2006 姬芬竹 电动汽车传动系参数设计及动力性仿真.pdf

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1、 收稿日期:2005205208 基金项目:国家863计划“十五”重大专项电动汽车资助项目(2003AA5010600)作者简介:姬芬竹(1963-),女,河南洛阳人,博士生,jfz .电动汽车传动系参数设计及动力性仿真姬芬竹 高 峰(北京航空航天大学 汽车工程系,北京100083)吴志新(天津清源电动车辆有限公司,天津300162)摘 要:对电动汽车电动机、传动系的传动比和电池组容量等参数设计的原则和方法进行了分析和探讨,并以某种型号电动汽车为研究对象,对动力传动系的参数进行合理的选择和设计.建立了整车动力传动系统及其关键零部件电动机、电池、减速器等的性能仿真模型.应用电动汽车仿真软件ADV

2、ISOR(Advanced Vehicle Simulator)对整车动力性进行了仿真计算.仿真结果表明,以锂离子电池为能源的电动汽车的加速性、爬坡能力、最大车速、续驶里程等动力性能均满足设计指标要求,从而验证了仿真模型的正确性和有效性.关 键 词:电动汽车;传动系;动力性;续驶里程;仿真中图分类号:U 463文献标识码:A 文 章 编 号:100125965(2006)0120108204Parameter design for power train and simulation ofdynamic performance of electrical vehiclesJi FenzhuGa

3、o Feng(Dept.of Automobile Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083,China)Wu Zhixin(Tianjin Qing Yuan Electric Vehicle Corporation limited,Tianjin 300162,China)Abstract:The method and principle of parameters design for electromotor,the ratio of power train and bat

4、ter2iescapacity of electric vehicles(EVS)were explored and discussed.Based on some types of EVS,the parametersof power train of EVS were selected and designed reasonably.A performance simulation model of dynamic powertrain system in whole vehicle and key parts,such as electromotor,cells and retarder

5、 were developed utilizing theEVS dynamic simulation soft of advanced vehicle simulator(ADVISOR).Then the dynamic performance of EVSwassimulated.Simulation result indicates that the dynamic performances of lithium cells EVS,including accelerationperformance,grade ability,the maximum speed of the vehi

6、cle,retaining distance and etc.are satisfied to the de2mands of designing guide line.So the correctness and validity of the simulation model are demonstrated.Key words:electric vehicles;power train;dynamic performance;retaining distance;simulation 电动汽车是高度机电一体化的产品,与传统的内燃机汽车相比,它增加了许多电器部件,如电动机、动力电池、功率转

7、换器、控制器等.目前,在动力电池和其它关键技术取得有效突破之前,如何合理地选择这些部件及其有关参数,使其达到最优匹配,在相同电池条件下,提高电动汽车的动力性能,增加续驶里程,一直是研究者追求的目标,并已成为国内外汽车行业研究的热点之一1.模拟仿真作为一种现代设计方法应用于电动汽车动力性能的计算已经有很多的应用实例2,3,其中多数建立了传动系仿真模型,并采用通用的仿真软件进行计算,如CarSim,MARVEL,MatlabSimu2lation等.本文以某型号电动汽车为研究对象,在对动力传动系统的参数设计进行研究的基础上,建立了电动汽车的整车驱动模型并采用广泛应用于电动汽车动力性仿真的ADVIS

8、OR(Advanced Ve22006年1月第32卷 第1期北 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Beijing University of Aeronautics and AstronauticsJanuary2006Vol.32No11hicle Simulator)软件.此外,决定电动汽车动力性能的因素很多,不仅与整车及其各部件参数有关,而且与驾驶工况密切相关.本文以欧洲驾驶模式(EDC)为例,对电动汽车的动力性能进行了仿真.1 电动车动力传动系参数设计电动车动力传动系由电动机、变速器、主减速器和驱动轮等组成.本文研究的电动汽车是以夏利2000为原型.选用异步电机为

9、驱动电动机,动力电池采用锂离子电池.1.1 电动机参数选择电动汽车驱动电动机与常规工业用电动机在负载要求、技术性能以及工作环境等方面均有不同,在参数设计时应充分考虑.电动汽车运行模式有匀速和加速2种,在匀速模式下,所需要的驱动功率相对较少,且运行时间长;而加速模式运行时所需的功率大,但时间较短.汽车在平坦的路面匀速巡航时,电动机所提供的动力只需要克服汽车行驶阻力,包括滚动阻力、空气阻力等4,因此,所选择的电动机功率应不小于以最高车速行驶时的阻力功率之和,即pe=1Tmgf3600umax+CDA76140u3max(1)其中,pe为电动机额定功率,kW;m为整车总质量,kg;g为重力加速度,m

10、s2;f为滚动阻力系数;umax为最高车速,kmh;CD为空气阻力系数;A为车辆迎风面积,m2;T为传动系效率(下同).电动汽车所用的异步电动机具有较大的过载能力,最大功率可达额定功率的3倍左右.因此,按匀速模式选择的电动机功率完全能够满足加速模式下动力性能的要求.1.2 传动系传动比选择电动机的起动转矩很大,可以实现低速恒扭矩、高速恒功率的工作模式,并且易实现无级调速.因此,电动汽车传动比的选择只需满足最高车速和最大爬坡度的要求.在电动机输出特性一定时,传动系的传动比如何选择,依赖于整车的动力性能指标要求5,6.1)传动系速比的上限i0.377nmaxrumax(2)其中,i=i0ig,为传

11、动系速比,这里i0,ig分别为主减速器速比和变速器速比;umax为最高车速,kmh;nmax为电动机极限转速,rmin-1;r为车轮滚动半径,m(下同).2)传动系速比的下限由电动机最高转速对应的最大输出扭矩和最高车速对应的行驶阻力确定传动系速比的下限为iFumaxrTTumax(3)其中,Tumax为电动机最高转速时的输出扭矩,Nm;Fumax为最高车速时的行驶阻力,N;由电动机最大输出扭矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定速比的下限值为iFamaxrTTamax(4)其中,Famax为最大爬坡度时的行驶阻力,N;Tamax为电动机最大输出扭矩,Nm.若速比变化范围不大,则可采用固定速比,从而去

12、掉五档齿轮变速器,提高传动系效率.1.3 电池组容量的选择电池容量的选择主要考虑最大输出功率和能量,以保证电动车的动力性和续驶里程.1)由最大功率选择电池数目n=pemaxpbmaxeec(5)其中,pemax为电动机最大功率,kW;pbmax为电池最大输出功率,kW;e为电动机工作效率;ec为电动机控制器工作效率.2)由续驶里程选择电池数目n=1000LWCrV1(6)其中,L为电动汽车续驶里程,km;V1为单节电池电压,V;Cr为单节电池额定容量,Ah;W为电动车行驶1 km所消耗的能量,kW.以上2式中较大者即为所求.1.4 电动车传动系参数设计电动汽车整车技术参数见表1.整车参数确定后

13、,即可根据以上公式设计传动系有关参数,见表2.表1 国家“863”电动汽车招标有关技术参数技术参数参数值整车整备质量kg1350整车总质量kg1650最大车速(kmh-1)120加速性能s050kmh的加速时间 105080kmh的加速时间 15最大爬坡度%20续驶里程km等速 230;工况 150901第1期 姬芬竹等:电动汽车传动系参数设计及动力性仿真表2 传动系主要设计参数传动系部件设计参数设计值额定功率 最大功率kW2060电动机额定转速 最高转速(rmin-1)36009000额定转矩 最大转矩(Nm)53.6150额定电压V180电池组额定输出电压V336额定放电容量Ah80传动系

14、主传动比i04.266固定速比ig1.842迎风面积Am21.955其它空气阻力系数CD0.29车轮滚动半径rm0.2832 电动汽车仿真模型根据整车布置和设计方案,以广泛应用于电动汽车动力性仿真的ADVISOR软件进行仿真计算,建立整车和关键部件(电机、电池、减速器等)的仿真模型.建立模型的基本步骤包括选择车辆和部件模块,进行各部件间的机械、电器和信号连接,输入各模块主要参数等.2.1 整车模型电动车行驶时的驱动力模型为Ft=Fr+Fd+F+F(7)其中,Fr=mgfcos为轮胎滚动阻力,N;Fd=0.047ACD(u+u0)2为空气阻力,N;F=ma为旋转换算力,N,其中a为加速度,ms2

15、,F=mgsin为车辆爬坡时受到的坡道阻力,N.这里,u,u0分别为车速和车前速度,kmh;为由于车轮、齿轮或车轴等旋转部件的转动惯量而引入的修正因子;为道路坡度.2.2 动力电池组模型动力电池组模型的作用是确定电池的剩余电量.在电动汽车中,电池的有效放电容量决定了行驶里程,而电池荷电状态SSOC(State of Charge)是衡量电池剩余容量的指标,因此,SSOC的确定非常重要,其定义为6SSOC=QsQn=Qmax-QuQmax(8)其中,Qmax为电池最大容量;Qs为电池剩余容量;Qu为电池已用容量,单位均为Ah.电池容量的计算是基于Peukert方程的7,即Q=CI1-n.其中,Q

16、为电池容量,Ah;C是因电池特性而变的常量;I为电流,A;n为常数,其值通常为1.31.4.2.3 减速器模型对应用于仿真模型的减速器,可以其速比参与仿真计算.速比的确定见上文和表2.3 仿真模型与仿真计算3.1 建立仿真模型基于以上所讨论的整车模型和电机参数,建立电动汽车的仿真模型,模型结构框图见图1.图1仿真模型结构框图3.2 定义计算任务根据电动汽车的特点,主要对整车的动力性进行仿真,故设定以下计算任务:1)最高车速计算;2)最大爬坡度计算;3)加速性能计算;4)工况行驶和续驶里程计算.在每个计算任务中,设定此项计算任务的计算步长、计算精度等参数.3.3 选择驾驶工况车辆行驶过程中,为适

17、应不同的道路状况,需要不断地改变行驶速度和行驶状态,如加速、恒速或减速,实际的车辆速度非常复杂,不可能是线性的.本文按照EDC模式进行仿真.4 仿真结果分析仿真初始条件:电池初始SSOC为0.7(70%),输入的驱动循环为EDC,其它有关输入参数见表1、表2.仿真结果如图2、图3所示.加速性能:050kmh为6.8 s;5080 kmh为7.2 s;0100 kmh为21s;最高车速121kmh;最大爬坡度25%;续驶里程230 km;不同车速匀速行驶续驶里程见表3.表3不同车速下匀速行驶续驶里程车速u(kmh-1)电机转速n(rmin-1)续驶里程Lkm2014712693022072854

18、02943268503679250604414229011北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 2006年图3 工况法计算结果界面之一图2 加速性计算结果界面之一 仿真结果表明,车辆的续驶里程、车速、加速性能和爬坡性能等动力性能满足国家“863”电动汽车招标有关技术参数的要求,说明整车匹配方案是合理的,传动系的参数选择能够确保整车动力性能达到要求的指标.5 结 束 语以电动汽车为研究对象,对传动系统的参数进行合理设计,建立了动力性仿真模型.应用AD2VISOR仿真软件计算了整车的动力性.计算结果表明,以锂离子电池为能源的电动汽车的加速性、爬坡能力、最大车速、续驶里程等动力性指标满足设计要求,

19、从而验证了仿真模型的正确性和有效性,并为电动汽车的设计、性能预测和分析提供了一种方法和手段.参考文献(References)1 Noriyuki Iwata.Impacts of EVS on energy,the environment andtransport systemA.In:The 16th International Electric VehicleSymposium C.Beijing,1999.2102192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):1922Yang Zuyuan,Qin Datong

20、,Sun Dongye.Parameter design for thepower train and simulation of the dynamic performance of electricalvehicleJ.Journal of Chongqing University(Natural Science Eedi2tion),2002,25(6):1922(in Chinese)3 Butler KL,Stevens KM,Ehsani M.A versatile computer simulationtool for design and analysis of electri

21、c and hybrid drive trains R.SAE 970199,19974刘清虎,郭孔辉.动力参数的选择对纯电动汽车性能的影响J.湖南大学学报(自然科学版),2003,30(3):6264Liu Qinghu,Guo K onghui.Impactson the performance of pure elec2tric vehicles in the choices of dynamic parameterJ.Natural Sci2ence Journal of Hunan University,2003,30(3):6264(in Chi2nese)5李国良,初 亮.采用交

22、流感应电机的电动汽车动力传动系统的合理匹配J.吉林工业大学自然科学学报,2001,31(4):611Li Guoliang,Chu Liang.Study on power2train matching of electricvehicle with AC induction motorJ.Natural Science Journal of JilinUniversity of Technology,2001,31(4):611(in Chinese)6何 仁,商高高.汽车动力传动系参数的优化方法J.江苏理工大学学报(自然科学版),2000,21(6):6164He Ren,Shang Ga

23、ogao.Optimum method of automobile transmissionparametersJ.Journal of Jiangsu Universityof Science and Technol2ogy(Natural Science),2000,21(6):6164(in Chinese)7 Aaron Brooker,Terry Hendricks,ValerieJohnson,et al.ADVISOR3.1 documentation R.National Renewable Energy Laboratory,2001111第1期 姬芬竹等:电动汽车传动系参数设计及动力性仿真