2006 姬芬竹 电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配.pdf

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1、华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第34卷 第4期Journal of South China University of TechnologyVol.34No.42006年4月(Natural Science Edition)April2006文章编号:10002565X(2006)0420033205 收稿日期:20052052113 基金项目:国家863计划资助项目(2003AA5010600)作者简介:姬芬竹(19632),女,副教授,博士生,主要从事电动汽车驱动系统研究.E2mail:电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配3姬芬竹 高 峰(北京航空航天大学 汽车工程系

2、,北京100083)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-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Advanced Vehicle Simulator(ADV ISOR)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:U463 文

3、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21世纪重要的新型绿色环保交通工具123.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设计进行匹配研究是提高电动汽车性能的重要手段之一425.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,

4、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863项目(纯电动汽车子项目)的第一轮样车,即XL2000纯电动汽车保留了原夏利2000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,提出采用固定速比的传动方案.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:PTn(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

5、的工作区域被限制在一定范围内(nminnmax),并有一定的扭矩储备(10%20%),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.图1 内燃机特性Fig.1Performance of internal combustion engine 电动机的机械特性对驱动车辆十分有利.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高车速.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

6、2所示,图中nN表示电动机基频所对应的转速.转速越小,电机输出扭矩越大,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-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Fig.2Mechanical perfor mance of electromotor 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与阻力平衡点.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

7、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车速落在基频上,以直接挡获得最高车速,功率平衡点在等功率段上6.图3是电动汽车功率平衡分析图,图中Pf+Pw为汽车行驶阻力功率,kW;Pe为电动机额定功率,kW;为传动系统效率;ig为变速器传动比;vN为电动机基频所对应的汽车速度,km/h;vmax为电动汽车最高速度,km/h;va为汽车行驶速度,km/h.下面对可能出现的几种情况进行分析.(1)电动机从基频向上调速的范围足够大,即:nmax/nN215时,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

8、和A点,再根据A点计算传动系总传动比i6.由于仅选择一个挡位,若固定速比ig=1,则主传动比i0=i6.此时应注意变频范围也不宜太大,一般考虑最高车速对应的电动机转速为其最高转速的90%95%即可.图3 电动汽车功率平衡分析图Fig.3Power balance analysis chart of EVS(2)电动机从基频向上调速的范围不够宽,电动机最高转速不能满足nmax/nN215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i6=i0ig,再合理分配i0和变速器各挡位的传动比ig.(3)电动机从基频向上调速的范围较窄,满足nmax/nN1.8,如图3(c)所示,此

9、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点进入等功率区段工作.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)如果出现第3种情况,说明电动机参数与整车性能要求不匹配,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,电动机经常在过载状态下运行;相反,如果选择太大,电动机经常在欠载状态下运行,效率及功43华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第34卷表1 电动汽车整车主要技术参数Table 1The main t

10、echnical parameters of EVS车型总质量m/kg整车整备质量/kg传动比最高车速vmax/(kmh-1)续驶里程/km等速法工况法最大爬坡度/%XL2000电动汽车(含五挡变速器)1800150015挡传动比3.181/1.842/1.250/0.864/0.707主减速比:4.26612020015020XL2000电动汽车(固定速比)16151315 固定速比:1.842 主减速器速比:4.26612023015020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7.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8.最高车速虽然只是汽车动

11、力性能的一个指标,但它实质上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Pe=1Gf3600va,max+CDA76140v3a,max(2)式中:Pe为电动机额定功率,kW;G为整车总重量,N;f为滚动阻力系数;va max为最高车速,km/h;CD为空气阻力系数;A为车辆迎风面积,m2.XL2000型电动汽车的整车主要技术参数见表1.需特别说明的是采用固定速比时,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Pe=1916 kW.计算时取固定速比传动系统的效率=0195,滚动阻力系数f=01015

12、,空气阻力系数CD=01293.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9210.主要技术参数为额定功率/峰值功率:20/60kW;额定转速/最高转速:3600/9000 rmin-1;额定转矩/峰值转矩:53.6/150Nm;额定电压:180V.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可知,最大转速与基速的比值较大,nmax/nN=9 000/3 600=215,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3050 km/h左右,故首先考虑去掉传动比小于1

13、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Ft,然后利用电动机转速与汽车行驶速度之间的关系计算车速va,即可得到各个挡位的驱动力-行驶阻力平衡图.电动汽车的驱动力Ft为:Ft=Tigi0r(3)电动机转速与汽车行驶速度之间的关系为:va=01377rnigi0(4)式(3)和(4)中,T为电动机扭矩,Nm;r为车轮滚动半径,m;n为电动机转速,r/m

14、in;i0为主减速器传动比.由式(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-行驶阻力平衡图,见图5.图中Ff+Fw为行驶阻力.由图4可以看出,两曲线的交点所对应的车速略高于120 km/h.图5中驱动力曲线与阻力曲线的交点便是理论上的最高车速va max.按电动机额定功率计算,若保留原五挡变速器的三挡,则最高车速在95100 km/h之间,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,则最高车速大于120 km/h,为125 km/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ig=1.842;而主减速器传动比保图4 电动汽车功率平衡图F

15、ig.4Power balance chart of EVS53 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图5 电动汽车驱动力-行驶阻力平衡图Fig.5Balance chartof drive force and obstruction force of EVS持不变,即i0=41266.故将最大车速定为120 km/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ADV ISOR仿真软件对XL2000型电动汽车的动力性能和续驶里程进行了仿真

16、,仿真结果见表2.由表1和表2可以看出,XL2000电动汽车采用表2XL2000型电动汽车的仿真结果Table 2The simulation results of XL2000 EVS参数最高车速vmax/(kmh-1)加速性能/s最大爬坡度/%续驶里程/km等速法1)工况法0250 km/h6.8五挡变速器12550280 km/h6.83523820002100 km/h19.60250 km/h6.8固定速比12250280 km/h7.22526023002100 km/h211)汽车行驶速度为40km/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

17、加了20 km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XL2000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3050 km/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XL2000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

18、设计电动汽车,则应根据传动系统总传动比i6优化分配固定速比ig和主减速器速比i0.参考文献:1 陈清泉,詹宜巨.21世纪的绿色交通工具 电动车M.北京:清华大学出版社,2000.2Morita Kenji.Automotive power source in 21stcenturyJ.JSAE Review,2003(24):327.3Lindly Jay K,Haskew Tim A.I mpact of electric vehicleson electric power generation and global environmentalchange J.Advances in Env

19、ironmental Research,2002(6):2912302.4 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):190721912.Zhu Zheng2li,Yin Cheng2liang,Zhang Jian2wu.Geneticalgorithm based opti mization of electric vehicle powertrainparameters J.Journal of Shanghai Jiaotong University,2004,38(11):1907-1912.5Lee Wootaik

20、,Choi Daeho,Sunwoo Myoungho.Modellingand si mulation of vehicle electric power system J.Jour2nal of Power Sources,2002(109):58266.6 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力工程学院,2003.7 罗玉涛,廖权来.EV6630电动轻型客车的研制J.华南理工大学学报:自然科学版,1997,25(11):80283.Luo Yu2tao,LiaoQuan2lai.Developmentof EV6630 light e2lectric busJ.J

21、ournal of South China University of Tech2nology:Natural Science Edition,1997,25(11):80283.8 俞明,罗玉涛,黄榕清.一种混联式电动汽车驱动系统63华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第34卷J.华南理工大学学报:自然科学版,2001,29(8):90292.YuMing,Luo Yu2tao,Huang Rong2qing.A kind of hybridelectric vehicle driving systemJ.Journal of South ChinaUniversity of

22、 Technology:Natural Science Edition,2001,29(8):90292.9 余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社,2000.10易将能,韩力.电动车驱动电机及其控制技术综述J.微特电机,2001(4):36238.Yi Jiang2neng,Han Li.Overview of driving motor and itscontrol technology about electric vehicle J.Small&SpecialMachines,2001(4):36238.Matching ofMotor and Powertrain Paramete

23、rs of Electric VehicleJi Fen2zhuGao Feng(Dept.ofAutomobile Engineering,BeijingUniv.ofAeronautics and Astronautics,Beijing 100083,China)Abstract:The deter mining principles of the transmission ratio and the block number of electric vehicle are dis2cussed in thispaper.It is discovered that the rated p

24、ower/torque and the rotating speed of themotormustmatch theparameters of powertrain.W ith a type of electric vehicle as the research object,the charts describing the balancebetween the driving force and the obstruction force are presented and then analyzed by the calculationsof the secondand the thi

25、rd gearshifts of a manual five2gear transmission.Based on the charts,a single gearshift driving schemewith the heaviermechanical gear trans mission being replaced by the constant2ratio one is proposed.Theoretically,the grossmass is lightened and the driving range is increased by the proposed scheme.

26、The grossmass and the driv2ing range of the electric vehicle are finally simulated using the dynamic simulation soft ware of Advanced VehicleSimulator(ADV ISOR).The correctnessof the proposed principles and methods for determining powertrain parame2ters is thus verified.Key words:electric vehicle;po

27、wertrain;motor;matching;simulation(上接第32页)GlobalOpti m ization Control of Parallel Hybrid Electric VehicleHu Hong2feiHuang X iang2dongLuo Yu2taoZhao Ke2gang(Guangdong Provincial KeyLaboratory of EV Research,South China Univ.of Tech.,Guangzhou 510640,Guangdong,China)Abstract:W ith a charge2sustaining

28、 PHEV(Parallel Hybrid Electric Vehicle)as the research subject,a systemtarget function with mini mum global fuel consumption in thewhole driving cycle is set up based on themathematicalmodels related to the vehicle and its powertrain.The correspondingmechanical and battery constraint functions areal

29、so established.Then,the constrained mini mum problem is transfor med into an unconstrained minimum one,which is solved by using the Lagrange multipliermethod,with a globaloptimization control strategy being obtained.Moreover,a vehicle simulation model is built up based onMatlab/Simulink to verify th

30、e proposed strategy in sever2al typical driving cycles.The simulated results are finally compared with those obtained by the instantaneous opti2mization control strategy.It is then concluded that the proposed strategy is valid and can help save fuel.Key words:Parallel Hybrid Electric Vehicle;global optimization;control strategy;Lagrange multipliermethod73 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