纯电动汽车驱动系统设计及仿真研究

机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE第1期2016年1月纯电动汽车驱动系统设计及仿真研究李素华江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056摘要纯电动汽车与燃油汽车相比，具有传动效率高、节能环保等优点。驱动系统是纯电动汽车的核心部件，决定了整车的动力性能和经济性能。对驱动系统进行整体设计，选取合理的系统控制策略并进行仿真具有重要意义。首先对驱动系统模型进行设计，建立了加速踏板、铅酸蓄电池、电机和传动系统的仿真模型。随后采用双闭环控制方法，利用MATLABSIMULINK对驱动系统模型进行仿真。研究表明采用双闭环控制方法，汽车行驶速度曲线更加平滑，抗路面干扰能力更强。关键词电动汽车驱动系统；控制方法；系统仿真中图分类号TH16；U464文献标识码A文章编号10013997201601004003DRIVESYSTEMDESIGNANDSIMULATIONRESEARCHOFPUREELECTRICVEHICLEUSUHUASCHOOLOFELECTROMECHANICALARCHITECTURALENGINEERING，JIANGHANUNIVEMI，HUBEIWUHAN430056，CHINAABSTRACTCOMPAREDTOPUREELECTRICVEHICLESZCARS，PUREELECTRICVEHICLESHAVETHEADVANTAGESOF她TRANSMISSIONEFFWIENCY，ENERGYCONSERVATIONANDENVIRONMENTALPROTECTIONDRIVESYSTEMISTHECORECOMPONENTOFPUREELECTRICVEHICLES，DETERMINESTHEYNAMICPE咖丌】伽EANDECONOMICPEFFORMANEOFVEHICLEITISOFGREATSIGNIFICANCEFORDRIVESYSTEMOVERALLDESIGN，SELECTINGREASONABLESYSTEMOFCONTROLSTRATEGYANDSIMULATIONTHEDRIVESYSTEMMODELWASDESIGN，ANDACCELERATORPEDAL，LEADACIDBATTERY，MOTORANDDRIVESYSTEMSIMULATIONMODELWEREESTABLISHEDTHENUSINGDOUBLECLOSEDLOOPCONTROLMETHOD，THEDRIVESYSTEMMODELWASSIMULATEDBYMAABSIMULINKSTUDYSHOWSTHATUSINGDOUBLECLOSEDLOOPCONTROLMETHODCANIMPROVETHEDYNAMICPERMANCEANDROADSUCACEDISTURBANCERESISTANCEOFPUREELECTRICVEHICLESKEYWORDSPUREELECTRICVEHICLE；DRIVESYSTEM；CONTROLMETHOD；SYSTEMSIMULATION1引言纯电动汽车具有能耗低、效率高、污染少等优点【L】。由于电动汽车仍处于研发调试阶段，因此并未得到大范围应用，电动汽车推广的瓶颈问题主要有233研发高能蓄电池、提高驱动系统效率、建造快速充电站等。因此，设计具有高动力性能且能耗较低的驱动系统具有重要意义。驱动系统将高能蓄电池中的电能转换成汽车前进所需的机械能，同时在车辆快速制动时将机械能回收，纯电动汽车驱动系统基本框架，如图1所示。目前，国外厂家已经具备了较为完善的驱动系统控制技术，其生产的电动汽车整车性能良好；国内相关科研院所也已掌握了驱动系统设计方法，并开始小范围生产，但国内整体研发水平与国外仍有较大差距，驱动系统研究水平有待提高N一。驱动系统是纯电动汽车的核心部件，决定了整车的动力性能和经济性能。驱动系统包括主控制器、铅酸蓄电池、电机和传动系统句。驾驶员通过操作加速踏板，加速踏板将驾驶意图转换为电信号传输到主控制器，主控制器基于控制策略调整PWM信号并将其输送至IGBT，实现驱动电机调控。通过对驱动系统模型进行设计，建立了加速踏板、铅酸蓄电池、电机和传动系统的仿真模型，采用双闭环控制方法，利用MATLABSIMULINK对驱动系统模型进行仿真。希望为今后纯电动汽车驱动系统设计研发提供帮助。电源系统图1纯电动汽车驱动系统基本框架F培1BASICFRAMEWORKOFPUREELECTRICVEHICLEDRIVESYSTEM来稿日期20150724基金项目湖北省教育厅科研项目B2013159作者简介李素华，1971一，女，湖北天门人，硕士研究生，副教授，主要研究方向汽车生态工程第1期李素华纯电动汽车驱动系统设计及仿真研究412驱动力平衡方程电动汽车高速行驶时，假设驱动力和地面滚动力阻力都作用在车轮上，则其驱动力平衡方程为FKFFFFI1车轮上的驱动力2式中一电机输出转矩；矿一电机与车轮间的传动效率；，_一总传动比；R厂车轮半径。地面滚动阻力，OS3式中，”一电动汽车质量；G一当地重力加速度蘸动阻力系数，取001；度。空气阻力旦4一，式中C一风阻系数，取045；P一空气密度，取1226KGM。；A一电动汽车迎风面积；车速。加速阻力FSM5式中6旋转质量换算系数，取107。3驱动系统设计及模型建立31加速踏板模型驾驶员踩踏传统汽车加速踏板时，节气门发生旋转并实现喷油量调节，从而实现对发动机转速的控制。踩踏电动汽车加速踏板时，加速踏板发生旋转并产生电信号，电信号经过滤波后到达主控制器，如图1所示。选用PASSAT电子油门模拟电动汽车加速踏板，对其进行踩踏试验并记录不同旋转角下的输出电压，实验结果，如图2所示。旋转角度图2加速踏板转动角度与输出电压曲线FIG2ACCELERATORPEDALROTATIONANEWITHOUTPUTVOLTAGECURVE由图2可知，拟合曲线主要分为3段，因此旋转角度与输出电压间的关系可用分段函数表示。输出电压间拟合函数00358301929009时，预测结果与试验结果相差较大。这是由于放电末期蓄电池内部存在极化作用，端电压变化较快，设备采集数据较少，降低了神经网络模型的准确性。42机械设计与制造NO1JAN201633电机和传动系统模型驱动系统电气部分由电机和控制器组成，电机和车轮间通过传动系统实现转矩传递。永磁直流电机电动运行动态方程为也幅9式中【，厂电机端电压；R一电阻；，厂电枢电流；一电抗；E一电机反电动势。在MATLABSIMUHNK中建立电机仿真模型，如图5所示。选择机械转矩作为电机仿真模型的输入参数，当电机正向旋转时，输入量为正值，此时处于电动机状态；当电机反向旋转时，输入量为负值，此时处于发电机状态。此外，和厶也为仿真模型输入参数，其可以对电机转速、转矩进行调节。仿真模型输出量为电动机转速、电磁转矩和电流。转速励磁电流电枢电流转矩控制系统永磁直流电机图5电机仿真模型FIG5MOTORSIMULATIONMODEL传动系统将电机输出转速传递给车轮，其具有减速增扭的功能。电动汽车制动时，传动系统将车轮动能传递给驱动电机，实现制动能量回收。传动系统模型包括变速器模型、传动轴模型、主减速器模型11】。4模型验证仿真车辆整备质量为1650KG，轮胎半径为0282M，迎风面积为0335M，五档变速器传动比分别为1375、757、501、377、283。仿真驱动电机额定电压220V，额定转速3000RMIN，额定功率30KW，电机质量86KG，最高效率95。基于驱动系统仿真模型参数，选择城市道路运行工况，在MATLABSIMULINK中进行双闭环控制仿真。电动汽车行驶距离仿真结果，如图6所示。汽车行驶速度仿真结果，如图7所示。从仿真结果看，电动汽车行驶距离为153KM，仿真行驶距离与实际行驶距离基本一致，证明了驱动系统模型的正确性。仿真发现行驶过程中铅酸蓄电池电量出现上升情况，说明此时的驱动电机处于发电状态，因此驱动系统具有制动能量回收功能。双闭环控制方法与传统控制方法相比，汽车行驶速度曲线更加平滑，运行状态更为稳定，抗干扰能力更强。吕褪靶时间TS图6汽车行驶距离仿真结果FIG6OPERATINGRANGESIMULATIONRESULTS10O806040婪20020004000600080001000012000140001600018000时间TS图7汽车行驶速度仿真结果FIG7CARSPEEDSIMULATI0NRESULTS5结论驱动系统是纯电动汽车的核心部件，决定了整车的动力性能和经济性能。对纯电动汽车驱动系统进行设计和仿真，分析了驱动系统各模块的工作机理，建立了加速踏板、铅酸蓄电池、电机和传动系统仿真模型。采用双闭环控制方法，利用MATLABSIREULINK对驱动系统模型进行仿真。研究表明纯电动汽车驱动系统具有制动能量回收功能；采用双闭环控制方法，汽车行驶速度曲线更加平滑，抗路面干扰能力更强。参考文献1邱斌斌，朱绍鹏，马浩军电动车辆驱动控制系统仿真测试平台设计J浙江大学学报工学版，2015，49611541159QIUBINBIN，ZHUSHAOPENG，MAHAOJUNDESIGNONSIMULATIONANDTESTPLATFORMOFELECTRICVEHICLESDRIVECONTROLSYSTEMJJOURNALOFZHEJIANGUNIVERSITYENGINEERINGSCIENCE，2015，496115411592邢忠义增程式电动汽车RES系统优化策略仿真分析J机械传动，2015，394139141XINGZHONGYISIMULATIONANALYSISOFRESSYSTEMOPTIMIZATIONSTRATEGYOFRANGEEXTENDEDELECTRICVEHIELEJJOURNALOFMECHANICALTRANSMISSION，2015，3941391413熊璐，陈晨，冯源基于CARSIMSIMULINK联合仿真的分布式驱动电动汽车建模J_系统仿真学报，2014，265114311481155XIONGLU，CHENCHEN，FENGYUANMODELINGOFDISTRIBUTEDDRIVEELECTRICVEHICLEBASEDONCOSIMULATIONOFCARSIRDSIMULINKJJOURNALOFSYSTEMSIMULATION，2014，2651143114811554李九灵，吴德旭，冯维电动液压助力转向系统能耗分析与仿真J机械设计与制造，20145189191LIJIULING，WUDEXU，FENGWETTHEENERGYANALYSISANDSIMULATIONOFELECTROHYDRAULICPOWERSTEERINGEHPSSYSTEMJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE，201451891915龚贤武，吴德军，马建增程式电动汽车动力系统参数匹配与仿真研究J机械科学与技术，2014，336929933GONGXIANWU，WUDEJU，MAJIANPARAMETERMATCHINGANDSIMULATIONSTUDYOFPOWERTRAINFOREXTENDEDRANGEELECTRICVEHICLEJMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGYFORAEROSPACEENGINEERING，2014，3369299336阳洋，王傅忠，黄菊花增程式电动汽车动力系统仿真匹配分析JJ机械设计与制造，201495861YANGYANG，WANGFUZHONG，HUANGJUHUASIMULATIONANDMATCHINGANASISOFREEVPOWERTRALNJJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE，201495861下转第46页机械设计与制造NO1JAN2016图4增长率81时不同波形破岩效率叼与持续时间卢对应关系FIG4EFFICIENCYRVERSUSWAVEDURATION卢FORDIFFERENTINCIDENTWAVEWITHGROWTHRATE口1通常情况下，冲击系统中冲锤和钻杆材料特性相同，此时产生的应力波为矩形波，00时的效率，如图3所示。当0503，效率相对较高。005时，矩形波和最佳波效率接近，分别为06191和06321。当BI26时，矩形波取得效率最大值，为08151Y，最佳波的效率为09201Y。133时，矩形波和最佳波效率分别为06121叫和099813。根据文献【9研究，入射波持续时间和冲锤长度有关，文献【为能量传递效率随活塞长度增加以及接头质量减小而提高。因此为了获得最佳持续时间，应根据实际需要设计合适的冲锤长度，进而获得需要的入射波形；入射波形还与冲击系统冲锤形状有关，应设计冲锤形状使冲击系统冲锤产生的波形为指数型；冲击能量传递效率还与波阻有关，应将冲锤设计成等截面细长型，以减小波阻。5结论根据MATLAB仿真结果与分析，可得出以下结论1有限持续时间的最佳入射波形是指数型的，其增长率与冲击系统特征响应时间相等。2最大效率随最佳人射波形持续时间的增而增大，理想状况下接近1。3较短持续时间内，最佳入射波形近似于矩形波，此时效率较低，中等或者较长持续时间内，最佳入射波形比矩形波有更高的效率。4冲击系统冲锤的应根据需要设计成截面较小，长度适中的几何形状，以达到产生指数型波形的要求。参考文献1王克雄冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用研究JL石油钻采工艺，1999559WANGKEXIONGRESEARCHANDAPPLICATIONOFPERCUSSIONROTARYDRILLINGTECHNOLOGYINPETROLEUMDRILLINGJOILDRILLINGPRODUCTIONTECHNOLOGY，19995592范永涛，黄志强，高德力物探冲旋钻头破岩机理仿真研究J3石油钻探技术，20113110一L13FANYONGTAO，HUANGZHIQIANG，GAODE1IRESEARCHONROCKBREAKINGMECHANISM0FGEOPHYSICALPR0SPECTINGHAMMERBITJPETROLEUMDRILLINGTECHNIQUES，201131101133刘德顺，何先可，段凯基于人、反射波的杆波阻特性反演方法JJ煤炭学报，2009912811284LIUDESHUN，HEXIANKE，DUANKAITHEINVERSIONOFVARIABLECHARACTERISTICIMPEDANCEOFTHERODBASEDONINCIDENTWAVEANDREFLECTIONWAVESLJJJOURNALOFCHINACOALSOCIETY，20099L28112844孙奇涵，姜鲁珍冲击式采掘机械工作机构的研究J机械设计与制造，200249495SUNQIHAN，JIANGLUZHENTHESTUDYOFPICKMININGMACHINEOPERATINGMECHANISMJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE，2002494955谭力，毛莉军，田佳戈冲击机械能量传递研究J机械，20098911TANLI，MAOLIJUN，TIANJIAGEIMPACTMACHINEENERGYTRANSFEREFFICIENCYSTUDYJJMACHINERY，20098911L6VFLONGANINVESTIGATIONAIMEDATIMPROVINGTHEEFFICIENCYOFPERCUSSIVEROCKDRILLINGLJJJOURNALOFTHESOUTHAFRICANINSTITUTEOFMININGANDMETALLURGY，1966662762967罗生梅，张宏林，斯建刚冲击凿岩的瞬态动力学及效率分析EJ兰州理工大学学报。200943942LUOSHENGMEI，ZHANGHONGLIN，SIJIANGANGTRANSIENTDYNAMICSOFIMPACTROCKDRILLINGANDITSEFFICIENCYANALYSISJJOURNALOFLANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，2009439428王礼立L廊力波基础M第2版北京国防工业出版社，20104771WANGLILIFOUNDATIONOFSTRESSWAVESM，THE2EDITIONBEIJINGNATIONALDEFENCEINDUSTRYPRESS，201047719李夕兵，赖海辉论应力波幅值和延续时间对破岩效果的影响J中南矿冶学院学报，19896595604XIBING，LAIHAIHUITHEEFFECTOFBOTHTHEAMPLITUDEANDTHEDURATIONOFSTRESSWAVEONTHEENERGYABSORPTIONOFROCKSLJJJOURNALOFCENTRALSOUTHINSTITUTEOFMININGANDMETALLURGY，1989659560410单仁亮，周富华，高全臣接杆凿岩中接头能量传递特性与理想入射波形的研究J岩土力学与工程学报，19963255261SHANRENLIANG，ZHOUFUHUA，GAOQUANCHENASTUDYONJOINTENERGYTRANSFEREFFICIENCYANDIDEALINCIDENTWAVESHAPEOFPERCUSSIVEDRILLINGWITHEXTENSIONRODSJCHINESEJOURNALOFROCKMECHANICSANDENGINEERING，19963255261上接第42页7冯永恺，任树桢，陈奇两挡变速器纯电动汽车传动系统动力学仿真模型J机械传动，2013，37103740FENGYONGKAI，RENSHUZHEN，CHENQIDYNAMICSSIMUL