电动汽车动力传动系统参数的匹配设计

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ADVISOR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MatchingofParametersofPowerTransmissionforElectricVehiclesXUENianwen,GAOFe,iXUXing,GONGXin(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,Jiangsu,China)Abstract:Accordingtoelectricvehicledynamicrequirementsandthedisadvantagesofsystemresonance,amatchingmethodofpowertrainforelectricvehicleswasputforwardbasedonfrequencymatchingofdrivetrainsystem.Takingmechanicalandelectricaldrivesystemforanelectriccarasanexample,softwareADVISORwasemployedtoconductsimulationanalysisofdrivecycleofthedynamicandeconomicperformance;theresultwasinaccordancewithactualdata.Boththesimulationresultandtestdataindicatedthatdynamicandeconomicperformanceofthevehiclecouldmeettherequirements;therewasnoresonanceofthepowertrainsystem;feasibilitymatchmethodwasverified.Keywords:electriccar;dynamicperformance;matching;frequency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.1Dynamicrequirementsandoverallparameters类别参数值最高车速v/(kmh-1)50max加速时间tf/s15最大爬坡度(30km/h)/%1535km/h匀速行驶续驶里程/km100工况行驶续驶里程/km60满载质量m/kg1000迎风面积A/m21.82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]:Pe1mgfCDA3(1)T3600vmax+76140vmax2)根据最大爬坡度确定电机峰值功率:1mgfcosmCDA3Pfva+va+T360076140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-mai:[e-mail]。mgsinm(2)va36002.2电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6000r/min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100kW以上的大功率驱动电机,因此应采用最高转速小于6000r/min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.2Motorparameters类别参数值类别参数值电机类型直流无基速/2800刷式(rmin-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/(rmin-1)4000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)Pbmaxe式中:Pbmax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=1000LW(4)CsVsN式中:L为续驶里程,km;W为电动汽车行驶1km消耗的能量,kW;Cs为单个电池的容量,Ah;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.3Batteryparameters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#0.377nmaxr(5)vmax式中:nmax为电机最高转速,r/min;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:i0FumaxrTumaxFumax=Ff+Fw(6)Ff=mgfrCDAFw=va221.15式中:Fumax为最高车速时行驶阻力,N;Tumax为电机最大转速对应转矩,Nm。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动系速比下限:i0FimaxrTimaxFimax=Ff+Fw+FiFf=mgfrcosm(7)Fw=CDAva221.15Fi=mgsinm4.3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2)避免根切。根切会削弱轮齿的抗弯强度,降单体重量/g3500?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Fig.1Orderanalysisprocess5.3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:f1=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=P0+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。P1=P0cos(2p-2!1t-20)(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.4Ordersofthemainnoisesources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ADVISOR2002,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5CYC_ECE工况下仿真结论Tab.5SimulationresultofCYC_ECEworkingcondition仿真内容仿真结果最大车速/(kmh-1)58.90~50km/h加速时间/s10.4最大爬坡度36km/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Fig.4Relationshipbetweenrootmeansquarevalueofmotoraccelerationandmotorfrequency根据图4~图6可知,电机、主减速器、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