2006年11月
农业机械学报
第37卷第11期
*
杜发荣　吴志新
  【摘要】　针对目前电动汽车续驶里程短的问题，从车辆动力学的角度系统地建立了动力传动系统以及续驶里程的仿真模型。讨论了电动汽车动力传动系统参数设计和整车质量对续驶里程的影响。以某纯电动汽车为研究对象，分析计算了匹配两种不同传动系统时的续驶里程，并给出了仿真结果。实验表明，仿真结果与实验值误差不超过5%，从而验证了仿真模型的正确性和有效性。
关键词：电动汽车　传动系统　续驶里程　仿真中图分类号:U 469.72;U 463.202
文献标识码:A
Study on Driving Range and Parameter Design for the
Power Train of Electric Vehicles
Du Farong 1　Wu Zhix in
2
(1.B eihang Univer sity  2.Tianj in Qing Yuan E lectric Vehicle Co .,L td )
Abstract
Sim ulation m odels of driving range and the dynamic pow er train are established by the numbers in the dy nam ics aspect,aimed at the question o f w eak point in driving range of EVS.The effect of par am eters desig n in pow er train and the g rossmass of EVS on driving r ange is discussed .Based on some ty pe of EVS ,the driving rang e is analyzed and calculated according to matching tw o so rts o f different pow er tr ain.T he results of simulation are listed.T esting results indicate that the err or betw een calculated and tested data doesn't exceed 5%.T he co rrectness and validation of the sim ulation m odel is dem onstrated .
Key words  EVS,Pow er train,Dr iv ing range,Simulation
收稿日期:2005-08-19
*“863”高技术研究发展计划资助项目(项目编号:2003AA5010600)
杜发荣　北京航空航天大学汽车工程系　副教授,100083　北京市吴志新　天津清源电动车辆有限公司　高级工程师,300162　天津市
  引言
如何合理地选择电动汽车动力传动系统的零部件及其有关参数，使其达到最优匹配，从而提高电动汽车的动力性能，在相同电池条件下，增加续驶里程，一直是研究者追求的目标[1]。
提高续驶里程的方法很多，如增加车载电池组容量、提高动力传动系统效率、减小整车质量等。本文考虑两种不同的传动系统，即在动力电池和电动机等主要部件参数不变的情况下，采用五挡变速器和固定速比减速器，计算电动汽车的续驶里程，进而研究整车质量对电动汽车续驶里程的影响。
1　仿真模型
1.1　车辆直线行驶动力学模型
电动汽车沿直线方向行驶时，行驶动力学方程为
[2～3]
F q =F w +F f +F  +F j
(1)
式中　F q ——电动汽车驱动力,N
F w ——车辆行驶时的空气阻力,N
F f ——滚动阻力,N F  ——坡道阻力,N F j ——加速阻力,N
目前，测量续驶里程的方法主要是等速法，即电
动汽车充满电后，测量其在水平良好路面上匀速行驶的最大里程数。因此，计算续驶里程时的动力学模型为
F q =F w +F f
(2)
1.2　电动机和动力电池模型
1.2.1　电动机模型
选择电动机的功率时应保证汽车预期的最高车速，所选择的电动机功率应不小于电动汽车以最高车速行驶时的阻力功率之和，即P e =1 Gf 3600u a max +C D A 76140
u 3
a max
(3)
式中　P e ——车辆消耗功率,kW
G ——汽车总重量,N u a max ——最高车速,km /h
f ——滚动阻力系数　C D ——空气阻力系数A ——迎风面积,m 2
  ——传动系统效率
电动机的性能参数有许多，但与续驶里程密切相关的是转矩输出特性以及相应的电动机效率特性。图1是经过数据处理后的电动机转矩、效率map 图。电动机转矩输出的正区域为驱动特性，负区域为发电
机特性，在3600r /m in 附近为电动机恒功率和恒转矩的切换点。等高线为电池、控制器和电动机系统的总效率曲线。
图1　电动机特性、测试效率图
Fig.1　Elect ro moto r pr opert y,testing efficiency map
1.2.2　动力电池模型
目前，可作为电动汽车车载能源的动力电池有
多种，如铅酸、镍镉、镍氢、钠硫、锂离子及飞轮电池和燃料电池等，其中最有前景的是镍氢、钠硫、锂离子以及飞轮电池和燃料电池。无论采用哪种电池，在研究续驶里程时，主要关心放电电流与放电时间的关系[4]
。目前主要采用Perk 方程
[5]
t =k I
-
n
b
(4)
式中　t ——放电时间
I b ——放电电流,A
k 、n ——常数
k 、n 与电池本身有关，可以通过放电实验数据
计算而得到。本文计算时选用锂离子动力电池组，容量80A ・h，标称电压336V 。1.3　传动系统模型
电动汽车机械传动系统的主要部件包括变速器(或固定速比减速器)、差速器、半轴、驱动车轮等。为了研究传动机构对续驶里程的影响，考虑2种传动系统。
1.3.1　五挡变速器
某型号电动汽车是在夏利2000燃油汽车的基础上研制的，保留原车五挡变速器不变，仅改变其相关部件，整车主要技术参数见表1。
表1　某电动汽车整车主要技术参数Tab .1　Main technical parameters of whole vehicle of some type of EVS
参数
五挡变速器固定速比变速器传动比  3.181/1.842/1.250/
0.864/0.707
1.842主减速比
4.266  4.266最大车速v max /k m ・h -1≥120≥1200～50km /h 的加速时间/s 与原车相当1050～80km/h 的加速时间/s 与原车相当
15最大爬坡度/%>20>20等速法续驶里程S /km ≥200≥230工况法续驶里程S /km ≥150≥150迎风面积A /m 2  1.955  1.955空气阻力系数C D 0.290.29车轮滚动半径r /m
0.283
0.283
1.3.2　固定速比减速器
为了提高传动系统效率，应去掉笨重的机械齿轮变速器，代之以固定速比减速器的传动系统。固定速比的确定非常重要，如果选择不合适，将对整车的
性能产生不利影响。通过优化设计，保留原车的主传动比i 0不变，取原五挡变速器的Ⅱ挡速比为电动汽车的固定速比i g 。1.4　续驶里程计算模型
通过性能计算模型以及变分原理，可以得出以
下结论[4～6]: 各种不同的匀速行驶策略中，以速度接近零行驶时，车体所消耗的能量最小，对于拥有固定能量的系统来讲，其续驶里程也最长。 在各种变速度行驶中，在规定时间t 内行驶规定距离S ，消耗
能量最少的是以匀速v 行驶完成的，速度v =S /t 。 对于一个加速过程，在保证起始、终止速度和距离一定条件下，在起始和终止时刻以最大能力提速，而在加速过程中，以匀速行驶所消耗的能量最小。
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续驶里程是反映电动汽车行驶性能的一个重要指标。设车辆以速度v 匀速行驶时间为t ，则一次充电续驶里程计算模型为[7]
S =Wv P e
(5)
式中　S ——续驶里程,km
W ——动力电池总能量,A ・h
v ——车辆行驶速度,km /h
2　设计和计算实例
选用2种类型的传动系统，即原五挡变速器和固定速比减速器。根据以上建立的模型，利用计算机数值分析方法对电动汽车续驶里程进行了计算。2.1　配五挡变速器的传动系统
整车整备质量1500kg ，最大总质量1800kg 。计算结果见图2和表2
。工况法计算欧洲市区循环
图2　续驶里程计算结果F ig.2　Results o f dr iv ing r ange
续驶里程为195km 。在30km/h 车速、Ⅰ挡下，续驶里程最大，可达288km 。
表2　不同挡位和车速匀速行驶续驶里程Tab .2　The driving range of unif orm velocity
at dif f erent gear and velocity
车速v /km  h -1
挡位电动机转速/r  min -1
续驶里程S /k m
20Ⅰ254328730Ⅰ381428830Ⅱ220727840Ⅰ508627540Ⅱ294226040Ⅲ200025250Ⅱ367824350Ⅲ250023050Ⅳ172018660Ⅱ441422460Ⅲ299921560
Ⅳ
2063
208
2.2　固定速比传动系统
取消离合器和五挡变速器，仅保留一对原Ⅱ挡减速齿轮，同时对电池箱进行减重设计。具体参数为：整车整备质量1315kg ，最大总质量1615kg ，不同车速下匀速行驶续驶里程计算结果见表3。工况法计算欧洲市区循环续驶里程为215km 。2.3　续驶里程实验数据
电动汽车与传统燃油汽车无论是结构还是工作模式都存在差异，在道路实验阶段无法完全照搬传统汽车的实验方法，要针对它的特殊性进行。本研究以匹配固定速比传动系统的电动汽车为实验样车进
行了续驶里程实验，要求电动汽车续驶里程在40km /h 等速工况下应大于230km，为保证车辆的
安全，实验人员在汽车电量并未完全用尽的情况下中止了实验，车速仍能维持40km /h 匀速行驶，此时续驶里程达到了252.9km，行驶时间为380m in 。城市行驶工况续驶里程达到172km 。
表3　不同车速下匀速行驶续驶里程Tab .3　The driving range of uniform
velocity at dif f erent speeds
车速v /km ・h -1
电动机转速/r ・min -1
续驶里程S /km
20147126730220728440294326350367924760
4414
227
2.4　计算和实验结果分析
分析以上计算结果可以看出：采用固定速比减速器时由于整车质量减少了185kg ，城市行驶工况续驶里程增加了20km ；低速(20km/h )行驶时，续驶里程反而减少了20km；中速(40km/h)行驶时，两车的续驶里程基本相当；高速时(60km/h)，略大于五挡变速器的续驶里程。同样车速情况下，选用挡位不同，续驶里程不同，如中速40km /h ,Ⅰ挡匀速行驶时S =275km ,Ⅲ挡匀速行驶时S =252km ，两者相差
23km 。这一方面说明减轻整车质量是提高续驶里程的有效措施之一，同时也说明只有合理匹配传动系统参数，才能保证该措施的有效性。
车辆以40km /h 匀速行驶时，实验测得S = 
(下转第44页)
北京电动汽车11
　第11期杜发荣等：电动汽车传动系统参数设计和续驶里程研究
表2　汽车离合器的传动转矩统计模型参数最优估计结果
Tab .2　Estimated parameters of statistical
model of clutch torque service load
1
1
1 2
2
2
p 1
0.86209.07680
0.9139  6.5485-0.62700.3846
5　结束语
按照最小二乘法的原则，提出多重混合W eibull
分布参数最优估计方法，能够方便地解决二重混合分布统计模型参数估计问题，算例中得到的统计模型与试验结果吻合。
统计模型参数的最佳估计属于非线性优化问
图4　统计模型与试验数据比较F ig .4　Co mpariso n bet ween statist ical m odel
and t est result s o f clutch to rque
题，合理地选取初始值对参数的最佳估计有比较大的影响。
参
考
文
献
1　T ho mas Co leman ,M ar y A nn Branch ,A ndr ew G ra ce .Optim izatio n to olbox for use w ith M A T LA B :user's guide
v ersio n 2[M ].T he M ath W or ks I nc,1999.
2　李光久.应用数理统计[M ].南京：东南大学出版社,1993:112～121.
(上接第11页)
252.9km ，大于合同书要求的230km 。计算和实验结果最大误差为(263-252.9)/252.9×100%=4%，完全能够满足工程实际的需要。
3　结束语
电动汽车传动系统参数设计对续驶里程有一定的影响。车辆以较低速度(小于30km /h )行驶时，固
定速比传动系统的续驶里程略小于五挡变速器的续驶里程；而当行驶速度大于或等于40km /h 时正好相反；各种挡位下，应尽量保持匀速行驶。整车质量对续驶里程有很大影响，随着整车质量减小，续驶里程增加；必须合理匹配传动系统参数，才能保证其它提高续驶里程措施的有效性；通过对某型号纯电动汽车续驶里程仿真计算，验证了所建模型的正确性。
参
考
文献
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