纯电动汽车驱动系统配置和性能的比较分析
张黎鹏 梁李 启斌男 宋健
摘要: 纯电动汽车可以采用各种驱动系统。为了选择最合适的驱动系统,对配置不同的驱动系统的特点进行了分析。在匹配的纯电动汽车的驱动系统中进行了动态性能比较，以城市驾驶循环为例，建立在车辆能源消耗模型的基础上，经济比较这些已经完成的驱动系统。研究结果表明，虽然单电动机直接驱动系统结构最简单, 但具有最糟糕的表现，一个是两个齿轮传动被添加后,动态性能显著提高,练习场是增长了3.6%,但是自动变速器的功能难以得到解决;另一个是可以提高车辆动力学性能采用轮内马达驱动系统,但实际驾驶效率不高;主、副电机耦合传动系统比单电动机直接驱动系统传动效率高,练习场增加7.79%适用于电动汽车用简单的结构要求。
介绍
作为一个核心组件,电传动系统的技术水平直接制约纯电动汽车的整体性能。如今, 采用各种各样的驱动系统,。根据车轮驱动转矩的电源,驱动系统的模式可分为集中式和分布式驱动开车。集中驱动系统的驱动转矩增加了或少传输和分配给齿轮减速器的这两个微分轴,其中包括单电动机驱动系统和主要和辅助电机耦合传动系统。在分布式驱动电动汽车上,每个驱动轮有一个单独的驱动系统。轮驱动系统是分布式驱动的主要形式。
集中驱动的技术相对成熟,但大约是一般的驱动力分配给左右半轴的微分,个别车轮的驱动转矩在大多数车辆中不能独立调整。很难进行车辆运动学和动力学控制,而无需安装其他传感器和控制机制[1]。分布式驱动的技术是近年来新兴。因为被大多数车轮之间的机械零件和汽车所取代,分布式驱动系统具有结构紧凑,传动效率高[2]。
为了选择最适合电动汽车的驱动系统,配置和动态特性分析和经济性能比较不同驱动系统已经完成。本文的组织结构如下:第二节介绍了驱动系统的配置特性分析;第三节介绍了车辆参数和驱动系统的组件性能;第四部分进行不同的驱动系统的动态性能比较;第五部分决定了经济学的优点不同驱动系统的性能,部分最后,一些结论是聚集在第六节。
配置分析
集中驱动系统
集中驱动系统广泛应用于各种类型的电动汽车,主要配置如图1所示。M是驱动电动机,R是固定比率减速器,T是传输,D是微分和W车轮。图1(a)是一种单电动机驱动系统由减速器扭矩增加,称为直接驱动系统。图1(b)是一个非常类似的除了扭矩增加了传输的单电动机驱动系统。因为驱动电动机的调速范围大于内燃机,齿轮的传动用更少的数量可以满足任何类型的电动汽车的驾驶情况。图1(c)是另一个集中的驱动系统,它采用两个驱动电机和减速机, 在大多数时候，电机驱动的车辆作为主要电源,另一个开始只有用作额外的力是必要的。
图1 集中驱动系统配置
直接驱动系统开发成本最低,因为最简单的机械结构和控制方法可能是最广泛使用的纯电动驱动系统。由于车辆的动态和经济性能是完全由驱动电动机控制的,因此高要求驱动电机的特点是必要的。因为multi-gears传输已经匹配,车辆驱动系统如图1所示(b)可以获得更好的动态性能,同时减少电动机的性能需求。然而, 必须得到解决自动改变速度的问题,否则,容易出现控制的电动汽车的优势将丢失的不方便操作。因为电力补偿可以及时意识到电动汽车主要的经济表现可能会大幅增加,但其动态性能也受到驱动马达的影响。
大部分的组件中使用的传输内燃机可能会被驱动车继续被使用,因为集中驱动系统的继承是好的。驱动系统安排在发动机舱内,所以冷却的问题,隔离和电磁干扰等问题容易处理。但驱动力大约平均分配给左右半轴的微分,个别车轮的驱动转矩难以独立调整。很难进行车辆运动学和动力学控制从而无需安装其他传感器和控制机制。
分布式驱动系统
分布式驱动系统的配置如图2所示。在图2(一个),由多个低速车辆驱动轮毂电机与外转子组成直接安装在车轮的外缘。因为所有的传输被取消,传动系统的传动效率最高,但驱动电动机的性能更差。在图2(b),车辆中是由多个高速内转子轮毂电机通过一些行星齿轮减速机组成,传动系统的体积小于外转子电机驱动系统,如图2所示(c),驱动系统安装在框架上的车辆, 由于安装在车轮,它通过短半轴和驱动轮可以提高车辆性能。驱动系统如图2所示(a)和2(b)被称为“轮内马达驱动系统。
图2 分布式驱动系统配置
因为大多数车轮之间的机械传动部分替换为控制信号,分布式驱动系统具有结构紧凑,传动效率高的特点。汽车的精确的转矩响应可以增强现有的车辆控制系统,例如防抱死制动系统(ABS),牵引力控制系统(TCS),直接摆力矩控制(DYC),和其他先进车辆运动/稳定控制系统(3、4、5、6)。基于上述优点,分布式驱动成为电力传动技术的重要发展方向。
由于多级变速器很难匹配现有分布式驱动系统中,车辆动力学是完全取决于驱动马达。一方面,很难平衡多重需求加速和高速的攀升,;另一方面,在车辆加速或爬上一个陡坡的过程中,电机过热和自我保护的现象可能会发生,这将威胁交通安全。此外,由于转矩自动平衡分布机制,如删除微分之间的同轴分布式驱动电动汽车的驱动轮,每轮的驱动转矩得到完全是取决于相应的驱动系统。确保车辆按照预期运行轨迹行动,每个驱动系统的输出扭矩必须依照一个复杂的控制策略动态控制[7]。确保车辆直接的旋转速度和每个驱动电动机的驱动转矩必须大致相等。所以,在大多数的车辆行驶条件下,发动机工作在相同的低效率,这将影响到实际驾驶分布式驱动电动汽车的效率。
车辆参数和部件性能
以前轮驱动小型电动汽车组装不同驱动系统为例进行研究。车辆的主要参数如表1所示
表1 车辆参数
选择大的永磁同步电动机的驱动电动机单电机集中驱动系统,和两个小永磁同步电机总功率和性能一样大的电动机中选择的驱动电机是分布式驱动系统或主和副电机耦合驱动系统。配置在图2(c)选为分布式驱动模式。驱动电机的技术参数如下:总额定功率光磁电式16千瓦,总峰值功率Pmmax 32千瓦,额定速度nme 2940 r / min,最大转速nmax 7500 r / min,总峰值扭矩Tdmax 78海里,144 V,额定电压问题和工作电压的范围是120 - 180 V之间的对应关系驱动转矩Tdi和每个小电机的转速倪总效率包括控制器eta;d可以通过一个专门的测功器测量如图3所示。
图3 电机特性曲线
选择了磷酸铁锂动力电池作为电源。它是45 100Ah LiFePO4磷酸铁锂电池。当他们一起使用，用电总量为14.4千瓦时。可以计算基于当前电池SOC集成方法[8]
SOC0是SOC的初始值;IL瞬时电流, 在卸货期间这是一个正值,一个负值充电;C是电池容量;dt是一个常数,即采样频率的倒数。根据基尔霍夫电压定律,放电电流是在任何时候IL内部当前的电池,应该写成
其中Uoc大写是电池开路电压;UL电池端电压;R是电池内部电阻,与SOC有一定关系,电池充电和放电功率和电池温度;Pdsg电池放电功率。Uoc和获得的SOC测试之间的关系如图4所示。内部阻力之间的关系和由实验获得的SOC如图5所示。
图4 开路电压和SOC之间的关系
图5 内部阻力和SOC之间的关系
表面测试电池组放电效率衡量测力计和充放电测试仪是图6所示。
图6 电池充电或放电效率
动态性能比较
计算方法
车辆最大速度ua马克斯是由提供的额定功率驱动马达决定,这是
其中eta;i是传动系统的传动效率,i = 1或2;g是重力加速度,让g = 9.81 m / s2。
车辆0 - 100 km / h加速时间t和最大爬坡能力alpha;max可以计算根据提供的峰值功率驱动汽车。他们是[9] （4） （5）
delta;i驱动系统的旋转质量换算因子,u是车辆的瞬时速度。
计算结果
获得车辆动态性能曲线如图7所示。清晰的仿真结果,不同驱动模式是由不同颜色的曲线和类型,如表2所示。
表2 曲线代表不同的模式
- 驾驶和抵抗能力
图7 车辆动态性能
因为汽车的总功率和减速器比在直接集中驱动系统和分布式驱动系统是相同的,车辆的动力学性能指标非常接近。最大爬坡能力是30%,最高速度是108公里/小时。仅仅因为传动效率之间的区别,加速和爬坡能力的分布式驱动系统略强于直接集中驱动系统。速度传播的使用可以显著提高车辆的爬坡能力和最大瞬时速度。最大爬坡能力是40%,最大瞬时速度是140公里/小时。此外,在不考虑延迟的转变的情况下,加速时间从0 m / h仅50公里/小时4.7 s。这证明了引入传输可以大大提高车辆动态性能。
经济性能比较
汽车能源消耗分析
车辆运行符合某些条件。因此,能源消耗不仅在驾驶情况下,而且在制动的情况下应考虑电机再生制动。在样本点,车辆瞬时能耗Delta;E是（6）
其中Fb是道路产生的制动力制动系统;ua是真正的一个样本点,车辆速度Delta;u速度单位,Delta;t是一个时间单位。
能源消耗的驾驶情况
根据传动系统功率的表达在驾驶情况下,用电量Edsg可以被描述(7)
Edsg哪里电池能耗;kappa;样本点的总数在驾驶情况;ud是相应的速度采样点驾驶情况;tau;是抽样顺序的驾驶情况。
能耗制动的情况
再生制动是一个重要的功能的高性能电动汽车。由于允许选择的磷酸铁锂动力电池的充电电流在短时间内超过2摄氏度,电动机可以按照最大功率进行再生制动。
当所有所需的制动转矩可以提供的汽车,在一个简单的汽车制动中。再生制动能量回收的Delta;Echg1单位时间。当所需的制动转矩的一部分不能提供的汽车,机电耦合制动的能量，从SAE下载国际武汉科技大学,星期六,2016年3月12日
复苏的再生制动Delta;Echg2单位时间。因此,汽车的电能可以恢复在一个特定的制动情况中。
(8) (9) (10)
Echg恢复能量的制动情况;Pbsg汽车再生制动能力;eta;b汽车再生制动效率;eta;chg电池充电效率;upsilon;样本点的总数在制动情况;上图是相应的速度采样点的制动情况。
能源消费总量
在一个特定的运行情况,总用电量可以释放(11)
驾驶循环
城市驾驶循环——测力计开车进度(udd)成立比较经济驱动系统的性能。驾驶循环曲线如图8所示。
图8 城市测力计推动进度
计算结果
放电容量的变化过程和SOC由图9和图10所示,仿真结果的比较由表3所示。由于整体传动效率低,在双速传输已经匹配的情况下,经济集中驱动电动汽车的性能接近分布式驱动电动汽车。主、副电机耦合驱动电动汽车可以大幅增加练习场的降低功耗，因为汽车可以自动协调扭矩输出。与汽车相比单电动机驱动的直接集中驱动系统,车辆的练习场由双速传动的传动系统是增加了3.6%;然而,练习场的车辆由主和副电机耦合传动系统增加了7.79%。
图9 放电容量
图10 SOC变化过程
表3 仿真结果的比较
结论
如今,单电机直接驱动系统是应用最广泛的纯电动汽车的驱动系统。但是由于车辆性能完全受制于驱动电动机,驱动效率和动态性能不理想。添加了一个双速传输后,传动系统的动态性能显著提高,汽车驾驶范围增加。本文由一个电动机相比出发,汽车驾驶直接集中驱动系统,爬坡能力增加了30%,练习场是增加了3.6%。然而,自动变速器的功能难以得到解决。由于动力学控制的优越性, 在未来轮内马达驱动系统可能成为主要的传动系统,但传动效率只是一样的使用一个与双速电机直接驱动系统传播。主和副电机耦合传动系统也是一个选择,一个相对简单的结构和传动效率高于大多数其他的驱动系统。与汽车驾驶由一个电动机直接集中驱动系统相比,练习场增加了7.79%。加上很容易实现的控制策略,主要和副电机耦合传动系统具有广阔的应用前景,但是应用程序对象和开发成本是应该考虑限制他们的推广和采用的关键因素
引用
[1]李朱H,L,尹浩然,金.实时偏航率预测基于非线性模型和车辆动态反馈补偿控制。Proc我科学E D部分:J Aut,2013年,227:1431 - 1445
[2]日本村田公司美国创新的行驶安全性.车辆系统动力学,2012:807 - 830
[3]Dadashnialehi,Bab-Hadiashar,曹Z W,et al.
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