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[分享] 电驱动系统效率虚拟仿真分析

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发表于 2015-11-18 22:49:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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电驱动系统效率虚拟仿真分析

电驱动系统效率虚拟仿真分析

        采用联合仿真分析方法,根据电动机效率特性曲线,通过优化AT控制策略,可以将电动机优化到最佳经济性区域工作,提高电驱动系统效率,延长续驶里程。与同等动力系统参数的单级减速电动汽车对比,基于AT的电动汽车,其整车动力性能明显优于单级减速电动汽车。
        虚拟仿真分析方法在汽车开发过程中起着举足轻重的作用,在国外较为完整的汽车开发流程中,通过建立完善的虚拟仿真分析模型,以其长期积累的数据库对模型及仿真过程做出修正,进行整车性能及零部件性能模拟仿真分析,可在较大程度上模拟出实际运行性能及缺陷,并尽早对其设计进行评估和调整,可极大地缩短开发周期并节省开发成本,而且在复杂系统交叉学科的共同仿真分析与优化设计中,联合仿真分析的方法也已不鲜见,多运用于整车控制系统开发或与整车性能相关结构件的优化设计等。
       

电驱动系统效率虚拟仿真分析

电驱动系统效率虚拟仿真分析

        当前电动汽车成为汽车行业发展的重要方向,如何在整车性能及整车控制上优化方案设计,达到更为理想的驱动效果,更需要虚拟仿真分析对其设计方案进行评估和论证。众所周知,电动汽车续驶里程较短是当前电动汽车开发的瓶颈之一,而在有限的车载动力电池组基础上如何提高续驶里程成为急待解决的重要问题,为了更好地提高有限车载电量的利用率,对其电驱动系统效率进行仿真模拟和分析评估,显得尤为重要。
        纯电动驱动系统有多种结构形式,国外的纯电动汽车方案多以单级减速为主,以电动机的低速大转矩满足加速以及爬坡动力需求,以电动机的高转速满足最高车速的需求,从而兼顾最高车速与最大爬坡度之间的矛盾,然而国内电动机由于制造技术等方面存在差距,最高转速难以达到10000r/min以上,因此采用单级减速难以兼顾动力性的矛盾。然而在纯电动汽车开发中,少有基于自动变速器(AT)的电驱动系统,一般认为采用AT结构复杂,其液力变矩器效率较低,在电动汽车中不太适合运用。本文通过联合仿真分析的方法分别对基于AT的纯电动驱动系统和基于单级减速的纯电动驱动系统进行了分析,仿真结果显示基于AT的纯电动驱动系统经过优化,效率高于采用单级减速的电驱动系统,如果针对电动汽车进行专门的自动变速系统开发和优化,系统效率会更高。此项研究为电动汽车电驱动系统关键技术开发及运用提供了良好的发展思路。
       

电驱动系统效率虚拟仿真分析

电驱动系统效率虚拟仿真分析

        仿真分析平台搭建
        本文仿真分析采用AMESim与Matlab/Simulink搭建联合仿真分析平台,有效利用AMESim在车辆系统模型搭建方面的优势,搭建整车动力学模型和动力系统仿真模型(见图1),并根据电动机效率试验数据建立电动机损失功率曲线(见图2),以模拟运行中的电动机功率损失,对电驱动系统效率准确把握。在Matlab/Simulink中搭建整车控制系统模型和自动变速器控制模型,通过联合仿真进行不同工况下的控制及整车性能分析。
       

电驱动系统效率虚拟仿真分析

电驱动系统效率虚拟仿真分析

        基于AT的电驱动系统分析
        1. AT效率分析
        AT的效率损失主要来自于液力变矩器和变速齿轮,自动变速器的效率性能是指变矩器在传递能量过程中损失的变化,为输出效率与输入效率之比,即:
       

电驱动系统效率虚拟仿真分析

电驱动系统效率虚拟仿真分析

        式中
        η——变矩器效率;
        *——传动比;
        K——变矩系数。
        由此可见,变矩器效率η是传动比的函数,它是具有极大值的抛物线(见图3),在失速点时,泵轮虽有功率输入,但因涡轮转速为零,所以效率也为零,随着涡轮转速增加,变矩器循环圆中流量也逐渐下降,与其平方成正比的通流损失而随之不断下降,从而效率不断提高,在拐点处效率达到最大值ηmax,对应传动比*,速比再增加时,虽然通流损失仍在下降,但是冲击损失又继续增加,使得η下降。当达到最大速比max=1时,循环圆中的工作液循环流动停止,无功率输出,η为零。由于汽车经常在大速比下工作,为了克服这一缺陷,故将轮通过单向离合器与壳体相连,设计中使速比大于变矩系数K=1的速比m点时,使液力变矩器转速变为耦合器工况,故在>m后的范围,理论上效率ηm=,从而使最高效率可以达到0.95~0.97,提高车辆经济性。
       

电驱动系统效率虚拟仿真分析

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        AT与电动机匹配分析
        北京汽车新能源汽车有限公司基于北京自主品牌轿车平台进行纯电动轿车开发,由于车载电池能量有限,希望对于有限的车载能源能够最高效利用,因此当前的纯电动轿车匹配以经济性为主要目标,兼顾动力性能。电动机高效区一般位于电动机的基速附近,因此电动机的匹配中考虑在常用工况中将电动机的工作点优化到其高效工作区间。由整车动力性需求确定电动机峰值转矩以及峰值功率,并根据常用工况运行工作点,确定电动机额定转矩,并对其基本速度进行修正,匹配得到的电动机效率及外特性如图4所示。
        AT与传统汽油车匹配的经济性换挡规律是采用小时油耗的计算方法,得到最佳换挡曲线,然而在电动汽车中没有油耗的概念,经济性主要是根据电动机效率图,将驱动工作点优化到其高效区间,则经济性较高。根据等功率输入换挡规律,得到最佳经济性换挡规律曲线(如图5所示)。
       

电驱动系统效率虚拟仿真分析

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        基于AT的电驱动系统仿真分析
        为了比较基于AT的电驱动系统与采用单级减速电驱动系统效率,建立单级减速电驱动系统模型,所采用电动机参数以及整车参数与基于AT电驱动系统相同。基于以上联合仿真分析平台进行动力性两个系统动力性仿真分析,仿真结果对比见表1。
       

电驱动系统效率虚拟仿真分析

电驱动系统效率虚拟仿真分析

        表1参数可以看出,在同样整车参数与电动机参数前提下,基于AT的电驱动系统比单级减速电驱动系统在动力性上具有明显的优势,可以很好地兼顾最高车速与爬坡度、加速时间之间的矛盾,动力性能优越。
        为了进一步验证系统效率以及对整车经济性的影响,采用循环工况分别对其进行仿真分析,仿真工况选择NEDC和UDDS两个仿真工况进行模拟。图6、图7为NEDC工况和UDDS工况下电动机的工作点分布图,可以看出基于AT的电驱动系统工作点多落在电动机高效工作范围内,驱动系统效率有着明显的优势,而单级减速电驱动系统由于没有变速优化功能,其驱动系统工作点比较分散,系统效率较低。
       

电驱动系统效率虚拟仿真分析

电驱动系统效率虚拟仿真分析

        虽然从工作点分布图可以看出基于AT的电动机工作点多在高效区域,但是其增加效率部分是否能抵消液力变矩器所带来的系统效率损失却不得而知。为了对以上分析进行量化对比分析,计算两个系统的平均系统效率,并仿真不同工况下的续驶里程,对比结果如表2所示。可以看出,在NEDC和UDDS两种工况下,基于AT的电驱动系统平均效率要高于采用单级减速的电驱动系统效率,因此在同等电池容量与整车参数的情况下,基于AT的电驱动系统续驶里程也优于采用单级减速比的电驱动系统,可以证明采用AT的电驱动系统经过优化,能够提高系统效率,比基于单级减速的电驱动系统在系统效率优化上具有更大的灵活性和优化效果。
        结语
        本文分析了基于AT的电驱动系统效率以及匹配优化。通过联合仿真分析可知,AT在优化电驱动系统效率方面有着明显的优势。根据电动机效率特性曲线,通过优化AT控制策略,可以将电动机优化到最佳经济性区域工作,提高电驱动系统效率,延长续驶里程;与同等动力系统参数的单级减速电动汽车对比,基于AT的电动汽车,整车动力性能明显优于前者,匹配中可以很好地兼顾最高车速与最大爬坡度、加速时间之间的矛盾。如果按照同等动力性能匹配,基于AT的电驱动系统可以比基于单级减速的电驱动系统减少最大转矩参数,从而减小电动机体积,并更加优化电驱动系统效率。
        通过联合仿真分析方法对纯电动驱动系统进行分析,对纯电动汽车开发前期设计和优化提供了良好的理论依据,可进一步优化系统设计,提高系统性能。当然,虚拟仿真分析仿真并不局限于此,在纯电动驱动系统以及控制系统开发中都可以利用虚拟仿真分析工具对其进行模拟,优化系统设计,提高整车性能和缩短开发周期。
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