电动汽车动力性分析及传动系设计

电动汽车动力性分析及传动系设计王晓明，杨平哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨(150001)摘要：汽车传动系参数是决定了汽车动力性能。本文首先对电动汽车的动力性能进行分析，提出电动汽车动力性能三个技术指标，最高车速、加速时间和最大爬坡度，并给出相应的计算公式；在此基础上研究电动汽车传动系统的设计理论，给出电机选择、传动比设计和电池容量选择的条件和计算公式；通过实例计算来验证设计的合理性，最后给出电动汽车传动系设计流程图。关键词：电动汽车；动力性；传动系统1．引言电动汽车作为一种节能环保的绿色交通工具，在能源日益枯竭的今天有着广泛的市场前景[1]。电动汽车的传动系统是能量转换装置，把蓄电池储存的电能转换为汽车运动的机械能。研究电动汽车动力性能是设计良好的传动系统的基础，反之设计好了的传动系统可以通过动力性来验证设计的正确性。2．电动汽车的动力性能分析与普通车辆相似，电动车辆的动力性主要用三个方面的指标评价，即:最高车速maxav，加速时间ft和最大爬坡度maxi。在行驶时汽车会受到各种阻力包括滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力，这些阻力的总和叫做总阻力F∑，它的计算公式为：2cossin(1)21.153.6aDadvCAFmgfmgvmdtααδ=+++∑其中：m为汽车总质量，kg；f为滚动阻力系数；α为坡道角，()°；DC为空气阻力系数；A为迎风面积，2m；av为行驶车速，1kmh−⋅；δ为车辆旋转质量换算系数。在驱动力和阻力的作用下，汽车的动力性能指标可以通过公式估算。最高车速是指车辆满载时，在良好的水平路面上（如干燥、平坦、清洁的沥青或水泥路面）所能达到的最高行驶速度。它的测定是在微风甚至无风条件下，将车辆加速踏板踩到底，以尽可能的高速通过200m路段所测试的结果。在实际运行中，由于道路、气候条件和受车辆本身技术状况所限，最高车速是极难达到的。电动汽车的最高车速计算:maxmaxmax0()()(2)0.377tmammamFnFvnnvrni⎧≥⎪≤⎨⎪=⎩∑其中：mn为主驱动电动机的工作转速，1minr−⋅；tF为主驱动电动机以最大限流工作时车辆获得的驱动力，N；maxmn为主驱动电动机的最高工作转速，1minr−⋅。满足上式的车速最大值即为反映车辆动力性的指标maxav。加速时间是指汽车从静止状态下，由第一挡起步，并以最大的加速强度(包括选择最恰当的换挡时机)逐步换至高挡后，到某一预定的距离车速或车速所需的时间。目前，常用—96KM所需的时间(秒数)来评价。车辆加速时间ft为:2211211(3)3.63.621.15vvfaavvDatadtmtdvdvCAdvFmgfvδ==⎡⎤−−⎢⎥⎣⎦∫∫式中：1v为加速行驶起始车速，1kmh−⋅；2v为加速行驶终止车速，1kmh−⋅。最大爬坡度是指在满载无拖挂，在干燥硬实路面的条件下，车辆节气门全开，以最低档所能通过的最大坡度。车辆爬坡度计算[2][3]:2maxmax221.15tantanarcsinarctan()(4)1DtaCAFvifmgfα⎧⎫⎡⎤−⎪⎪⎢⎥⎪⎪==−⎨⎬⎢⎥+⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭3．电动汽车动力传动系统的设计动力传动系统是电动汽车最主要的系统,电动汽车运行性能主要由其动力传动系统的性能决定。电动汽车动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、变速器、主减速器、驱动轮等组成。纯电动汽车的动力系统结构如图1所示[4]。图1传动系统结构图设计一个电动汽车的动力传动系统的参数，主要包括电机参数选择、传动比选择、电池组容量选择。3.1电机参数的选择对于驱动电机，需要确定的参数有三个，额定功率eP、过载功率maxeP以及最大转矩maxT。额定功率eP可根据电动汽车在额定功率下的最高车速初步来确定，原因一是车辆消耗的功率随车速增大而增加；二是车辆经常行驶的速度一般低于最高车速，故而可有适当的后备功率，以用于加速和爬坡。额定功率eP满足车辆以最高车速匀速行驶的条件为：3maxmax1()(5)360076140DeaaCAmgfPvvη≥+汽车在爬坡的工况下，要求的瞬时功率也即过载功率maxeP大于额定功率，即：3maxmaxmaxcos1()(6)3600360076140DeaaamgfmgiCAPvvvαη≥++同样在爬坡的工况下，若已知电动汽车主减速器传动比0i，汽车的最大转矩maxT表达式为：2maxmaxmax0(cossin)(7)21.15DaCArTmgfmgviααη≥++3.2传动比设计汽车的传动系有两个功能：第一是把驱动电机输出轴上的转矩按总传动比放大，传送至驱动轮上；第二是把驱动电机的转速按总传动比缩小，转换成相应的车速；考虑传动效率就能得到功率守恒。电动汽车传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的积，即0tgiii=⋅，传动系的总传动比上限可以根据下式确定，maxmax0.377(8)mtanriv≤传动系总传动比ti的下限可以有这两种确定方式；(a)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：maxmax(9)vtvFriTη≥其中，为电动机最高转速时的输出扭矩，Nm；maxvF最高车速时的行驶阻力，N。且2maxmaxmaxmax21.15(10)9549DvaevmCAFmgfvPTn⎧=+⎪⎪⎨⎪=⎪⎩(b)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：maxmax(11)tFriTααη≥其中，maxFα最大爬坡度时的行驶阻力，N；maxvT为机最大输出扭矩，Nm，且2maxmaxmaxmax(cossin)(12)21.15DvaCAFmgfvαα=++变速器传动比gi由电动汽车的最大爬坡度maxα和电机的最大转矩maxT确定,即:maxmaxmax0(cossin)(13)gmgfriTiααη+≥3.3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。电池数目的确定有两种方法：(a)由最大功率选择电池数目maxmax(14)ebeecPNPηη=其中：maxbP为电池最大输出功率，eη为电动机工作效率，ecη为电机控制器工作效率。(b)由续驶里程选择电池数目1000(15)rILWNCV=其中：L为电动汽车续驶里程，km；W为电动汽车行驶1km所消耗的能量，kw；IV为单节电池电压，v；rC为单节电池额定容量，Ah。以上两种方法中，较大者即为所求[5][6][7]。4．计算实例要设计一个电动汽车的动力传动系统，已知的相关参数是这样的：汽车的总质量是1500kg，迎风面积是2.52m，车轮半径是0.3m，滚动阻力系数是0.015，空气阻力系数是0.4，传动效率是0.92。整车的动力性能指标设计要求：(1)最高车速maxav≥120/kmh；(2)最大爬坡度maxi≥30%；(3)续驶里程s≥100km；(4)起步换挡由静止全力加速到100/kmh的加速时间ft≤10s。当车辆在爬坡时，车速是50/kmh，汽车旋转质量换算系数δ取1.3。设计过程如下：4.1电机的功率设计时汽车的最高转速是maxav≥120/kmh，根据公式(5)，可以估算所需电机的额定功率32.7ePkw≥；汽车的瞬时功率是满足爬坡时的动力性能要求，已知汽车的最大爬坡度maxi≥30%，即max16.7α°≥，且在爬坡时的车速是50/kmh，根据公式(6)，估算电机的瞬时功率max71.6ePkw≥；根据以上计算的结果，选额定功率为45kw的永磁无刷直流电机，其主要的技术参数如下：额定功率为45kw(3500/minr)，峰值功率为100kw(3500/minr)，额定转矩123Nm,峰值转矩260Nm，最高转速是7500/minr，电动机的工作效率为92%。4.2传动比的设计电动汽车在最高车速行驶时，以最小传动比的档位行驶，在最大爬坡时以最大传动比的档位行驶。最小传动比的档位为直接档，即1gi=。主减速器的传动比0i的上限根据公式(8)来确定，计算得07.07i≤现在来确定当变速器传动比1gi=时，主减速器的传动比0i的下限值。根据式(9)、式(10)可以得到主减速器的传动比04.1i≥；根据式(11)、式(12)可以得到主减速器的传动比05.7i≥；综上所述，选择主减速器传动比06.0i=。为了验证设计的合理性，现在来验证当主减速器06.0i=时，最高车速和加速时间是否能够满足要求。(a)最高车速校核根据maxmax0maxmaxmaxmax02maxmax0.377()()()()21.15ammmtmatmegaDavrninnFnFvFnTiirFvmgfCAvη⎧≤⎪≤⎪⎪≥⎨⎪=⎪⎪=+⎩∑∑计算得max141/avkmh≤；(b)加速时间校核加速时间以车速从零加速到最高车速所需时间来计算，根据max2020max00max013.621.1513.621.150.377,,9549(0.377)rmarmvfatDavavtDarmegarmtvgrmavemamtdvFmgfCAvmdvFmgfCAvvnriTiirvvFTiirvvvTPnnvirδδηη⎧=⎪−−⎪⎪+⎪−−⎪⎪=⎨⎪≤⎧⎪⎪=⎨≤≤⎪⎪⎩⎪=⎪⎪=⎩∫∫计算得加速时间9fts≤；以上计算结果表明，主减速器传动比06.0i=满足最高车速和加速时间的要求。现在来验证汽车在最低档时，是否满足爬坡要求，根据22max0tantanarcsin(()1)arctan()21.1550/DtatgaCAiFvmgffFTiirvkmhαη⎧⎡⎤==−+−⎪⎢⎥⎣⎦⎪⎪=⎨⎪=⎪⎪⎩得max50%i；从而说明汽车在最低档位满足爬坡的技术要求。所以，以上设计符合要求。4.3电池数目的确定选用的蓄电池基本参数如下：电池最大输出功率为5kw，单节电池的电压为12V，单节电池的额定容量为80Ah，电动汽车行驶1km所消耗的能量为0.2kwh⋅；另外电动机控制器工作效率为90%。根据式(14)计算得24.1N=，根据式(15)计算得20.8N=，综合上述选25节此类型的电池。通过以上例子和前面的阐述，电动汽车动力传动系统设计的流程图如图2所示。总结○1对电动汽车的动力性能进行分析，提出电动汽车动力性能三个技术指标，最高车速、加速时间和最大爬坡度，并给出相应的计算公式；○2在此基础上研究电动汽车动力系统的设计理论，给出电机选择、传动比设计和电池容量选择的条件和计算公式；○3通过实例计算来验证设计的合理性，最后给出传动系设计流程图。“TheStateoftheArtofElectricandHybridVehicles”,InvitedPaper,ProceedingsofIEEE,Vol.90,No2,February2002,pp.247-275.2.何洪文，余晓江，孙逢春.电动车辆设计中的匹配理论研究.北京理工大学学报.Vol.22,No.6,Dec.2002.pp.704~706.3.任国军，杨久青.电动汽车动力性能分析与计算.汽车科技第3期，2006年5月.pp.18~20.4.陈志雄,钟绍华.基于Advisor的纯电动汽车动力性能仿真.上海汽车.2008,1.pp.8~11.5.翟丽，孙逢春.电动轿车机电传动系统的匹配计算与仿真.北京理工大学学报.Vol.27,No.10,Oct.2007.pp.869~873.6.李军求等.BFC6100-EV电动大客车动力传动系统参数设计.北京理工大学学报.Vol.24,No.4.Apr,20