轻型纯电特种车辆动力传动匹配仿真

徐正军，邓 雷，韩世伟，吴亚渝，徐 杰，乐帮文，夏利兵，王 涛

(重庆铁马工业集团有限公司，重庆 400050)

随着世界经济的向前发展，各国对装备作战需求开始向新能源方向拓展。特别是以美国JLTV为代表的联合轻型特种车辆，已经开始纯电驱动特种车辆研制工作，并引领欧美等国家大力向该领域发展，目前其主流的布局方式为“电动机+二档变速器”，其动力传动的匹配关系着整车机动性、通过性等性能[1-2]。

1 车辆概况

1.1 基本参数

纯电动车辆传动系统主要包括驱动电动机和变速装置，其动力性主要与驱动电动机参数和变速装置传动比有关，因此满足纯电动汽车的动力性，应对驱动电动机参数和变速装置传动比进行合理匹配。以某4×4轻型纯电特种车辆为例，基本参数见表1。车辆设计目标要求：最高车速不低于110 km/h，最大爬坡度不低于20°，百公里加速不超过15 s。

表1 车辆基本参数

1.2 技术思路

基本技术思路(见图1)：梳理数学模型，包括驱动电动机匹配模型、变速传动比匹配模型、动力输出模型；应用MATLAB软件进行编程，仿真分析输出结果。

图1 基本技术思路

2 数学模型

2.1 驱动电动机匹配

驱动电动机参数主要包括额定功率、峰值功率、额定转矩、峰值转矩、额定转速、最高转速。电动机的额定电压与电动机的额定功率成正比，额定功率越大，额定电压也就越大。电动机的额定电压选择与车辆电池的电压有密切的关系，要选择合适的电池组电压和电流以满足整车能源的需要，不过最终都是由所选取的参数来决定额定电压。驱动电动机是电动车辆行驶的动力源，对整车的动力性有直接影响，电动机的选取要求动力性好，即要求电动机匹配满足车辆的最高车速、最大爬坡度及加速性能的要求。其数学模型见式1[3-4]。

(1)

2.2 传动比匹配

采用二档变速器可以满足电动机工作在高效区，同时满足经济性要求。档位选择原则：一档传动比应满足车辆的爬坡性能，同时兼顾电动机低速工作区的效率；二档传动比应满足电动汽车行驶的最高车速，同时尽量降低电动机输入轴的转速，兼顾电动机高转速工况下的效率。两档位传动比之间应该分配合理，保证一、二档驱动力连续，即二档时电动机的基速驱动力应大于等于一档时电动机最高转速下驱动力，其数学模型见式2。

(2)

式中，i0为主减速比；ig12为一档传动比上限；b为质心到后轴距离；L为轴距；φ为路面附着系数；ig11为一档传动比下限；ig22为二档传动比上限；ig21为二档传动比下限；Tumax为最高车速下对应转矩。

2.3 动力输出模型

采用汽车理论基本知识，其数学模型见式3[5]。

(3)

式中，Ts为电动机输出转矩；n为电动机转速；Ft为车辆驱动力；it为总传动比；Ff为车辆滚动阻力；Fw为车辆空气阻力[6]。

3 参数匹配计算

3.1 驱动电动机参数匹配

根据数学模型，应用MATLAB软件编程仿真得到电动机功率-最高车速曲线、电动机功率-爬坡度曲线、电动机功率-加速时间曲线(见图2)[7-8]。

a) 电动机功率-最高车速曲线

b) 电动机功率-爬坡度曲线

c) 电动机功率-加速时间曲线

从图2可知，最高车速所需功率为19.4 kW，以20 km/h速度爬20°坡时所需功率为30.31 kW，加速时间14 s所需功率为54.8 kW，综上，取电动机峰值功率为55 kW，过载系数取2.5，额定功率为22 kW。应用MATLAB软件编程，利用电动机转速模型得到最高转速-最高车速曲线、最高转速-传动比曲线(见图3)，电动机的额定转速取3 000 r/min，最高转速取8 000 r/min。综上，电动机匹配参数见表2。

a) 最高转速-最高车速曲线

b) 最高转速-传动比曲线

表2 驱动电动机匹配参数

3.2 二档变速器参数匹配

根据数学模型，应用MATLAB软件编程计算得到一档、二档传动比范围：1.93≤ig1≤2.26，0.22≤ig2≤1.69。综合考虑，选择一档传动比1.98，二档传动比1。

4 动力性仿真分析

根据数学模型，应用MATLAB软件编程进行车辆动力性仿真，得到车辆驱动力-行驶阻力图、加速度-速度曲线、爬坡度-速度曲线如图4所示。

a) 车辆驱动力-行驶阻力图

b) 加速度-速度曲线

c) 爬坡度-速度曲线

从图4可知，车辆最大速度约为167 km/h；一档加速度大于二档加速度；一档爬坡度大于二档爬坡度。图中加速度、爬坡度出现负值是因车速超过了最高车速。综上，电动机参数匹配、传动比匹配满足车辆设计目标要求。

5 验证与结论

依据国家标准《汽车最高车速试验方法》《汽车加速性能试验方法》《汽车爬陡坡试验方法》对实车进行动力性测试，测试数据见表3。从表3中可以看出，仿真数据与试验测试数据基本吻合，误差主要由试验路面引起。

表3 试验测试数据

根据车辆概况梳理车辆基本参数及设计目标，拟定车辆动力传动匹配技术思路。建立驱动电动机匹配、传动比匹配、动力输出的数学模型；应用MATLAB软件编程仿真计算匹配驱动电动机参数、传动比；进一步应用MATLAB软件进行车辆动力性仿真分析，得到驱动电动机匹配、传动比匹配满足车辆的设计目标要求。对车辆下一阶段工程设计具有较强的指导作用，对后续的试验测试具有一定工程价值。