電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)

1、場(chǎng)地電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(蘭州工業(yè)學(xué)院汽電)摘要: 根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求, 考慮到動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)共振的危害, 結(jié)合傳動(dòng)系統(tǒng)頻率匹配, 提出了電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算方法。以某公司電動(dòng)汽車機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)為例, 在 A DV ISOR 軟件中建立整車模型, 進(jìn)行循環(huán)工況下動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能仿真分析。通過(guò)仿真和試驗(yàn)可知, 該車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均能滿足設(shè)計(jì)要求且動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有共振產(chǎn)生, 驗(yàn)證了匹配的可行性。關(guān) 鍵 詞: 電動(dòng)汽車; 動(dòng)力性; 匹配; 頻率M atching of Param eters of Power Transm ission for E lectric V ehiclesX

2、UE 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 tra in fo r e

3、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 econom ic pe r

4、fo 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 as ver ified.

5、K ey words: e lectr ic car; dynam ic per fo rm ance; m atch ing;frequency由于環(huán)境污染、能源匱乏等問(wèn)題, 電動(dòng)汽車日益受到各國(guó)汽車業(yè)界的重視, 但續(xù)駛里程嚴(yán)重制約了電動(dòng)汽車的推廣。因此, 近年來(lái)關(guān)于純電動(dòng)汽車的研究主要集中在動(dòng)力電池等能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方面。在這些技術(shù)取得有效突破前, 對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件進(jìn)行合理選擇和匹配將是提高電動(dòng)汽車性能的重要手段之一 1 - 2 。結(jié)合某廠純電動(dòng)汽車的研發(fā), 對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì), 利用階次分析法對(duì)其零部件的工作頻率進(jìn)行分析, 從而避免共振, 使整車在達(dá)到動(dòng)

6、力性和經(jīng)濟(jì)性要求的基礎(chǔ)上滿足舒適性要求。1 電動(dòng)汽車動(dòng)力性要求及分析電動(dòng)汽車動(dòng)力性主要由 3 個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)定 3 : 汽車的最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。動(dòng)力性要求及整車參數(shù)如表 1。表 1 動(dòng)力性要求及整車參數(shù)Tab. 1D ynam ic requirem ents and overa ll param eters類別參數(shù)值最高車速 v/( km h- 1 )50m ax加速時(shí)間 tf / s15最大爬坡度 ( 30 km /h) /%1535 km /h 勻速行駛續(xù)駛里程 /km100工況行駛續(xù)駛里程 / km60滿載質(zhì)量 m /kg1 000迎風(fēng)面積 A /m 21. 82電機(jī)的選擇2

7、. 1功率的確定1)根據(jù)最高車速確定電機(jī)額定功率 4 :P e1mgfCD A 3( 1)T3 600vmax +76 140vmax2)根據(jù)最大爬坡度確定電機(jī)峰值功率:1m gf cos mCD A 3Pfva +va+T3 60076 140收稿日期: 2010- 11- 11; 修訂日期: 2010- 12- 01作者簡(jiǎn)介: 薛念文 ( 1960- ), 男, 江蘇鎮(zhèn)江人, 教授, 主要從事汽車動(dòng)力學(xué)及其控制技術(shù)、汽車維修檢測(cè)技術(shù)等方面的研究。E - m ai:l xnw u js. edu. cn。m g sinm( 2)va36002. 2電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的確定電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)電動(dòng)機(jī)成本

8、、制造工藝和傳動(dòng)系尺寸有很大影響。轉(zhuǎn)速在 6 000 r/m in以上為高速電機(jī), 以下為普通電機(jī)。前者成本高、制造工藝復(fù)雜且對(duì)配套使用的軸承、齒輪等有特殊要求, 適用于 100 kW 以上的大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī), 因此應(yīng)采用最高轉(zhuǎn)速小于 6 000 r/m in 的低速電機(jī) 5 。2. 3 電動(dòng)機(jī)匹配結(jié)果綜合以上計(jì)算結(jié)果和分析, 經(jīng)過(guò)調(diào)研市場(chǎng)上現(xiàn)有的電機(jī)產(chǎn)品性能參數(shù), 本車最終選擇某公司直流無(wú)刷電機(jī), 具體參數(shù)如表 2。表 2電機(jī)參數(shù)Tab. 2M otor pa ram eters類別參數(shù)值類別參數(shù)值電機(jī)類型直流無(wú)基速 /2 800刷式( r m in- 1 )峰值轉(zhuǎn)矩 /(Nm )70額定電壓

9、 / V72額定轉(zhuǎn)矩 /(Nm )19峰值功率 / kW15最高轉(zhuǎn)速 /( r m in- 1 )4 000額定功率 / kW53 電池組的確定電池組容量的選擇主要考慮車輛行駛時(shí)的最大輸出功率和電動(dòng)汽車最大續(xù)駛里程所消耗的能量,筆者綜合考慮各種電池的性能并借鑒國(guó)內(nèi)外各汽車公司的使用經(jīng)驗(yàn), 選用鋰離子電池。1)由最大功率確定電池組數(shù)目 6 :ne=P( 3)P b max e式中: P b max為電池最大輸出功率, kW;e 為電動(dòng)機(jī)及其控制器工作效率。2)由續(xù)駛里程確定電池組數(shù)目nL=1 000LW( 4)C sV sN式中: L 為續(xù)駛里程, km; W 為電動(dòng)汽車行駛 1 km 消耗的能

10、量, kW; Cs 為單個(gè)電池的容量, A h; Vs 為單個(gè)電池的電壓, V。根據(jù)上述計(jì)算及對(duì)市場(chǎng)的實(shí)際考察, 本車選取某廠鋰離子電池 4組 24節(jié), 具體參數(shù)如表 3。表 3 電池參數(shù)Tab. 3Battery param eters速。對(duì)于固定速比變速傳動(dòng), 電動(dòng)機(jī)要既能在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩, 又能在恒功率區(qū)提供較高的運(yùn)行速度?？勺兯俦三X輪變速傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)為:低檔位得到較高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩, 高檔位得到較高行駛速度, 但質(zhì)量及體積大、成本高、可靠性低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前電動(dòng)車的一大特點(diǎn)是盡量減輕整車質(zhì)量, 提高續(xù)駛里程, 所以本車選擇固定速比。4. 1傳動(dòng)比上限的確定 7傳動(dòng)比的上限由電動(dòng)機(jī)最

11、高轉(zhuǎn)速和最高行駛速度決定:i0 #0. 377nmax r( 5)vmax式中: nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速, r /m in; vmax為汽車最高車速,km /h; r 為車輪半徑, m。4. 2傳動(dòng)比下限的確定1)由電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩和行駛阻力確定傳動(dòng)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為最高車速時(shí)行駛阻力, N; T u max為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩, N m。2)由電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩、最大爬坡度對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定傳動(dòng)系速比下限:i0F i max rT i

12、m axF i max= Ff+ Fw+ F iFf= m gf rco sm( 7)Fw =CD Ava221. 15F i= m g sin m4. 3根據(jù)齒輪齒數(shù)選擇傳動(dòng)比傳動(dòng)比的大小取決于齒輪的齒數(shù)比, 因此在選擇傳動(dòng)比時(shí)要考慮各齒輪齒數(shù)的大小。齒輪齒數(shù)的選擇要注意以下幾點(diǎn):1)齒數(shù)互質(zhì)。若齒輪齒數(shù)比可以整除, 會(huì)形成周期性接觸, 易導(dǎo)致齒輪失效, 增大傳遞過(guò)程中的振類別參數(shù)值類別參數(shù)值動(dòng), 降低齒輪的傳遞效率和使用壽命, 因此大小齒輪電池組型號(hào)100AH電壓 / V72齒數(shù)最好互質(zhì)。單位尺寸 / mm50 ! 160 ! 282推薦電機(jī)控制器2)避免根切。根切會(huì)削弱輪齒的抗彎強(qiáng)度,

13、降單體重量 / g3 500 ? 20欠壓保護(hù)值 / V63低齒輪傳動(dòng)的合度, 這對(duì)傳動(dòng)是十分不利的, 因此齒4 傳動(dòng)比的確定輪齒數(shù)應(yīng)大于不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)通常分為固定速比和可變速比齒輪減3)使用壽命。齒輪齒數(shù)會(huì)影響其使用壽命, 因此要對(duì)齒輪壽命進(jìn)行校核。根據(jù)上述計(jì)算和齒輪齒數(shù)選擇的要求對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行二次選擇, 本車初步選擇單擋二級(jí)傳動(dòng), 傳動(dòng)比為 6. 8。5 頻率匹配5. 1頻率匹配的作用汽車行駛時(shí), 由電機(jī)、傳動(dòng)系等旋轉(zhuǎn)部件激發(fā)的汽車振動(dòng)會(huì)增大車內(nèi)噪聲影響車輛的乘坐舒適性,如有共振產(chǎn)生還會(huì)造成零部件的疲勞, 降低其使用壽命, 因此在進(jìn)行動(dòng)力匹配時(shí)應(yīng)對(duì)其零部件的工作頻率進(jìn)行匹配,

14、 以免引起共振。5. 2 階次跟蹤分析傳統(tǒng)的頻譜分析, 僅用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析處理,階次跟蹤分析是針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析方法。汽車各零部件的工作頻率均與車輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān), 由于轉(zhuǎn)速很難保持穩(wěn)定, 用傳統(tǒng)頻譜分析方法分析, 會(huì)產(chǎn)生頻率的混疊, 難以分析主要噪聲源 8 。階次分析方法采用的是角域采樣理論, 在汽車加速或減速過(guò)程中, 對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行恒角度增量測(cè)量, 此時(shí)時(shí)域的非穩(wěn)態(tài)信號(hào)在角度域是穩(wěn)態(tài)信號(hào), 對(duì)其進(jìn)行 FFT 變換, 便得到階次譜, 圖 1為階次跟蹤分析流程 9 。圖 1 階次跟蹤分析流程F ig. 1Order ana lysis process5. 3 根據(jù)階次跟蹤分析進(jìn)

15、行頻率匹配傳動(dòng)系統(tǒng)的工作頻率主要包括旋轉(zhuǎn)件工作頻率和齒輪嚙合工作頻率, 如半軸沖擊頻率、輪轂軸承沖擊頻率、差速器工作頻率、變速器工作頻率和電機(jī)工作頻率等。采用階次跟蹤分析法, 以車輪轉(zhuǎn)速為基頻, 根據(jù)以下公式計(jì)算各零部件的階次:5. 3. 1電機(jī)電磁噪聲極對(duì)數(shù)為 p 的轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周, 定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)交換 p 次, 因此電機(jī)供電頻率為:f 1 =ipn( 8)60式中: p 為極對(duì)數(shù); n為車輪轉(zhuǎn)速; i 為傳動(dòng)比。主波磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向力波為:Pr1 = P 0 + P1( 9)式中: P0 為徑向力的不變部分; P1 為徑向力波的交變部分。P 1 = P 0 cos( 2p- 2!1

16、 t - 2 0 )( 10)這個(gè)力波的角頻率是 2!1, 即 2倍的電源頻率,它使定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生 2倍電源頻率的振動(dòng)與噪聲。所以磁極徑向磁拉力脈動(dòng)聲的頻率為:f2=ipn( 11)30齒諧波噪聲的頻率:ii諧 Q( 12)f3=n60式中: i諧 為諧波次數(shù); Q 為齒槽數(shù); n為轉(zhuǎn)速。5. 3.2電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡噪聲轉(zhuǎn)子不平衡噪聲是轉(zhuǎn)子和軸不同心或動(dòng)不平衡造成, 可產(chǎn)生偏心磁場(chǎng), 其基頻為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率:f5=in( 13)5. 3.3其他噪聲源除了電機(jī)產(chǎn)生的噪聲源, 其他與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源一致。包含風(fēng)扇產(chǎn)生的共鳴聲和渦流聲, 軸承噪聲, 傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪嚙合噪聲, 齒輪固有振動(dòng)噪聲, 輪胎噪聲和

17、車身板件振動(dòng)噪聲等。5. 3. 4 階次計(jì)算根據(jù)上述公式對(duì)選定傳動(dòng)比進(jìn)行驗(yàn)證, 如有零部件階次太過(guò)接近, 則有共振趨勢(shì), 需要對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行再次選擇, 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 4。表 4 主要噪聲源對(duì)應(yīng)階次Tab. 4Orders of the m ain no ise sources編號(hào)名 稱階次1電機(jī)供電頻率642徑向磁拉力脈動(dòng)聲的頻率12431次齒諧波頻率16242次齒諧波頻率3245電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量6. 36電機(jī)風(fēng)扇共鳴頻率387電機(jī)風(fēng)扇 2次共鳴頻率868減速器第 2級(jí)齒輪嚙合749減速器第 1級(jí)齒輪嚙合14610差速器支承軸承9由表 4可知, 各零部件階次不接近, 不會(huì)引起共振, 由此可知以

18、上匹配可以滿足上述各項(xiàng)要求。6 電動(dòng)汽車動(dòng)力性仿真及驗(yàn)證6. 1電動(dòng)汽車動(dòng)力性能仿真根據(jù)上述選擇的電機(jī)、電池及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù), 應(yīng)用電動(dòng)汽車仿真軟件 ADV ISOR 2002, 建立電動(dòng)汽車仿真模型, 并使其在 CYC _ECE 工況下運(yùn)行, 仿真結(jié)果如圖 2、圖 3。通過(guò)在 CYC _ECE 工況下的循環(huán)仿真, 得到表 5 結(jié)論。表 5 CYC _ECE 工況下仿真結(jié)論Tab. 5Sim ula tion resu lt o f CYC_ECE wo rking cond ition仿真內(nèi)容仿真結(jié)果最大車速 /( km h- 1 )58.90 50 km /h 加速時(shí)間 / s10.4最大爬

19、坡度36 km /h爬15% 的坡CYC _ECE 工況最大續(xù)駛里程 / km626. 2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)是驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配是否合理最根本的方法。根據(jù)上述匹配結(jié)果, 對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行設(shè)計(jì), 并在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)功機(jī)上, 對(duì)其動(dòng)力性、續(xù)駛里程和傳動(dòng)系頻率進(jìn)行試驗(yàn), 結(jié)果如圖 4 圖 6。圖 4 電機(jī)加速度均方根值與電機(jī)頻率的關(guān)系F ig. 4 R elationsh ip between root m ean square value o fm otor acceleration and m otor frequency根據(jù)圖 4 圖 6可知, 電機(jī)、主減速器、差速器在各頻率下的幅值都很小, 沒(méi)有共

20、振現(xiàn)象發(fā)生。本車在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的動(dòng)力性能試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖 8。本車動(dòng)力性能如表 6。圖 7 最高車速試驗(yàn)速度與時(shí)間的關(guān)系Fig. 7Relationship betw een speed and tim e in m ax im um speed test表 6轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)結(jié)論Tab. 6Tum bler test result試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)論最大車速 /( km h- 1 )55.80 50 km /h加速時(shí)間 / s14.6最大爬坡度 / %33. 6km /h爬 15% 坡工況最大續(xù)駛里程 /km60.8圖 8 最大爬坡度試驗(yàn)速度與時(shí)間的關(guān)系F ig. 8R elationship betw

21、een speed and tim e in m axim um grade test由動(dòng)力性能、最大續(xù)駛里程試驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)比分析可知, 汽車的最大車速、加速時(shí)間與最大爬坡度都基本吻合, 且滿足動(dòng)力性要求。試驗(yàn)中, 電動(dòng)汽車起步時(shí)需克服轉(zhuǎn)鼓的靜摩擦力帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓, 所以加速時(shí)間比較長(zhǎng), 因此可以認(rèn)為在 ADV ISOR 中建立的模型與實(shí)際基本相符。7 結(jié)論電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及合理匹配對(duì)其性能影響很大。筆者以某電動(dòng)汽車為例, 對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配?？紤]到系統(tǒng)共振的危害, 利用階次分析法對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)零部件工作頻率進(jìn)行分析, 得到滿足動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性要求的匹配方式, 利用仿真

22、軟件 ADV ISOR 對(duì)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析。根據(jù)實(shí)車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能與傳動(dòng)系統(tǒng)工作頻率的實(shí)驗(yàn)可知, 該車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)楣舱褚鹫駝?dòng)噪聲, 其最高車速、最大爬坡度、加速性能及續(xù)駛里程等動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn) ( R eferences) : 1朱正禮, 殷承良, 張建武. 基于遺傳算法的純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成參數(shù)優(yōu)化 J . 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 38 ( 11 ): 1907 - 1912.ZHU Zheng- l,i YIN Cheng- liang, ZHANG J ian - wu. Genetic algorithm based op tim i

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