驅(qū)動(dòng)電機(jī)+2AMT動(dòng)力系統(tǒng)的選型及性能驗(yàn)證

目前，提升電動(dòng)車性能的研究通常集中于電池、能量管理和驅(qū)動(dòng)控制策略上，在動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面很少涉及。目前大多數(shù)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)+單級(jí)減速器的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但主減速器速比對(duì)電動(dòng)汽車的性能好壞影響很大，無(wú)法同時(shí)兼顧最高車速與起步加速的性能要求。因此為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不得不提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩和最高轉(zhuǎn)速，這使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率增加。但選擇功率較大電機(jī)，在日常行駛過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)常工作在低效率區(qū)域，降低了整車經(jīng)濟(jì)性，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)成本增加。

采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)+2AMT動(dòng)力系統(tǒng)，2AMT工作在Ⅰ擋進(jìn)行爬坡和加速時(shí)，可降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩需求，工作在Ⅱ擋時(shí)，可滿足最高車速要求，同時(shí)滿足了最高車速與起步加速的性能要求，兩檔變速比固定速比具有更低的能量消耗。針對(duì)電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)+2AMT新型動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)，充分借鑒基于遺傳算法對(duì)電動(dòng)汽車集成式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力總成參數(shù)的優(yōu)化技術(shù)，以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率、電壓的運(yùn)動(dòng)特性方程和平衡方程為基礎(chǔ)建立電機(jī)模型。首先根據(jù)整車參數(shù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定動(dòng)力系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2AMT系統(tǒng)及動(dòng)力電池系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的參數(shù)，其次，根據(jù)所選部件在MATLAB/Simulink系統(tǒng)中搭建整車前向仿真模型對(duì)整車性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2 電驅(qū)動(dòng)兩擋AMT系統(tǒng)構(gòu)成

搭載2AMT的新型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。其系統(tǒng)構(gòu)成主要包括：動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2AMT、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器以及與車輪相連的半軸組成。相比于采用單主減速器，該傳動(dòng)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和主減速器之間加入一2AMT。低速或爬坡行駛時(shí)，2AMT工作在Ⅰ擋；高速行駛時(shí)，2AMT工作在Ⅱ擋。引入2AMT后，2AMT工作在不同檔位，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩需求和轉(zhuǎn)速需求不同，同時(shí)影響著動(dòng)力電池的放電效率，因此需要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)各部件參數(shù)進(jìn)行重新匹配與選型。首先針對(duì)某款微型電動(dòng)車進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)2AMT動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本參數(shù)、2AMT速比及動(dòng)力電池系統(tǒng)基本參數(shù)。所研究的電動(dòng)車整車基本參數(shù)，如表1所示。整車設(shè)計(jì)性能指標(biāo)主要包括動(dòng)力性能指標(biāo)和續(xù)駛里程設(shè)計(jì)指標(biāo)，所制定的整車性能指標(biāo)，如表2所示。

圖1 電驅(qū)動(dòng)2AMT系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

Fig.1 Schematic Diagram of Power Driven 2AMT System

表1 整車基本參數(shù)

Tab.1 Basic Parameters of the Vehicle

表2 整車性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

Tab.2 Performance Design Index of Vehicle

3 電驅(qū)動(dòng)兩擋AMT系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配與選型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為微型電動(dòng)車唯一動(dòng)力來源決定著整車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。在進(jìn)行參數(shù)匹配時(shí)，首選確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本參數(shù)。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配時(shí)，首先進(jìn)行功率匹配確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率和額定功率，其次，根據(jù)確定的功率范圍確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、基速和峰值轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率主要用來滿足最高車速、最大爬坡度和加速時(shí)間的要求。首先，電動(dòng)車以最高車速行駛過程中，由功率平衡方式可知所需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為：

其次，滿載情況下，以爬坡速度勻速爬坡時(shí)，所需要的驅(qū)動(dòng)

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線以及車速經(jīng)驗(yàn)公式，在電動(dòng)車（0～50）km/h加速過程中，所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為：

式中：v—微型電動(dòng)貨車行駛速度（km/h）；m—整車質(zhì)量（kg）；f—滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD—空氣阻力系數(shù)；A—迎風(fēng)面積（m2）；α—道路坡度；δ—整車質(zhì)量旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，此處取1.05；vb—驅(qū)動(dòng)電機(jī)基速 nb時(shí)對(duì)應(yīng)的車速（m/s）；vf—加速末端車速（m/s）；ρa(bǔ)—空氣密度，取 1.2258N·s2·m-4。

為縮小加速時(shí)間，在進(jìn)行（0～50）km/h加速性能試驗(yàn)時(shí)，規(guī)定2AMT不進(jìn)行換擋。定義比值k為車速為50km/h對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n50與基速nb之比。針對(duì)不同裝載情況，分別取k=［2：0.5：6］在滿足加速性能要求下，所求得的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率曲線，如圖2所示。

圖2 不同裝載情況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率隨變化圖

Fig.2 The Graph of the Needed Power of Driving Motor in Different Loading Varing with k

考慮最惡劣情況，在滿足動(dòng)力性能要求下，帶入數(shù)據(jù)求得，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率取值為：

為保證額定功率下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，常以常用車速和最高設(shè)計(jì)車速的90%勻速行駛工況來確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率范圍。在水平道路上，以常用車速55km/h行駛時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)電

在水平道路上，當(dāng)微型電動(dòng)貨車以最高車速的90%進(jìn)行勻速行駛時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為：

帶入數(shù)據(jù)，求得驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率取值范圍為：

在確定完驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率范圍后，需要確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速n max和基速nb。由于本微型電動(dòng)貨車的最高設(shè)計(jì)車速為80km/h，同時(shí)為降低生產(chǎn)成本，選用異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，故初步選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為6000r/m。即：n max=6000r/min（8）

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性參數(shù)中，基速比x（最高轉(zhuǎn)速n max與基速nb的比值）越大，在電機(jī)功率一定的情況下，所能提供的最大轉(zhuǎn)矩越大，針對(duì)異步電機(jī)，基速比x的取值范圍為（2～4），則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基速 nb的取值范圍為：nb=1500～3000r/min （9）

確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基速范圍后，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩輸出為：

綜上所述，選取某電機(jī)公司生產(chǎn)的一款異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該電機(jī)基本參數(shù)，如表3所示。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率為42kW，滿足峰值功率要求的同時(shí)具有一定的儲(chǔ)備功率。其額定功率為18kW，符合額定功率取值范圍；同時(shí)該驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩為175Nm，最大輸入電流可達(dá)165A，具有很好的過載能力。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率MAP圖，如圖3所示。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本參數(shù)

Tab.3 Basic Parameters of Drive Motor

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率MAP圖

Fig.3 Efficiency MAP of Drive Motor

3.2 兩擋AMT傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)已知情況下，微型電動(dòng)貨車用2AMTⅠ擋和Ⅱ擋的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)原則為：（1）Ⅰ擋的選擇主要是用來滿足低速爬坡行駛要求；（2）Ⅱ擋的選取主要使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在常用車速行駛時(shí)工作在高效區(qū)域。

3.2 .1兩擋AMT的Ⅰ擋傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

電動(dòng)貨車在滿載質(zhì)量下，當(dāng)以爬坡車速vi通過最大坡度i max時(shí)，兩擋AMTⅠ擋速比取值范圍為［4］：

同時(shí)，由于電動(dòng)貨車的最大驅(qū)動(dòng)力需滿足地面附著條件的限制要求，2AMTⅠ擋傳動(dòng)比ig1取值不能無(wú)限增大?？蛰d情況下，2AMTⅠ擋傳動(dòng)比需滿足［4］：

式中：φ—附著系數(shù)；φ—后軸載荷比。

由于在進(jìn)行（0～50）km/h加速試驗(yàn)時(shí)，兩擋AMT始終處于Ⅰ擋，為避免驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超出最大轉(zhuǎn)速，Ⅰ擋傳動(dòng)比ig1滿足：

帶入數(shù)據(jù)求得兩擋AMT的Ⅰ擋速比取值范圍為：

在確定2AMTⅠ擋傳動(dòng)比范圍后，根據(jù)整車縱向動(dòng)力學(xué)方程，采用數(shù)值方法求解空載，半載，滿載情況下，不同Ⅰ擋傳動(dòng)比ig1時(shí)的（0～50）km/h加速時(shí)間，如圖 4所示。

圖4 不同裝載情況下（0～50）km/h加速時(shí)間隨Ⅰ擋傳動(dòng)比變化曲線

Fig.4 The Graph of Acceleration Time from（0～50）km/h in Different Loading Varing with Transmission Ratio ofⅠGear

由圖4可知，在Ⅰ擋傳動(dòng)比允許范圍內(nèi)，不同裝載情況下，電動(dòng)車均能滿足（0～50）km/h加速性能要求。為了保護(hù)電機(jī)，選取在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為5900r/m時(shí)達(dá)到車速50km/h，此時(shí)Ⅰ擋傳動(dòng)比

3.2 .2兩擋AMT的Ⅱ擋傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

2AMTⅡ擋傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要原則為：（1）滿足最高車速設(shè)計(jì)要求；（2）使驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)域覆蓋盡可能多的車速范圍；（3）滿足換擋前后動(dòng)力輸出連續(xù)性，兩擋傳動(dòng)比差值不能太大。

首先，設(shè)計(jì)的兩擋AMTⅡ擋傳動(dòng)比ig2應(yīng)滿足最高車速設(shè)計(jì)要求，由公式得：

同時(shí)，在電動(dòng)貨車滿載以最高車速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩應(yīng)能克服此時(shí)行駛阻力矩。即：

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效工作區(qū)域設(shè)計(jì)在額定轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)2AMTⅡ擋速比ig2時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率MAP圖可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效區(qū)域?yàn)椋?000～4200）r/m?？紤]電動(dòng)貨車常用車速為50km/h，且在城市工況下，車速大多低于70km/h，為使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在該高效率區(qū)域轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電動(dòng)貨車車速能夠達(dá)到70km/h，Ⅱ擋傳動(dòng)比需滿足：

為滿足換擋前后動(dòng)力的連續(xù)性，應(yīng)使Ⅰ擋和Ⅱ擋的動(dòng)力輸出曲線有一定的重疊區(qū)域。此時(shí)，Ⅰ擋與Ⅱ擋比值ig1/ig2應(yīng)小于基速比x=2.62。

根據(jù)以上公式，帶入數(shù)據(jù)求得2AMTⅡ擋傳動(dòng)比ig2的取值

為使得在Ⅱ擋情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)域能夠覆蓋較多的

綜上所述，所設(shè)計(jì)的2AMT基本參數(shù)，如表4所示。實(shí)物如圖5所示。

表4 2AMT基本參數(shù)

Tab.4 Basic Parameters of AMT

圖5 2AMT實(shí)物圖

Fig.5 2AMT Actual Object

4 整車前向仿真模型及性能仿真

在確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2AMT和動(dòng)力電池參數(shù)后，建立整車前向仿真模型以驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。本研究針對(duì)該電驅(qū)動(dòng)2AMT動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)所匹配得到的動(dòng)力系統(tǒng)各關(guān)鍵基本參數(shù)，在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建前向整車仿真模型，如圖6所示。整車模型主要由工況輸入模型、駕駛員模型、控制系統(tǒng)模型、動(dòng)力電池模型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、2AMT系統(tǒng)模型、主減速器模型及車輪及整車模型和電氣附件模型組成。

圖6 電動(dòng)車整車仿真模型示意圖

Fig.6 Schematic Diagram of the Vehicle Simulation Model

4.1 整車動(dòng)力性驗(yàn)證

4.1.1 （0～50）km/h加速性能分析

當(dāng)加速踏板開度為1時(shí)，對(duì)電動(dòng)車不同負(fù)載工況下，2AMT分別處于Ⅰ擋和Ⅱ擋時(shí)進(jìn)行（0～50）km/h加速性能仿真，結(jié)果如圖7、表5所示。在2AMT處于Ⅰ擋時(shí)，能夠滿足不同裝載工況下（0～50）km/h的加速性能要求。對(duì)比分析可知，Ⅰ擋相對(duì)于Ⅱ擋，在空載、半載、滿載情況下，其加速時(shí)間分別減少了2.54s、3.69s、5.07s，加速性能提高約30%左右。因此，相同驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)下，采用2AMT可有效提高加速性能。

圖7 不同擋位下（0～50）km/h加速性能曲線

Fig.7 Acceleration Curve of（0～50）km/h in Different Baffle

表5 （0～50）km/h加速性能仿真時(shí)間

Tab.5 Acceleration Performance Simulation Time of（0～50）km/h

4.1 .2最大爬坡度驗(yàn)證

對(duì)兩擋AMT分別處于Ⅰ擋和Ⅱ擋時(shí)，最大爬坡度，如圖8所示。Ⅰ擋時(shí)，當(dāng)?shù)缆菲露葹?0%時(shí)，其阻力平衡點(diǎn)車速為19km/h，滿足最大爬坡度測(cè)試要求；Ⅱ擋時(shí)，最大爬坡度約9%左右，無(wú)法滿足20%的爬坡度要求?？梢?，Ⅰ擋相對(duì)于Ⅱ擋其爬坡性能顯著提高。

圖8 2AMT最大爬坡度測(cè)試

Fig.8 Test of Maximum Climbing of 2AMT

4.2 整車經(jīng)濟(jì)性能驗(yàn)證

由于等速測(cè)試車速為55km/h，兩擋AMT處于Ⅱ擋位置，取動(dòng)力電池放電深度為0.8。在常速情況下，電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程為139km，滿足了整車?yán)m(xù)駛里程設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)電動(dòng)車用兩擋AMT新型動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)整車基本參數(shù)和性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2AMT系統(tǒng)、動(dòng)力電池等關(guān)鍵基本部件參數(shù)進(jìn)行匹配與選型。并在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建整車仿真模型，通過仿真得到動(dòng)力性能指標(biāo)和續(xù)駛里程，驗(yàn)證所選參數(shù)的合理性。通過仿真發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于采用單級(jí)主減速，采用電驅(qū)動(dòng)2AMT動(dòng)力系統(tǒng)，不但能夠提升車輛的爬坡性能；而且能夠有效降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)較多的工作在高效區(qū)間，從而改善車輛的經(jīng)濟(jì)性。

審核編輯：郭婷