電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數的匹配設計

1、場地電動汽車動力傳動系統(tǒng)設計(蘭州工業(yè)學院汽電)摘要: 根據電動汽車動力性能要求, 考慮到動力傳動系統(tǒng)共振的危害, 結合傳動系統(tǒng)頻率匹配, 提出了電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數匹配計算方法。以某公司電動汽車機電傳動系統(tǒng)為例, 在 A DV ISOR 軟件中建立整車模型, 進行循環(huán)工況下動力經濟性能仿真分析。通過仿真和試驗可知, 該車動力性和經濟性均能滿足設計要求且動力傳動系統(tǒng)沒有共振產生, 驗證了匹配的可行性。關 鍵 詞: 電動汽車; 動力性; 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、能源匱乏等問題, 電動汽車日益受到各國汽車業(yè)界的重視, 但續(xù)駛里程嚴重制約了電動汽車的推廣。因此, 近年來關于純電動汽車的研究主要集中在動力電池等能量存儲系統(tǒng)和電驅動系統(tǒng)的開發(fā)方面。在這些技術取得有效突破前, 對純電動汽車動力傳動系統(tǒng)部件進行合理選擇和匹配將是提高電動汽車性能的重要手段之一 1 - 2 。結合某廠純電動汽車的研發(fā), 對動力傳動系統(tǒng)參數進行設計, 利用階次分析法對其零部件的工作頻率進行分析, 從而避免共振, 使整車在達到動

6、力性和經濟性要求的基礎上滿足舒適性要求。1 電動汽車動力性要求及分析電動汽車動力性主要由 3 個指標來評定 3 : 汽車的最高車速、加速時間和最大爬坡度。動力性要求及整車參數如表 1。表 1 動力性要求及整車參數Tab. 1D ynam ic requirem ents and overa ll param eters類別參數值最高車速 v/( km h- 1 )50m ax加速時間 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滿載質量 m /kg1 000迎風面積 A /m 21. 82電機的選擇2

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

8、、制造工藝和傳動系尺寸有很大影響。轉速在 6 000 r/m in以上為高速電機, 以下為普通電機。前者成本高、制造工藝復雜且對配套使用的軸承、齒輪等有特殊要求, 適用于 100 kW 以上的大功率驅動電機, 因此應采用最高轉速小于 6 000 r/m in 的低速電機 5 。2. 3 電動機匹配結果綜合以上計算結果和分析, 經過調研市場上現有的電機產品性能參數, 本車最終選擇某公司直流無刷電機, 具體參數如表 2。表 2電機參數Tab. 2M otor pa ram eters類別參數值類別參數值電機類型直流無基速 /2 800刷式( r m in- 1 )峰值轉矩 /(Nm )70額定電壓

9、 / V72額定轉矩 /(Nm )19峰值功率 / kW15最高轉速 /( 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的最大輸出功率和電動汽車最大續(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內外各汽車公司的使用經驗, 選用鋰離子電池。1)由最大功率確定電池組數目 6 :ne=P( 3)P b max e式中: P b max為電池最大輸出功率, kW;e 為電動機及其控制器工作效率。2)由續(xù)駛里程確定電池組數目nL=1 000LW( 4)C sV sN式中: L 為續(xù)駛里程, km; W 為電動汽車行駛 1 km 消耗的能

10、量, kW; Cs 為單個電池的容量, A h; Vs 為單個電池的電壓, V。根據上述計算及對市場的實際考察, 本車選取某廠鋰離子電池 4組 24節(jié), 具體參數如表 3。表 3 電池參數Tab. 3Battery param eters速。對于固定速比變速傳動, 電動機要既能在恒轉矩區(qū)提供較高的瞬時轉矩, 又能在恒功率區(qū)提供較高的運行速度?？勺兯俦三X輪變速傳動的優(yōu)點為:低檔位得到較高啟動轉矩, 高檔位得到較高行駛速度, 但質量及體積大、成本高、可靠性低、結構復雜。目前電動車的一大特點是盡量減輕整車質量, 提高續(xù)駛里程, 所以本車選擇固定速比。4. 1傳動比上限的確定 7傳動比的上限由電動機最

11、高轉速和最高行駛速度決定:i0 #0. 377nmax r( 5)vmax式中: nmax為電機最高轉速, r /m in; vmax為汽車最高車速,km /h; r 為車輪半徑, m。4. 2傳動比下限的確定1)由電動機最大轉速下輸出轉矩和行駛阻力確定傳動系速比下限:i0F u max rT u maxF u m ax= Ff + Fw( 6)Ff = m gf rCD AFw =va221. 15式中: Fu max為最高車速時行駛阻力, N; T u max為電機最大轉速對應轉矩, N m。2)由電動機最大輸出轉矩、最大爬坡度對應的行駛阻力確定傳動系速比下限: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根據齒輪齒數選擇傳動比傳動比的大小取決于齒輪的齒數比, 因此在選擇傳動比時要考慮各齒輪齒數的大小。齒輪齒數的選擇要注意以下幾點:1)齒數互質。若齒輪齒數比可以整除, 會形成周期性接觸, 易導致齒輪失效, 增大傳遞過程中的振類別參數值類別參數值動, 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100AH電壓 / V72齒數最好互質。單位尺寸 / mm50 ! 160 ! 282推薦電機控制器2)避免根切。根切會削弱輪齒的抗彎強度,

13、降單體重量 / g3 500 ? 20欠壓保護值 / V63低齒輪傳動的合度, 這對傳動是十分不利的, 因此齒4 傳動比的確定輪齒數應大于不產生根切的最少齒數。傳動系統(tǒng)通常分為固定速比和可變速比齒輪減3)使用壽命。齒輪齒數會影響其使用壽命, 因此要對齒輪壽命進行校核。根據上述計算和齒輪齒數選擇的要求對傳動比進行二次選擇, 本車初步選擇單擋二級傳動, 傳動比為 6. 8。5 頻率匹配5. 1頻率匹配的作用汽車行駛時, 由電機、傳動系等旋轉部件激發(fā)的汽車振動會增大車內噪聲影響車輛的乘坐舒適性,如有共振產生還會造成零部件的疲勞, 降低其使用壽命, 因此在進行動力匹配時應對其零部件的工作頻率進行匹配,

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)信號的分析處理,階次跟蹤分析是針對旋轉機械非穩(wěn)態(tài)信號的分析方法。汽車各零部件的工作頻率均與車輪的轉速、發(fā)動機轉速相關, 由于轉速很難保持穩(wěn)定, 用傳統(tǒng)頻譜分析方法分析, 會產生頻率的混疊, 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程中, 對轉軸進行恒角度增量測量, 此時時域的非穩(wěn)態(tài)信號在角度域是穩(wěn)態(tài)信號, 對其進行 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 根據階次跟蹤分析進

15、行頻率匹配傳動系統(tǒng)的工作頻率主要包括旋轉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工作頻率等。采用階次跟蹤分析法, 以車輪轉速為基頻, 根據以下公式計算各零部件的階次:5. 3. 1電機電磁噪聲極對數為 p 的轉子每旋轉一周, 定子繞組感應電動勢也相應交換 p 次, 因此電機供電頻率為:f 1 =ipn( 8)60式中: p 為極對數; n為車輪轉速; i 為傳動比。主波磁場產生的徑向力波為: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)這個力波的角頻率是 2!1, 即 2倍的電源頻率,它使定、轉子產生 2倍電源頻率的振動與噪聲。所以磁極徑向磁拉力脈動聲的頻率為: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; Q 為齒槽數; n為轉速。5. 3.2電機轉子不平衡噪聲轉子不平衡噪聲是轉子和軸不同心或動不平衡造成, 可產生偏心磁場, 其基頻為轉子轉動頻率:f5=in( 13)5. 3.3其他噪聲源除了電機產生的噪聲源, 其他與傳統(tǒng)發(fā)動機的噪聲源一致。包含風扇產生的共鳴聲和渦流聲, 軸承噪聲, 傳動系統(tǒng)齒輪嚙合噪聲, 齒輪固有振動噪聲, 輪胎噪聲和

17、車身板件振動噪聲等。5. 3. 4 階次計算根據上述公式對選定傳動比進行驗證, 如有零部件階次太過接近, 則有共振趨勢, 需要對傳動比進行再次選擇, 計算結果見表 4。表 4 主要噪聲源對應階次Tab. 4Orders of the m ain no ise sources編號名 稱階次1電機供電頻率642徑向磁拉力脈動聲的頻率12431次齒諧波頻率16242次齒諧波頻率3245電機轉子不平衡質量6. 36電機風扇共鳴頻率387電機風扇 2次共鳴頻率868減速器第 2級齒輪嚙合749減速器第 1級齒輪嚙合14610差速器支承軸承9由表 4可知, 各零部件階次不接近, 不會引起共振, 由此可知以

18、上匹配可以滿足上述各項要求。6 電動汽車動力性仿真及驗證6. 1電動汽車動力性能仿真根據上述選擇的電機、電池及傳動系統(tǒng)參數, 應用電動汽車仿真軟件 ADV ISOR 2002, 建立電動汽車仿真模型, 并使其在 CYC _ECE 工況下運行, 仿真結果如圖 2、圖 3。通過在 CYC _ECE 工況下的循環(huán)仿真, 得到表 5 結論。表 5 CYC _ECE 工況下仿真結論Tab. 5Sim ula tion resu lt o f CYC_ECE wo rking cond ition仿真內容仿真結果最大車速 /( km h- 1 )58.90 50 km /h 加速時間 / 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 實驗驗證試驗是驗證動力系統(tǒng)參數匹配是否合理最根本的方法。根據上述匹配結果, 對電動車進行設計, 并在轉鼓試驗臺和測功機上, 對其動力性、續(xù)駛里程和傳動系頻率進行試驗, 結果如圖 4 圖 6。圖 4 電機加速度均方根值與電機頻率的關系F ig. 4 R elationsh ip between root m ean square value o fm otor acceleration and m otor frequency根據圖 4 圖 6可知, 電機、主減速器、差速器在各頻率下的幅值都很小, 沒有共

20、振現象發(fā)生。本車在轉鼓實驗臺上的動力性能試驗結果如圖7、圖 8。本車動力性能如表 6。圖 7 最高車速試驗速度與時間的關系Fig. 7Relationship betw een speed and tim e in m ax im um speed test表 6轉鼓實驗結論Tab. 6Tum bler test result試驗項目結論最大車速 /( km h- 1 )55.80 50 km /h加速時間 / 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 最大爬坡度試驗速度與時間的關系F ig. 8R elationship betw

21、een speed and tim e in m axim um grade test由動力性能、最大續(xù)駛里程試驗及仿真結果對比分析可知, 汽車的最大車速、加速時間與最大爬坡度都基本吻合, 且滿足動力性要求。試驗中, 電動汽車起步時需克服轉鼓的靜摩擦力帶動轉鼓, 所以加速時間比較長, 因此可以認為在 ADV ISOR 中建立的模型與實際基本相符。7 結論電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數設計及合理匹配對其性能影響很大。筆者以某電動汽車為例, 對其動力傳動系統(tǒng)參數進行匹配。考慮到系統(tǒng)共振的危害, 利用階次分析法對動力傳動系統(tǒng)零部件工作頻率進行分析, 得到滿足動力性、經濟性和舒適性要求的匹配方式, 利用仿真

22、軟件 ADV ISOR 對整車動力性和經濟性進行仿真分析。根據實車動力經濟性能與傳動系統(tǒng)工作頻率的實驗可知, 該車動力傳動系統(tǒng)不會因為共振引起振動噪聲, 其最高車速、最大爬坡度、加速性能及續(xù)駛里程等動力經濟性能指標均符合設計要求。參考文獻 ( R eferences) : 1朱正禮, 殷承良, 張建武. 基于遺傳算法的純電動汽車動力總成參數優(yōu)化 J . 上海交通大學學報, 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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24、真研究 D . 合肥: 合肥工業(yè)大學, 2007. 4姬芬竹, 高 峰. 電動汽車驅動電機和傳動系統(tǒng)的參數匹配 J . 華南理工大學學報: 自然科學版, 2006, 34( 4 ): 33- 37.JI Fen- zhu, GAO Feng. M atch ing of m otor and pow ertrain param eters of electric veh icle J . Jou rnal of S outh Ch in a Un iversityofT echnology: S cien ce E dition, 2006, 34 ( 4): 33- 37. 5王玨童. 純電動客車動力傳動系參數匹配及整車性能研究 D . 長春: 吉林大學, 2008.