测功机上, 对其动力性、续驶里程和传动系频率进行试验, 结果如图 4 图 6。图 4 电机加速度均方根值与电机频率的关系F ig. 4 R elationsh ip between root m ean square value o fm otor acceleration and m otor frequency根据图 4 图 6可知, 电机、主减速

20、器、差速器在各频率下的幅值都很小, 没有共振现象发生。本车在转鼓实验台上的动力性能试验结果如图7、图 8。本车动力性能如表 6。图 7 最高车速试验速度与时间的关系Fig. 7Relationship betw een speed and tim e in m ax im um speed test表 6转鼓实验结论Tab. 6Tum bler test result试验项目结论最大车速 /( km h- 1 )55.80 50 km /h加速时间 / s14.6最大爬坡度 / %33. 6km /h爬 15% 坡工况最大续驶里程 /km60.8图 8 最大爬坡度试验速度与时间的关系F ig.

21、 8R elationship betw een speed and tim e in m axim um grade test由动力性能、最大续驶里程试验及仿真结果对比分析可知, 汽车的最大车速、加速时间与最大爬坡度都基本吻合, 且满足动力性要求。试验中, 电动汽车起步时需克服转鼓的静摩擦力带动转鼓, 所以加速时间比较长, 因此可以认为在 ADV ISOR 中建立的模型与实际基本相符。7 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影响很大。笔者以某电动汽车为例, 对其动力传动系统参数进行匹配。考虑到系统共振的危害, 利用阶次分析法对动力传动系统零部件工作频率进行分析, 得到满足动力性

22、、经济性和舒适性要求的匹配方式, 利用仿真软件 ADV ISOR 对整车动力性和经济性进行仿真分析。根据实车动力经济性能与传动系统工作频率的实验可知, 该车动力传动系统不会因为共振引起振动噪声, 其最高车速、最大爬坡度、加速性能及续驶里程等动力经济性能指标均符合设计要求。参考文献 ( R eferences) : 1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 . 上海交通大学学报, 2004, 38 ( 11 ): 1907 - 1912.ZHU Zheng- l,i YIN Cheng- liang, ZHANG J ian - wu. Genetic alg

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24、6. 3王泽平. 电动轿车总体设计与性能仿真研究 D . 合肥: 合肥工业大学, 2007. 4姬芬竹, 高 峰. 电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配 J . 华南理工大学学报: 自然科学版, 2006, 34( 4 ): 33- 37.JI Fen- zhu, GAO Feng. M atch ing of m otor and pow ertrain param eters of electric veh icle J . Jou rnal of S outh Ch in a Un iversityofT echnology: S cien ce E dition, 2006, 34 (

25、 4): 33- 37. 5王珏童. 纯电动客车动力传动系参数匹配及整车性能研究 D . 长春: 吉林大学, 2008. 6杨祖元, 秦大同, 孙冬野. 电动汽车动力传动系统参数设计及动力性仿真 J . 重庆大学学报: 自然科学版, 2002, 25 ( 6 ): 19- 22.YANG Zu - yuan, QIN Da- tong, SUN dong- ye. Param eter des ign for the pow er train and s mui lation of th e dyn am ic p erform an ceof electrical veh icle J .

26、Journa l of Chongq ing Un iversity:S cien ceE d ition, 2002, 25 ( 6): 19- 22. 7初亮. 混合动力总成的控制算法和参数匹配研究 D .长春:吉林大学, 2002. 8 张守元, 李鹤, 张义民. 阶次跟踪技术及其在汽车 NVH 中的应用 J . 轻型汽车技术, 2009( 4): 14- 17.ZHANG Shou- yuan,LI H e,ZHANG Y i- m in.Order trackingtechnology and its app lication in NVH J .Light V eh icles,2009( 4 ): 14- 17. 9郭瑜, 秦树人. 旋转机械非稳定信号的伪转速跟踪阶比分析 J . 振动与冲击, 2004, 23( 1): 61- 64.GUO Yu, Q IN Shu - ren. Pseudo speed track ing order analysis for non stationary vib ration signals of rotating m achinery J . Journ al ofV ib ration and Sh ock, 2004, 23 ( 1): 61- 64.