采用KRG的動(dòng)力電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)性能匹配研究

張強(qiáng)華，李 強(qiáng)，萬 鈞

(1.浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，杭州310023;2.浙江德孚力汽車變速箱有限公司，杭州310014)

隨著傳統(tǒng)燃油汽車市場的逐漸飽和及汽車保有量與資源環(huán)境矛盾日益突出，促使眾多發(fā)達(dá)國家相繼出臺(tái)了關(guān)于禁售燃油車的計(jì)劃，轉(zhuǎn)而致力于新能源汽車的開發(fā)及推廣。于是純電動(dòng)汽車憑借其零排放、低噪音等諸多優(yōu)勢，成為眾多汽車制造企業(yè)、科研院所及政府部門等的關(guān)注熱點(diǎn)。

國內(nèi)相關(guān)研究以電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)及變速參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，進(jìn)而提升整車性能，例如:文獻(xiàn)［1-3］對純電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的匹配進(jìn)行了研究，包括動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選型，并通過仿真驗(yàn)證匹配后的動(dòng)力性與續(xù)駛里程，但其驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中沒有考慮裝備變速器等因數(shù);文獻(xiàn)［4］在對電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配的研究中，考慮了變速器傳動(dòng)比對驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率選擇的影響，提出了基于擴(kuò)展轉(zhuǎn)速比的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，總結(jié)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配原則，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配提供了指導(dǎo)意義;文獻(xiàn)［5-8］對搭載無級變速器(continuously variable transmission，CVT)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制策略分析，通過建立傳動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，保證車輛具有較好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。上述研究都取得了較好的結(jié)果，但需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)予以驗(yàn)證。為此，本研究以純電動(dòng)汽車為對象，通過純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配，引入比傳統(tǒng)CVT變速器結(jié)構(gòu)和控制原理都更為簡便的錐環(huán)式無級變速器(cone ring transmission，KRG)，根據(jù)動(dòng)力性設(shè)計(jì)要求進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配及選型，并對匹配后的車型進(jìn)行行駛工況模擬仿真和整車性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證所匹配的動(dòng)力總成系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 KRG工作原理

圖1 KRG工作原理示意Fig.1 Operating principle of KRG

圖2 KRG實(shí)物圖Fig.2 Physical structure of KRG

傳統(tǒng)CVT變速機(jī)構(gòu)的核心部件是槽寬可變的棘輪和包裹在槽中的鋼帶，通過調(diào)節(jié)主從動(dòng)棘輪的槽寬實(shí)現(xiàn)速比的連續(xù)變化。本研究基于浙江德孚力汽車變速箱有限公司引進(jìn)的KRG，將其串聯(lián)在純電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系中，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)車輛的加減速，純電動(dòng)汽車在具有變速能力的同時(shí)，還可以將驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在較高效率的區(qū)域，以適應(yīng)不同行駛工況下的動(dòng)力需求。KRG工作原理及實(shí)物分別如圖1和圖2所示。由圖1可知，動(dòng)力傳遞到輸入滾錐，通過嚙合的錐環(huán)將動(dòng)力傳給輸出滾錐，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。傳動(dòng)比為錐環(huán)所在平面中輸出滾錐與輸入滾錐的周長比。當(dāng)錐環(huán)所在平面與輸入滾錐中心線垂直時(shí)，變速器以定傳動(dòng)比輸出動(dòng)力;當(dāng)錐環(huán)角度發(fā)生傾斜時(shí)，錐環(huán)自身會(huì)在滾錐上軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)速比的連續(xù)調(diào)節(jié)。錐環(huán)的左右移動(dòng)依靠伺服電機(jī)通過速比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，且移動(dòng)位置受限位裝置約束。輸出滾錐上的脹緊機(jī)構(gòu)能使輸出滾錐和錐環(huán)之間有足夠的壓力，防止打滑并實(shí)時(shí)保證傳遞可靠的扭矩和提高傳動(dòng)效率。

與傳統(tǒng)CVT相比，該款純電動(dòng)汽車摒棄了倒檔行星齒輪系統(tǒng)和離合器。車輛倒車通過電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，保證了動(dòng)力連續(xù)輸出，有利于簡化結(jié)構(gòu)，減輕重量，節(jié)約成本。圖2中KRG的部分工作參數(shù)如表1所示。

表1 KRG部分參數(shù)Table 1 Partial parameters of KRG

2 電機(jī)匹配選型

2.1 動(dòng)力性指標(biāo)

某款純電動(dòng)汽車動(dòng)力性指標(biāo)為:最高車速大于等于120 km/h，0～50 km/h加速時(shí)間小于等于8 s，最大爬坡度大于等于30%。同時(shí)在滿足動(dòng)力性指標(biāo)基礎(chǔ)上，考慮成本、后期維護(hù)保養(yǎng)等因素，優(yōu)選功率較小的動(dòng)力電機(jī)。整車部分參數(shù)如表2所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇

根據(jù)動(dòng)力性指標(biāo)參數(shù)，電機(jī)最大功率Pmax既要滿足最高車速時(shí)的功率要求，同時(shí)也要滿足以一定車速爬坡的功率要求［9-10］。取坡度為20%，爬坡車速為15 km/h，即 Pmax≥max{Pe，Pc，Pa}，其中Pe與 Pc的計(jì)算如下:

表2 整車部分參數(shù)Table 2 Partial parameters of pure electric vehicle

式(1)～(2)中:Pe為最高車速時(shí)的功率需求;ηT為傳動(dòng)系效率;G為空載時(shí)整車總重量;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);umax為要求所能達(dá)到的最高車速;CD為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積;Pc為爬坡時(shí)的功率需求;αmax為最大爬坡度;u為當(dāng)前車速。

代入整車參數(shù)和相應(yīng)數(shù)據(jù)，求得Pe與Pc分別為25.18、38.26 kW?？紤]在水平路面上的加速需求，計(jì)算出加速時(shí)所需功率Pa:

式(3)中:δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為整車質(zhì)量;t為時(shí)間。

根據(jù)目標(biāo)整車參數(shù)計(jì)算求得Pa為12.01 kW。選擇型號(hào)為TZ13X-20的永磁同步電機(jī)，該電機(jī)的性能曲線及參數(shù)分別如圖3和表3所示。

圖3 電機(jī)特性曲線Fig.3 Curve graph of motor properties

3 驅(qū)動(dòng)性能計(jì)算

表3 電機(jī)部分技術(shù)參數(shù)Table 3 Partial parameters of drive motor

KRG和主減速器的傳動(dòng)比匹配后確定出整車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的速比區(qū)間為［2.441，13.9］。為便于有效區(qū)分不同檔位的動(dòng)力性能，將 KRG 的速比范圍劃分為 8 檔，分別為 2.5、1.725、1.239、0.927、0.723、0.587、0.496、0.439。將所選動(dòng)力電機(jī)與KRG裝配到該款純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通過計(jì)算分析整車動(dòng)力性能。

3.1 理論最高車速

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)汽車中唯一的動(dòng)力源，在汽車行駛過程中其輸出功率要與汽車所受的阻力功率相平衡，由此得出汽車功率平衡方程式［11］:

式(4)中:Pf為滾動(dòng)阻力功率;Pw為空氣阻力功率;Pi為坡度阻力功率;Pj為加速阻力功率;i為坡度角。

車輛在平坦路面上勻速運(yùn)行時(shí)可忽略坡度阻力功率和加速阻力功率，由式(4)得出各檔位功率曲線及阻力功率曲線，如圖4所示。

圖4顯示了1～8檔的功率曲線與阻力功率曲線，理論上6檔可達(dá)到最高車速，約為147 km/h，此時(shí)電機(jī)峰值功率為42 kW，7～8檔主要用于路況良好的高速道路上行駛。若電機(jī)按照額定功率20 kW運(yùn)行，則最高車速可達(dá)110 km/h，此時(shí)電機(jī)在良好的散熱條件下，可以保持短時(shí)峰值功率運(yùn)行，滿足最高車速120 km/h的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 加速性能分析

圖4 整車功率平衡圖Fig.4 Power balance graph of pure electric vehicle

汽車的加速性能可用其在水平路面上的加速度評價(jià)，但由于加速度不便于直接測量，而從靜止到某一車速的加速時(shí)間可以間接反映出該車輛的加速性能，故利用加速時(shí)間曲線代替加速度進(jìn)行分析［12］。加速時(shí)間t的計(jì)算公式為:

式(5)中:m為整車滿載質(zhì)量;Ft為驅(qū)動(dòng)力;Fw為空氣阻力;Ff為滾動(dòng)阻力。

根據(jù)0～50 km/h之間若干點(diǎn)的加速時(shí)間擬合出加速時(shí)間曲線，如圖5所示。

由圖5可知，該車在5 s內(nèi)能夠從靜止加速到50 km/h，且由曲線的整體趨勢可以看出，整個(gè)加速過程的加速度逐漸減小。這是由于剛起步時(shí)，電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的輸出特性致使短時(shí)間內(nèi)需要輸出較大轉(zhuǎn)矩;隨著車速的提高，電機(jī)工作在恒功率區(qū)域，輸出轉(zhuǎn)矩值下降，因此加速時(shí)間相對變長。

3.3 爬坡性能分析

圖5 0～50 km/h加速時(shí)間曲線Fig.5 0～50 km/h acceleration time curve graph

汽車的爬坡性能指其在良好路面上克服滾動(dòng)阻力與空氣阻力之后，將剩余動(dòng)力全部用來克服坡度阻力時(shí)能爬上的坡度。由汽車行駛方程式與驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖，可以算出汽車的爬坡性能:

經(jīng)計(jì)算求得汽車的最大爬坡度為57.69%。在功率平衡計(jì)算過程中，考慮坡度阻力功率Pi，求得40%坡度時(shí)功率平衡，如圖6所示。

由圖6可知，在車速低于25 km/h時(shí)，阻力功率Pi曲線在1檔功率曲線之下，這表明該車在1檔時(shí)可以爬上40%的坡度，達(dá)到了設(shè)計(jì)需求。在不同坡度下，車輛的載荷不同，坡度較小時(shí)阻力功率較小，圖6中的車輛在1檔時(shí)還有部分后備功率，即該車速下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率與阻力功率的差值，該部分功率可用于加速爬坡。而2～3檔在最大功率處對應(yīng)的車速分別為38、53 km/h，以滿足相對較低的阻力功率。

4 整車性能仿真與試驗(yàn)

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

利用ADVISOR軟件進(jìn)行車輛性能仿真，該軟件基于Matlab/Simulink平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)。其仿真結(jié)構(gòu)融合了后向與前向仿真模型［13］，首先根據(jù)循環(huán)工況要求，按照與實(shí)際功率流相反的方向(逆向)，計(jì)算出當(dāng)前部件對上級部件的速度與轉(zhuǎn)矩需求，然后依次向上傳遞，直到驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電池模塊計(jì)算出各自提供的實(shí)際功率。再利用前向仿真算法，按照實(shí)際功率流動(dòng)方向(正向)計(jì)算出各部件傳遞給下級部件的實(shí)際速度與轉(zhuǎn)矩，從而計(jì)算出實(shí)際車速。

中國現(xiàn)行的電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法是基于ECE15工況［14］的，后來演變?yōu)镋UDC(城郊高速公路工況)，包括4個(gè)相同城市模擬工況和1個(gè)城郊模擬工況，因此選用此工況進(jìn)行仿真。其總運(yùn)行時(shí)間為1 180 s，最高車速為120 km/h，行駛距離為11.022 km。對軟件中變速器和電機(jī)模型進(jìn)行修改并輸入現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車模型參數(shù)，進(jìn)行EUDC工況下仿真計(jì)算。車速、電池電量以及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線分別如圖7～9所示。

圖6 40%坡度時(shí)的功率平衡圖Fig.6 Power balance graph of electric vehicle under 40%gradient

圖7 EUDC循環(huán)工況車速曲線Fig.7 Speed curve graph of EUDC driving-cycle

圖8 電池SOC曲線Fig.8 SOC curve graph of batteries

圖7 顯示了該車按照EUDC循環(huán)工況運(yùn)行時(shí)的車速與時(shí)間關(guān)系，前800 s為4個(gè)城市循環(huán)工況，最后部分為城郊工況。圖8顯示了車輛在該工況下運(yùn)行過程時(shí)的電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的變化，由圖8可知，在前800 s內(nèi)，汽車按照城市循環(huán)工況低速短程運(yùn)行時(shí)電量消耗總體較為平緩;800 s之后按照城郊高速工況運(yùn)行時(shí)，由于車速提高及長時(shí)間循環(huán)工況行駛導(dǎo)致電量消耗較快。

由圖9可知，在車輛運(yùn)行過程中，電機(jī)始終按照工況要求輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到預(yù)定車速。由仿真結(jié)果可知，所選電機(jī)與裝載KRG的純電動(dòng)汽車匹配后能夠滿足EUDC工況對車輛性能的要求，最高車速可以達(dá)到120 km/h。單個(gè)EUDC工況完成后電池剩余電量為79%。車輛在減速過程中電機(jī)通過制動(dòng)轉(zhuǎn)矩輔助整車制動(dòng)，從而達(dá)到較好的制動(dòng)效果，同時(shí)回收部分制動(dòng)能量對動(dòng)力電池充電，以提高經(jīng)濟(jì)性。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出曲線Fig.9 Driving Torque curve graph of drive motor

4.2 實(shí)車性能測試

利用底盤測功機(jī)對匹配KRG的整車性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。參照GB/T18 386—2005電動(dòng)汽車能量消耗和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法，利用底盤測功機(jī)模擬車輛運(yùn)行時(shí)的道路負(fù)載［15］，對車輛0～50 km/h加速時(shí)間進(jìn)行測試，初始SOC值為80%，最終測得的加速時(shí)間為4.53 s。

采用工況法依據(jù)EUDC工況對車輛續(xù)駛里程進(jìn)行測試，測試過程中記錄電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電池電量等信息。測試過程中記錄的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表4所示。

表4 測試過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)Table 4 Partial parameters of SOC and driving torque during testing process

表4中的數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)是根據(jù)車輛在不同工況下的行駛狀態(tài)來劃分的，記錄的數(shù)據(jù)僅包含整個(gè)EUDC工況中的第1個(gè)和第5個(gè)子工況，由于前4個(gè)子工況是重復(fù)的過程，因此省略第2、3和4子工況。在每個(gè)子工況中，車輛按照要求進(jìn)行加減速或勻速行駛甚至停車，表中記錄了該過程中的動(dòng)力電池SOC及相應(yīng)時(shí)刻下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值。由表4可知，車輛在部分制動(dòng)過程中SOC值略有回升，有助于提高續(xù)駛里程，減小能耗。與前4個(gè)子工況相比，第5個(gè)子工況的時(shí)間跨度比較大，加減速持續(xù)時(shí)間較長，對電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求相對較高，因此電量消耗相對較快，在工況結(jié)束后的電量約為78%。從實(shí)測結(jié)果分析可知，車輛在該工況下的百公里能耗為13.46 kW·h，續(xù)駛里程達(dá)到140 km。

5 結(jié)論

根據(jù)某型號(hào)純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求，在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加入KRG并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算與選型，完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)的功率匹配，并根據(jù)選型結(jié)果進(jìn)行加速性與爬坡性能分析，0～50 km/h的加速時(shí)間小于5 s，最大爬坡度為57.69%，驗(yàn)證了所選電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。最后基于ADVISOR軟件進(jìn)行整車性能仿真與實(shí)車工況驗(yàn)證。結(jié)果均表明搭載所選電機(jī)及匹配KRG的純電動(dòng)汽車滿足預(yù)定的動(dòng)力性能指標(biāo)，且續(xù)駛里程達(dá)到140 km，基本滿足日常行駛需求。

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