学木交；ｉ；ｉ 理论，研发，设计，制造 纯电动汽车电机驱动系统传动机构仿真分析 李云雷。张津源 北京信息科技大学机电工程学院，北京１００１９２ 拟 动 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｉｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ Ｐｕｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ＬＩ Ｙｕｎｌｅｉ。 ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｙｕａｎ （ｓｃ’ｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｔ。ａｌ ａｎｔｉ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｔｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔ‘ｉｅｎｅｅ ａｎｄ Ｆｅｅｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９２．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｌｅｌ’Ｓ ｏｆ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈＭｅｓ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｍｏｌｏｉ’ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｉｎｍｌａｔｉｏｎ ｎｌｏｄｅｌ ｉｓ Ｉｍｉｈ．ａｎｄ ＣＲＵＩＳＥ ｓｏｆｔｗａ！・ｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｉｔｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｓ，ｏｆ’ｔｈｅ ｉｌｌｏ（ｔｅｌ ｖｅｌｌｉｅｌＰ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｉ’ｍａｎｃｅ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｖｅｌｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａ！’ａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎ（ｔｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｒ１．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｌ‘ｅｓ ｏｆ ｐｕｒｅ ｅｌｅｅｔｒｉｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｍｏｔｏｒ ｄｌ’ｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ０引 言 拥有密度较高的转矩，并且需要在转矩控制和峰值功率 方面性能优良，其可靠性也要求较高。 选择电机驱动系统 配性好的相关参数，主要取决 于以下诸因素：驾驶员的驾驶性能要求、车载能源系统的 面对实现汽车工业的可持续发展需求、亟待解决的日 益严峻的能源问题、趋于恶化的环境压力，未来汽车技术 的重要发展方向无疑是纯电动汽车 ］。纯电动汽车的研发 捷径，＿无论是从我国汽车工业的发展要求还是从新能源 战略的实施来看，纯电动汽车均具有重大的科研意义。 汽车驱动性能实现的载体是电机驱动系统，其需要 最后，工件在钎焊过程之后的冷却速度也是一个重 要的Ｔ艺参数，冷却速度对钎焊接头质量会有很大的影 运行对于节能、减排、降噪、环保等方面而言，不啻为一条 性能要求以及车辆性能约束，这是一个多约束条件整体 优化求解过程。本文根据汽车的理想驱动特性场，建立仿 真模型进行相关分析，确保实验结果的准确性和可行性。 与现实条件下驱动特性场的比较复杂的情况不同， 尺寸大、焊缝长，并且形状复杂，加之铜材的导热快，ｌＴ件 加热温升慢，加热时间长，工件银钎焊接时氧化严重，使 有５０％以上，通过对焊料、焊剂、焊枪、焊接＿［装、焊接操 响。１＝件过高的冷却速度，可能会使焊件因形成过大的热 焊接效率与质量都难保证．如不采取措施，工件的报废率 应力而使工件变形或使焊缝产生裂纹；另外过高的冷却 速度，也会使钎缝过速凝固，进而使夹在焊料中的气体来 作方法的优化，我们能很好地控制该零件的焊接质量，使 不及逸 而产生气孔。反之工件冷却速度太慢，则焊缝品 合格率达到９０％以上，并且焊接效率得到成倍提高。 粒长大，焊缝强度降低。 ２）材料用量优化。钎料的用量并不是越多越好，焊接 时使用的钎料量的标准是：保证钎料能充分填满间隙，并 且焊后在其外沿形成圆滑的钎角。 ３）钎焊间隙。钎焊时焊件接头问都会有一定的间隙， 而且钎缝间隙值对钎焊接头的性能还有着直接的影响。 ［参考文献］ ［１］张元彬．钎焊［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１４． ［２］石勇博．图解气焊工入门・考证一本通［Ｍ］．北京：化学工业出 版社，２０１５． ［３］王娟，刘强．钎焊及扩散焊技术［Ｍ］．北京：化学工业｝｛Ｊ版社， ２０ｌ３． ［４］洪松涛．钎焊一本通［Ｍ］．上海：Ｅ海科学技术出版神，２０Ｉ４． 在一定的间隙范围内，钎焊的接头具有最大的强度值，而 ［５］张学军．航空钎焊技术［Ｍ］．北京：航空１＝业出版社，２００８． 且它往往还高于原始钎料的强度。铜和铜合金钎焊当钎 （编辑立明） 料为银基时，钎缝间隙经验值为０．０５～０。２ ｆｉｌｍ，大于或小 于此间隙值时，接头的强度均随之降低。 ４结论 作者简介：何文学（１９６３一），男，工学硕士，高级工程师，主要研究方 向为机械设计与制造，ＣＡＤ，ＣＡＭ／数控技术。 收稿日期：２０１５—０６—１５ 大尺寸异形结构之铜芯零件的银钎焊接，由于零件 １６４；机械工程师２０１５年第９期 字木交ｉ赢 理论Ｉ研发Ｉ设计，制造 成尽可能拓宽高效牢区域，以达到理想的驱动特性场要 求，而要实现这个目的，起始阶段需要施加较大的转矩， 所需的起动、爬坡、坡停起动加速度。 １纯电动汽车的基本构成 电池管理系统主要是在芯片中集成丫均衡电路以及电量 计量算法、前端采集电路以及通讯功能，并辅之以外围电 统体积更小、集成度更高的优点，实现丫操作的快捷性与 监测的便捷性。基于分立器件的电池管理系统，主要分为 最高速度下也必须具有相应的转矩以满足车辆低速行驶 路来实现对电池的管理功能 ｊ。本仿真实验即利用此系 纯电动汽车与传统内燃机汽车相比，主要的区别在 ｆ动力系统，即纯电动汽车的核心为电机驱动系统，而非 内燃机系统。电机驱动系统主要由电源、驱动电动机和控 制装置等构成。 ，．，电机驱动系统 软硬件协调工作或纯硬件ｌｌ：作的解决方案，其中软硬件 协调工作方案功能完善性好，实现起来较为灵活，而被大 力推广。从产品设计的灵活性角度而言，陔疗案优势显著。 １．４车身和底盘 纯电动汽车的车身与传统汽车肚本秆｛同，底盘中的 传动系比内燃机汽车有所简化。为＿ｒ方便线路连接、充 电机驱动系统依托于电源的电能，提供驱动所需的 机械能，继而直接驱动车轮和工作装置或者通过机械传 动装置问接驱动ｈ述构件。 电、检查和装卸，需要有足够的空问在底盘的 置上存放 动力电池组，以使得动力电池组的整体机械化装卸更加 顺利实现 ］。这就要求将动力电池组渗Ｈ｛的酸、碱液对底 的刚度、加大承载空间的跨度。 按类别分，纯电动汽车电机驱动系统分４类： 优良的电磁转矩控制特性，广泛应用城市无轨电车；其缺 点是质量与体积较大，所以布置起来较为麻烦。 １）直流电动机驱动系统。此驱动系统结构简单兼具 盘结构件的腐蚀侵害降到最低，还要求增强承载结构件 车身主要指增加汽车底部的流线型，并ｌ＿１＿增加复合 ２）感应电机驱动系统。这种驱动系统矢量控制调速 材料的使用，在车身轻量化的基础上，采用性能优良的轮 技术比较成熟，尽管驱动电路复杂，成本较高，但由于拥 胎以减少车轮的滚动阻力。 有结构、成本、运行、声品、动力等诸多的不可替换的优 势，其应用还是比较广泛的。 Ｊ．５辅助设施 辅助系统包括辅助动力源、动力转阳系统、导航系 ３）永磁兀刷电机系统。这种驱动系统功率密度高、电 统、空调器、照明及除霜装置、刮水器和收音机、安全保护 机尺寸小、体积小、转子结构简单、稳定性好。 ４）新一代牵引电机系统。这种系统即开关磁阻电机 驱动系统，具有高密度、高效率、低成本、宽调速等优点。 ，．２ 电源系统 装置等，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性、安全性 和乘员的舒适性 ］。 ２建立整车仿真模型 ２． ＣＲＵＩＳＥ软件的选择 纯电动汽车的电源系统为驱动电机提供电能，并由 本文选择ＣＲＵＩＳＥ软件来进行仿真分析。作为针对 驱动电机转化为机械能，直接驱动车轮和Ｔ作装置或者 车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的仿真研 通过机械传动装置间接驱动上述装置。铅酸蓄电池是纯 究分析，ＣＲＵＩＳＥ软件具有较大的优势 。该软件无论是 电动汽车Ｉ 应用最广泛的电源之一，然而其缺点主要有 充电速度慢、寿命短、比能量低，随着纯电动汽车技术的 在车辆开发过程中对车辆性能预测、动力传动系统的匹 配，还是在纯电动汽车的建模仿真以及性能模拟方面，都 发展而逐渐被其他蓄电池取代 。。锂电池作为正在迅速 具有操作简便性与结论可靠性。ＣＲＵＩＳＥ软件界面简洁方 发展的电源之一，相对于其他诸如燃料电池、镍铬电池、 便，与通用编程软件的接口众多，可满足后续开发需求， 钠硫电池等正在发展的电池都具有显著的优势，进一步 并且在建立控制元件模型以及自定义模块等方面为用户 解决了纯电动汽车的发展瓶颈。 拓展了应用空间。 本文讨论的对象使用高能锂电池作为动力源的纯电 应、比能量大、放电电压高、可快速充电、自放电速率小、 安全性密封性好、无泄漏且环保等众多优点，显示其在纯 电动汽乍的广泛的应用前景。 ，．ｊ电池管理系统 ＣＲＵＩＳＥ以其灵活的模块化理念和智能化的驾驶员 且可在相应模块上迅速建立合适的系统模型。在研究传 动系统的低频振动特性时，可利用ＣＲＵＩＳＥ的弹性扭转 轴单元，该软件所拥有的黑盒子功能还＿Ⅱ『以使用户自定 动汽车，锂离子电池优势明显，其拥有寿命长、无记忆效 模型，可以比较便捷地分析各种车辆和动力总成配置，并 义控制算法。ＣＲＵＩＳＥ所嵌人的ＭＡＴＡＬＡＢ／ＳＩＭＵＬ ＩＮＫ、 纯电动汽车研究中的关键技术之一即为电池管理系 统，其最基本的作用为监控电池的电流、温度以及电池电 压。为避免过充、过热、过放电现象，尤其是为了避免单体 电池之间电压严霞不平衡现象，以实现实时管理电池的 ｒ作情况，通过对Ｊ：述参数的测量、反馈并进行改进性设 Ｆｌｏｗ ｍａｓｔｅｒ等接口，为进一步的流体力学相关分析提供 了较为方便的途径。 ＣＲＵＩＳＥ软件的诸多便捷性以及适用性，首先可以减 少设计的肓目性，其次可以缩短研发周期，最终可以节约 研发成本，在产学研各个环节都可以带来理想的经济效 计，使得电池的循环寿命以及存储性能得到持续提升 ］。 类：一类荩于 卷片；另一类基于分 式器件。基于芯片的 益。选择ＣＲＵＩＳＥ软件符合实验要求。 根据已有型号的电机，把相应的转矩、转速及其他有 电池管理系统丰要依照其功能实现疗式可分为两大 ２．２电机模型的建立 机械工程师２０１５年第９期ｉ １６５ 字木交ｉ布 理论，研发，设计，制造 关数据输入ＣＲＵＩＳＥ之中，建立电机模型。 电机工作电压６Ｏ ｖ，最大转速为３１００ ｒ／ａｉｒｎ，转动惯 量０．１５ ｋｇ・１３３ ，最大转速时的转矩是０ Ｎ・ｍ。电机质量１０ ｋｇ，初始．［作温度５０ ｑｃ，比热容１０００ｊ／（ｋｇ・Ｋ），达到最大 功率转速时间１０ ｓ，最高温度１６０℃。设电机效率为恒定 值，与转速和输｝ｆ｛转矩大小无关。将数据输入电机后得出 特征同。如罔１～阿２所示。 ２．４整车模型的建立 将电池、电机、离合器、变速箱、驾驶员模块以及车轮 等模块拖入ＣＲＵＩＳＥ的工作区中，建立仿真模型。针对电 机的电压、转矩和转速等；车轮的摩擦因数、丰减速器的 主减速比等；车辆模块的满载重量、迎风面积和阻力系数 等，将相关参数输入到系统中。在ＣＲＵＩＳＥ仿真环节，按 照系统的提示输入相应的参数，即可顺利实现仿真过程。 逐步实现系统的物理连接以及信号连接。选定各子系统 模型，依据汽车部件连接关系与配置方案，用软件里的 ｃｏｎｎｅｃｔ模块建立相关模型的物理连接。驾驶舱和动力传 动系与制动系之间不存在物理连接，但是传动系各部件 间具有直接的物理连接－． 。信号连接的建 主要通过在 软件界面设置相关参数来实现，这些模型在仿真过程中 即主要通过信号连接来实现信息的传递。仿真之前，要确 保把相应的全部信号连接在系统里准确定义，不允许出 ２． 电池模型的建立 现一个错误否则仿真程序无法运行。如图６所示。 最大电池容量为１５０ Ａｈ，起始容量为９０％，额定电压 为７２ Ｖ，最大电压８２．２ Ｖ，最小电压６０ ｖ。电池组电池数 量为ｌ，电池组质量为１２０ ｋｇ。如图３～图５所示。 ３仿真及数据分析 选择实验需要的丁况并配置相关的任务，按照纯电 动汽车仿真要求，遵循合理的实验步骤选择适当的仿真 步长以及精度并进行仿真计算。 计算任务的设定：在Ｃｙｃｌｅ Ｒｕｎ模块里仿真续航里 程；在Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ模块里仿真最大爬坡度；在 Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｄｒｉｖｅ模块里仿真最高车速。最后选择标定的计 算公式，计算后提取计算结果，对其进行相应的分析。 １６６ 机械工程师２０１５年第９期