纯电动汽车驱动系统设计及性能仿真

高树健，陈丁跃

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

纯电动汽车驱动系统设计及性能仿真

高树健，陈丁跃

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

以某款普及型轿车为改装对象，对纯电动汽车系统进行了设计.根据设计目标对其动力参数进行了理论计算，并对驱动装置合理选型.利用电动汽车仿真软件ADVISOR建立了该电动汽车模型，最后进行了动力性能仿真.仿真结果表明：设定动力参数合理，电动汽车能良好运行，达到了预期期望.

纯电动汽车；驱动系统；动力参数；性能仿真

随着环境污染的加剧和资源的日益短缺，纯电动汽车（EV）成为当前研制取代内燃机汽车的首选车型，前景广阔.我国的纯电动汽车大都建立在改装车基础上，目前电动汽车存在的主要问题是动力电池成本高和续驶里程不理想.对驱动系统进行合理设计，是提高电动汽车的动力性能和增加续驶里程的有效手段.

电动汽车仿真软件ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator，简称ADVISOR）在电动汽车的设计中具有重要作用，在提高汽车性能的同时还可以缩短设计周期，降低开发成本.本文通过理论方法设计了某电动汽车驱动系统并利用ADVISOR对其进行仿真验证，实现了提高电动汽车动力性能和续驶里程的目标.

1 驱动系统基本结构

图1 驱动系统电驱动形式

不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的EV.本文所设计EV的驱动系统基本结构如图1所示.［1］

电动汽车驱动系统由蓄电池组、电动机、离合器、变速器、主减速器、差速器和驱动轮等部件组成，这些组成部件的参数选择将直接影响电动汽车的整车动力性能和续驶里程.

2 驱动系统参数设计

以某款普及型轿车为原型对其进行改装，根据驱动系统动力参数的设计原则设计出电动汽车，其部分技术参数目标见表1.［2－3］2.1电动机功率选择

表1 电动汽车部分技术参数期望值

电动机功率的选择依据是汽车对最高车速、加速时间和最大爬坡度的要求.

首先，电动机应为电动汽车提供恒定的保证汽车最高速行驶一段时间的功率，因此可以根据电动汽车最高车速确定电机额定功率：

其中：vmax为电动汽车最高车速，单位为km／h；m为汽车最大总质量，单位为kg；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，单位为m2.

其次，电动机还需具备一定的过载能力以满足电动汽车对加速性能的要求，试验所选电机初定为交流感应电机，设其输出功率峰值为PP，过载系数为λ，那么它的额定功率

第三，电动汽车应具备持续爬坡能力，根据最大爬坡度确定电机额定输出功率

其中vi为电动汽车爬坡速度，单位为km／h.要使电动汽车能正常行驶，电机额定功率Per必须同时满足以上3个条件，又考虑到机械传递效率η，则

此外，电机转速n和转矩T也均应满足电动汽车各项动力性能指标.考虑到电机效率与汽车行驶环境等的影响，电机参数的选择值应适当大于理论计算值［4］.

2.2 传动系传动比设计

根据电机最高转速和最高行驶车速确定最大传动比

其中R为车轮滚动半径，Ne，max为电机最高转速.由电动机最高转速对应最大输出扭矩和最大行驶车速对应行驶阻力确定传动比的最小值为

其中Tv，max为电机最高转速对应的最大输出扭矩，单位为N·m.电动汽车传动系传动比it介于it，max和it，min之间就能满足电动汽车行驶性能.

2.3 电池组容量设计

电池组容量选择主要考虑电动汽车行驶时的最大功率和行驶一定距离所消耗的能量.在选定蓄电池型号的条件下，电池组容量取决于蓄电池数目.因此，根据电动汽车所需最大功率和续驶里程确定蓄电池数目n.

电池组携带的能量至少需满足电动汽车最大功率消耗，那么它所要求的蓄电池数目n1应满足如下关系：

其中：Pb，max为每块蓄电池的最大功率，单位为k W；Pe，max为电动汽车消耗最大功率，单位为k W；ηe为电机工作效率；ηec为控制器工作效率.另外，电池组携带能量对续驶里程有直接影响，要使电动汽车达到目标续驶里程，蓄电池数目n2应满足其中：Cs，Vs分别为每块蓄电池的容量和电压；W为单位路程（km）所消耗能量，单位为k W；L为续驶里程，单位为km.

根据（7），（8）式所列条件得到n1，n2，则电动汽车需要蓄电池数目即为n≥max｛n1，n2｝.

2.4 驱动参数确定

为了所设计的纯电动汽车能够有可靠的性能，根据动力参数设计原则，在理论计算结果的基础上适当增加一些裕量［5］.

（1）电动机参数.根据计算结果要求，所选电动机参数如下：额定功率19 k W，峰值功率47 k W；额定转矩130 N·m，峰值转矩200 N·m；额定转速4 000 r／min，最高转速8 000 r／min.

（2）传动比设定.由于原车传动比符合电动汽车传动比理论计算范围，为了减少对原车结构的改动，保持原车主减速器传动比i0为3.863；原车4个前进挡对应传动比分别为i1＝2.910，i2＝1.540，i3＝1.000，i4＝0.730.

（3）电池组容量选择.本设计选用Ovonic公司研制的镍－氢蓄电池，模块电池额定容量为90 Ah，额定电压为12 V，额定能量达1 100 Wh，峰值功率为7.0 k W.经计算，为达到电动汽车最大功率和续驶里程要求，需要该种蓄电池32块.

3 性能仿真

在实车改造之前，为了分析所设计纯电动汽车是否满足各方面性能要求，基于前述驱动参数对电动汽车进行了仿真分析.采用模块化思想利用ADVISOR建模，建立的电动汽车主要部件及整车模型如图2所示［6］.

图2 模块化EV仿真模型

3.1 仿真参数设置

在ADVISOR提供的原始模型基础上，纯电动汽车仿真模块主要有：整车模型、车轮模型、主减速器和变速器模型、电动机模型、动力电池模型以及车辆模型等.针对所设计动力参数及表1所述电动汽车期望目标，设置主要仿真参数如表2.

表2 仿真参数设置

3.2 仿真分析

图3 电动汽车UDDS工况下仿真结果

目前纯电动汽车主要用于城市代步，因此该纯电动汽车的动力性仿真环境选择CYC＿UDDS（美国城市工况）作为道路循环工况.UDDS城市道路的行驶里程是11.99 km，最高车速91.25 km／h，仿真时间为1 369 s，怠速时间为259 s，停车次数为17次.仿真结果如图3所示，根据仿真曲线对电动汽车车速、荷电状态、蓄电池电流和电动机功率输入进行分析：车辆的仿真速度与工况要求车速基本一致，最高车速能达到91.25 km／h；荷电状态曲线在较长时间内下降比较平缓，由初始值SOC＝1下降终了值SOC＝0.84，其中上升段为蓄电池进行充电阶段；蓄电池电流曲线中正值代表蓄电池工作时的放电电流，负值表示在能量回收过程中蓄电池的充电电流；电机功率输入中也包括正负值，正值表示电动机提供功率时的工作功率，负值表示电动机工作在发电状态时，向蓄电池提供的充电功率.后者对电动汽车节省能源和增加续驶里程有非常重要的意义.根据电动汽车动力性要求，设置电动汽车仿真模型的最高车速、加速性和爬坡度仿真参数，得出整车动力性仿真结果：最高车速109.7 km／h；0～40 km／h加速时间6.8 s；12～15 km／h时最大爬坡度23.3%.

通过以上仿真结果可以看出：设计的电动汽车动力性达到目标期望，并且能在城市道路循环工况下良好运行.

4 结语

纯电动汽车驱动系统的参数配置对整车动力性能及延长续驶里程有重要影响.以某款普及型轿车为原型，通过一系列参数计算对其驱动系统进行重新设计改装，并运用ADVISOR对其建模仿真，仿真结果显示该电动汽车各项动力指标均达到设计目标要求，并能在UDDS工况下良好运行，证明了本文对设计改装的电动汽车驱动参数是合理的.

［1］ 张 珍.纯电动汽车动力传动系统的设计与整车性能仿真［D］.西安：长安大学，2010.

［2］ 黄菊花，徐仕华，刘淑琴，等.电动汽车动力参数匹配及性能仿真［J］.南昌大学学报：工科版，2011，33（4）：391－394.

［3］ 余志生.汽车理论［M］.第4版.北京：机械工业出版社，2006：74－83.

［4］ MICHAEL H WESTBROOK.The Electric Car［M］.London：The Institution of Electrical Engineers，2001.

［5］ 薛念文，高 非，徐 兴，等.电动汽车动力传动系统参数的匹配设计［J］.重庆交通大学学报，2011，30（4）：304－307.

［6］ 郑慧勤.纯电动汽车动力系统的设计与实现［D］.武汉：武汉理工大学，2009.

Power Train Design and Performance Simulation for Pure Electric Vehicle

GAO Shu－jian，CHEN Ding－yue
（School of Automobile，Chang－an University，Xi’an 710064，China）

Based on a popular sedan，a pure electric vehicle was designed.The determination of dynamic parameters and the selection of power devices were according to the design target.The dynamic performance of the vehicle was built and simulated by using the simulation software of ADVISOR.The simulation result demonstrated that the selection of dynamic parameters were feasible.The pure electric vehicle could run with good performance and the design target was achieved.

pure electric vehicle；power train；dynamic parameter；performance simulation

book=79,ebook=162

U469.72

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.04.018

（责任编辑 陈炳权）

1007－2985（2012）04－0079－04

2012－03－28

高树健（1988－），男，山东临沂人，长安大学硕士研究生，主要从事汽车新能源研究；陈丁跃（1960－），男，安

徽安庆人，长安大学教授，硕士生导师，主要从事新能源车辆、控制技术和太阳能汽车等研究.