基于电机效率的纯电动汽车传动系统参数匹配研究

彭鹏峰，许新权，曾洁琼

(1.广东工贸职业技术学院，广东 广州 510510；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)

1 引言

近年来，在国家政策的支持下纯电动汽车得到了快速的发展，但续航里程短的问题依然存在。目前，提高续航里程常见的做法是增加电池数量，但是电池多势必造成成本上扬。为提高续航里程，部分学者在整车动力系统参数匹配方面做研究，高二客等[1]以续航里程及能量消耗为优化目标，以传动系速比为优化变量建立参数优化模型进行求解，得到最优传动比；文献[2]采用非线性权重粒子群算法，以整车经济性为优化目标进行动力系统参数优化；文献[3]通过研究不同的循环工况来优化电机参数，从而提高纯电动汽车的经济性。但是上述研究均围绕单速变速器的纯电动汽车，没有考虑到变速器挡位对整车能耗的影响。

实际上，电机的工作区域存在高效率区和低效率区，采用单速变速器，无法实现电机长时间工作在高效率区，降低了能量利用率。为解决单档变速器存在的问题，龚贤武等[4]将一款单挡传动方案的纯电动汽车改为两档变速传动，采用遗传算法对传动系统的参数进行优化设计；文献[5]依据动力性要求，提出了一种两档变速器动力系统匹配方法；文献[6]对比单级变速器和两档变速器对整车的性能影响，结果表明使用两档自动变速器可提升纯电动续航里程(2～3)%。然而，上述研究都是基于两档变速器，且传动系统参数是采用各种优化算法确定的，在实际使用中很难操作。为探索多档传动系统对纯电动汽车能耗的影响，首先分析了电机的工作特性，在此基础上提出了以提高电机效率为目标的三档传动系统参数匹配方法；然后以某纯电动汽车为研究对象，对其驱动系统进行了改动，建立了两种整车模型，并运用所提出的方法确定各档位传动比；最后利用ADVISOR软件对两种整车模型进行了NEDC工况仿真，并对仿真结果进行对比分析。

2 电机工作特性

电机是纯电动汽车唯一的动力源，将电能转换为机械能，驱动整车行驶。然而，在能量转换过程中，电能不能100%转化为机械能，电机的工作效率受电机转速和扭矩的影响。研究所用的某纯电动汽车上的电机效率特性图，如图1所示。由图1可见，在中等转速、中等扭矩区域，电机的工作效率较高，最高达0.94；而在低速大扭矩和高速低扭矩区域，电机的工作效率低，最低为0.80。若能将电机高效区的转速区间覆盖到更广的车速范围，则可降低整车能耗，提高续航里程。

图1 电机效率特性图Fig.1 Chart of Motor Efficiency

电机的扭矩和功率随转速变化特性[7]，如图2所示。在电机整个转速范围内，可分为恒转矩区和恒功率区。在额定转速以下，电机处于恒转矩输出状态，但功率随着转速的上升逐渐增大；在额定转速以上，电机以恒功率输出，但扭矩逐渐减小。

图2 电机外特性曲线Fig.2 External Characteristic Curve of Motor

3 三档传动系统参数匹配方法

增加变速器挡位数，可使电机高效区覆盖的车速范围变广。但是，档位数越多，变速器结构越复杂，成本也越高。基于以上分析，选取档位数为三档。下面介绍以提高电机效率为目标的三档传动系统参数匹配方法，在满足整车动力性要求下，实现电机整体工作效率达到最高。

3.1 最低档传动比的选取

3.1.1 传动比取值范围的确定

最低档传动比的选择主要是用来满足低速爬坡行驶要求[8]。此时车辆的驱动力应大于各种行驶阻力，即：式中：Ttmax—电机最大扭矩；i1—变速器处于一档时传动系统总传动比；ηt—传动系机械效率；r—车轮半径；m—整车满载质量；g—重力加速度；f—滚动阻力系数；a—根据整车动力性要求需满足的最大爬坡度，通常a=arctan0.3；CD—空气阻力系数；A—汽车迎风面积；ua—爬坡车速，通常取20km/h。

需要说明的是，传动系统总传动比等于变速器传动比和主减速器传动比之积。由于主减速器传动比是一个固定值，为简化分析和计算，不单独计算变速器传动比，文中提到的传动比均指传动系统总传动比。

根据式(1)可以确定一档传动比的下限：

同时，车辆的最大驱动力需满足地面附着条件的限制要求，即：

由此确定一挡传动比的上限：

式中：φ—附着系数；Fz1—驱动轮承受的载荷，Fz1=mg∅，∅—前轴轴荷系数。

综上，一档的传动比取值范围为：i1min≤i1≤i1max

3.1.2 传动比的选取

图3 低速大扭矩工况电机效率曲线图Fig.3 Efficiency Curves of Motor under Low Speed and Large Torque

汽车用一挡行驶时常处于低速大扭矩工况，研究所用的某纯电动汽车上的电机在低速大扭矩工况下效率曲线图，如图3所示。可见，在电机扭矩恒定的情况下，电机效率基本上随转速的上升而提高；对于同一电机转速而言，电机扭矩越小，效率越高。一挡传动比越大，则同样的车速下所需的电机转速越高，而电机扭矩却越小。根据低速大扭矩工况电机效率变化规律可知，电机转速越高，电机效率越高；电机扭矩越小，电机效率也越高。因此，一挡传动比取上限值i1max。此外，传动比越大，车辆的驱动力越大，加速性能也越好。

3.2 最高档传动比的选取

3.2.1 传动比取值范围的确定

最高档传动比i3的选取应满足最高车速的要求，即：

式中：nmax—电机最高转速；umax—汽车最高车速；r—车轮半径。

我国高速公路限速120km/h，车辆在高速公路行驶时常用车速为(100～120)km/h，为了使此车速区间内电机工作在高效率区，最高档传动比应满足：

式中：u1—车速，取值为120 km/h；n1—电机高效区上限转速，由电机效率特性图确定。

同时，在车辆满载以最高车速行驶时，驱动电机输出的转矩应能克服此时的行驶阻力矩，即：

根据上式确定三档传动比应满足：

式中：Tt—电机速度最大时对应的电机扭矩。

综上，最高档传动比取值范围为：max(i3min1,i3min2)≤i3≤i3max

3.2.2 传动比的选取

汽车用最高档行驶常处于高速小扭矩工况，高速小扭矩工况电机效率曲线图，如图4所示。可见，在此工况下，电机效率随着扭矩的增大而增大，但是随电机转速提高而降低。

图4 高速小扭矩工况电机效率曲线图Fig.4 Efficiency Curves of Motor under High Speed and Small Torque

3.3 中间挡传动比的选取

中间档传动比i2的选取应保证传动系统相邻档位比值小于(1.7～1.8)，否则会造成换挡困难。即：

目前，我国电动汽车综合续航里程采用欧盟NEDC测试标准。为提高电机效率，以提升续航里程，对NEDC循环工况进行分析，NEDC工况统计图，如图5所示。可见，90%的工况车速是在70km/h以下。为使电机高效区尽可能多地覆盖这个区间，则二档高效区最低车速不应大于一档高效区最高车速。为此二档传动比需满足：

式中：n2—电机高效区下限转速；

u2—一档高效区最高车速。

综上可确定二档传动比取值范围，然后以相邻档位传动比比值尽量相近为原则选取二档传动比数值。若i2min2不在［i1/1.7,1.7i3］范围内，则二档传动比取(1.7i3+i1/1.7)/2。

图5 NEDC工况统计图Fig.5 Statistics of NEDC Working Condition

4 纯电动汽车整车模型的建立

以市场上某紧凑型纯电动汽车作为原型车，该车动力电池采用酸铁锂磷电池，驱动电机采用永磁同步电机，变速器为固定齿数比的单速变速器，整车主要技术参数，如表1所示。整车最高车速达130km/h，百公里加速时间小于12s，NEDC综合续航里程为400km。为分析三档传动系统的降耗效果，对原型车驱动系统进行改动，建立了两种整车模型。

表1 整车主要技术参数Tab.1 Main Technical Parameters of Vehicle

4.1 整车模型一

在不改变原车型动力系统参数的基础上，将传动系统由一档改为三档。按照前述三档传动系统参数匹配方法确定各档位传动比，并根据电机高效区转速计算出各档位对应的高效区车速，如表2所示。

表2 原车型三档传动系统匹配结果Tab.2 Matching Results of Three-Speed Transmission System of Original Vehicle

4.2 整车模型二

由于原车型采用单速传动，为满足最高车速和最大爬坡度的要求，必须配备大功率高速电机。而采用多档传动机构，可降低对电机的要求。采用较低扭矩的电机，不仅有利于电机工作效率的提高，而且可降低电机成本[9]。基于此，在满足整车动力性指标要求下对电机重新选型并匹配三档传动系统，建立第二种整车模型。

4.2.1 电机参数确定

(1)电机峰值功率

根据整车动力性能指标，纯电动汽车电机峰值功率的选择需要同时满足最大爬坡度和百公里加速时间两种情况的功率需求[10]。

满足最大爬坡度所需要的功率为：

式中：ua为爬坡速度，为20km/h；a=arctanimax，imax为最大爬坡度，为30%。

满足百公里加速时间所需要的功率为[11]

式中：δ—旋转质量换算系数，取1.1；um—车辆原地起步加速的终止速度，为100km/h；tm—车辆加速到um所用的时间，取11s。

综上，电机峰值功率为：Pmax=max(Pi_max,Pa_max)

(2)电机额定功率的确定

电机的额定功率一般取水平路面上最高车速的90%或者120km/h匀速运行时的电机功率[12]，此时电机所需的功率应满足

式中：车速u—120km/h。

(3)电机转速和转矩的确定

电机转速影响电机的稳定性和成本。电机转速越高，对轴承要等部件要求越高，电机成本也越高，且过高的转速还会增加机械损失。因此，电机转速不宜选取过高。选取电机的最高转速为7000r/min。

电机最高转速与额定转速满足以下关系式：

式中：β—驱动电机扩大恒功率区系数，一般取(2～3)，这里取2。

电机的额定转矩TN和峰值扭矩Tmax由以下式子确定：

式中：λ—电机的过载系数。

基于以上分析，将相关参数带入式中计算，得到电机的各项参数，如表3所示。

表3 重新选型的电机参数Tab.3 Re-Selection of Motor Parameters

4.2.2 传动系参数匹配

在电机参数确定以后，根据3.1～3.3传动比的选取方法，重新匹配传动系统参数，各档位的传动比和高效区车速如表4所示。根据各档位的高效区车速，选取1档到2档的换挡车速为35km/h，2档到3档换挡车速是60km/h。

表4 电机重新选型后匹配的三档传动系统参数Tab.4 Three-Speed Transmission System Parameters Matched After Motor Re-selection

5 仿真分析

5.1 仿真模型的搭建与验证

应用ADVISOR软件搭建纯电动汽车仿真模型进行整车性能仿真分析。只有仿真模型正确，仿真结果才有参考的价值。ADVISOR针对每个部件都提供了很多类型，部件类型的正确选择与否，将直接影响仿真结果。应用原型车的参数对搭建的仿真模型进行验证。仿真模型选用电池类型为ESS_L17，电机类型为MC_PM100_UQM，变速器类型为TX_1SPD，车轮类型为WH_SMCAR。用原型车的电池、电机、变速器等部件参数替代模型原参数，选择新标欧洲循环工况CYC_NEDC(见图6)进行测试，设置循环数为37个，电池SOC初始值为1。仿真结果,，如图7所示。NEDC续航里程为400km，最高车速为130.1km/h，百公里加速时间为9.8s，与原车的性能参数相符，说明该仿真模型可用。

图6 NEDC循环工况Fig.6 NEDC Cycle Condition

图7 原车型参数下的整车性能仿真结果Fig.7 Simulation Results of Vehicle Performance Under Original Vehicle Parameters

5.2 仿真结果

采用NEDC循环工况，设定电池SOC初值为1，分别对整车模型一和整车模型二进行仿真，仿真结果，如表5所示。为方便比较分析，将原型车的相关数据也列入表中。

表5 仿真结果对比Tab.5 Comparison of Simulation Results

由表5可以看出，与原型车相比，模型一的续航里程增加了36.9km，最高车速提高了43.4km/h，加速时间缩短了0.1s，最大爬坡度提升了7%。可见，整车的动力性和经济性都得到了提升。模型二的续航里程增加了56.5km，最高车速基本没变，加速时间延长了2.1s，最大爬坡度降低了4.5%。虽然加速和爬坡性能有所下降，但加速时间仍在12s以内，最大爬坡度仍在30%以上，满足整车动力性能要求，说明重新匹配的电机和传动系统参数符合要求。

图8 三种整车结构下电机工作点分布图Fig.8 Distribution of Motor Working Points under Three Vehicle Structures

与原型车相比，优化后的整车模型一续航里程提高了9.2%，经换算百公里电耗降低了1.28kW·h；整车模型二的续航里程提高了14.1%，百公里电耗降低了1.87kW·h。三种整车结构在NEDC工况仿真中电机工作点分布图，如图8所示。电机工作点分布范围广，几乎涵盖整个电机转速区间，电机工作点效率普遍较低，如图8(a)所示。电机工作点基本上分布在转速6000r/min以下的区间，位于高效区的电机工作点数量明显增多，如图8(b)所示。与图8(b)相比，图8(c)中电机工作点在纵向和横向上分布都更广，位于高效区及周围的工作点数量更多；且在能量回收部分，电机工作点也由低效率区向中心高效区移动，电机总体效率更高。从上面的对比分析中可以看到，正是由于电机工作点向高效率区移动，提高了电机工作效率，从而提高了能量利用率，这也是整车续航里程得以提升的原因所在。

6 结语

在分析电机工作特性的基础上提出了以提高电机效率为目标的纯电动汽车三档传动系统参数匹配方法，并以某纯电动汽车为研究对象进行参数匹配与仿真分析，得出的结论如下：(1)在不改变原车型动力系统参数的情况上将传动系统由一档传动改为三档传动，整车的动力性和经济性都得到了提升，续航里程提高了9.2%，百公里电耗降低了1.28kW·h。(2)根据整车动力性能指标要求对电机重新选型后，采用三档传动可以进一步提高电机能量利用率，整车续航里程提高了14.1%，百公里电耗降低了1.87kW·h。(3)根据仿真结果可知，纯电动汽车采用三档传动有助于提升续航里程，也验证了提出三档传动系统参数匹配方法的有效性。该方法操作方便、快速，可用于电动汽车开发初期传动系参数的确定。