基于动力性的智能电动汽车传动系统匹配仿真

基于动力性的智能电动汽车传动系统匹配仿真
- 简介
- 使用说明

简介

   智能电动汽车传动系统主要包括驱动电机和变速装置，其动力性主要与驱动电机参数和变速装置传动比有关，因此，为了满足纯电动汽车的动力性，需要对驱动电机参数和变速装置传动比进行合理匹配。

使用说明

一、实验目的

建立驱动电机匹配数学模型
利用MWORKS匹配驱动电机参数
建立二挡变速器传动比匹配数学模型
利用MWORKS匹配二挡变速器传动比
建立纯电动汽车动力性数学模型
利用MWORKS仿真纯电动汽车动力性

二、仿真数据

基于动力性的纯电动汽车传动系统匹配仿真所需参数见表7-6-1。

表7-6-1基于动力性的纯电动汽车传动系统匹配仿真所需参数

整车质量/kg	滚动阻力系数	空气阻力系数	迎风面积/m2	轮胎滚动半径/m
1500	0.012	0.33	2.16	0.281
旋转质量换算系数	传动系统效率	主减速器传动比	汽车质心至后轴距离/m	汽车轴距/m
1.05（一挡），1.27（二挡〉	0.92	4.55	1.6	2.8

纯电动汽车设计目标：最高车速不低于110km/h；最大爬坡度不低于20°；百公里加速时间不超过15s。

三、实验步骤

1.建立驱动电机匹配数学模型

原理参见教材第7章实例6

2.利用MWORKS匹配驱动电机参数

利用驱动电机功率数学模型，编写驱动电机功率匹配的MWORKS程序如下。

m=1500;g=9.8;f=0.012;Cd=0.33;A=2.16;r=0.281;at=0.92#汽车参数赋值

figure(1)#设置图形窗口1

u=0:5:120#定义最高车速范围

Pm1=u.*(m*g*f.+Cd*A.*u.^2./21.15)./3600./at#根据最高车速计算电机功率

plot(u,Pm1)#绘制电机功率最高车速曲线

xlabel("最高车速/(km/h)")#x轴标注

ylabel("电机功率/kW")#y轴标注

figure(2)#设置图形窗口2

af1=10:1:40#定义最大爬坡度范围

af=atan.(af1.*pi/180)#转换最大爬坡度

up=[20,40,60]#设置爬坡速度

for i in 1:3#循环开始

Pm2=up[i].*(m*g*f.*cos.(af).+m*g*sin.(af).+Cd*A.*up[i].^2./21.15)./3600./at#根据最大爬坡度计算电机功率

m=1500;g=9.8;f=0.012;Cd=0.33;A=2.16;r=0.281;at=0.92#汽车参数赋值

figure(1)#设置图形窗口1

u=0:5:120#定义最高车速范围

Pm1=u.*(m*g*f.+Cd*A.*u.^2 ./ 21.15)./ 3600 ./ at#根据最高车速计算电机功率

plot(u,Pm1)#绘制电机功率最高车速曲线

xlabel("最高车速/(km/h)")#x轴标注

ylabel("电机功率/kW")#y轴标注

figure(2)#设置图形窗口2

af1=10:1:40#定义最大爬坡度范围

af=atan.(af1.*pi/180)#转换最大爬坡度

up=[20,40,60]#设置爬坡速度

for i in 1:3#循环开始

Pm2=up[i].*(m*g*f.*cos.(af).+m*g*sin.(af).+Cd*A.*up[i].^2 ./ 21.15) ./ 3600 ./ at#根据最大爬坡度计算电机功率

gss=["-", ":", "--"]#定义线型

plot(af1,Pm2,string(gss[i]))#绘制电机功率-爬坡度曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("爬坡度/(°)")#x轴标注

ylabel("电机功率/kW")#y轴标注

legend(["爬坡速度20km/h","爬坡速度40km/h","爬坡速度60km/h"])#曲线标注

figure(3)#设置图形窗口3

ue=100#加速终止速度赋值

dt=1.05#旋转质量换算系数赋值

te=5:0.1:20#定义加速时间范围

Pm3=(m*g*f*ue./1.5.+Cd*A*ue.^3. /52.875.+dt*m*ue.^2. /te./7.2)./3600. /at#根据加速时间计算电机功率

plot(te,Pm3)#绘制电机功率-加速时间曲线

xlabel("加速时间/s")#x轴标注

ylabel("电机功率/kW")#y轴标注

af=atan.(20. *pi/180)#最大爬坡度赋值

Pm11=110*(m*g*f.+Cd*A.*110 .^ 2 ./ 21.15) ./ 3600 ./ at#计算电机功率1

Pm22=20*(m*g*f.*cos.(af).+m*g*sin.(af).+Cd*A.*15. ^2. /21.15)./3600. /at#计算电机功率2

Pm33=(m*g*f*ue ./ 1.5.+Cd*A .* ue .^ 3 ./52.875.+dt*m*ue .^ 2 ./14 ./ 7.2) ./ 3600 ./at#计算电机功率3

@printf("电机需求功率Pm1=%.2fkW\n",Pm11)#输出电机功率1

@printf("电机需求功率Pm2=%.2fkW\n",Pm22)#输出电机功率2

@printf("电机需求功率Pm3=%.2fkW\n",Pm33)#输出电机功率3

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，就会得到根据电动汽车最高车速、最大爬坡度和加速时间所生成的电机功率曲线。

图7-6-1 电机功率-最高车速曲线

图7-6-2 三种不同爬坡速度的电机功率-爬坡度曲线

图7-6-3 电机功率-加速时间曲线本实例选择电机类型为永磁同步电机，峰值功率取55kW，过载系数取2.5，额定功率为22kW。

利用驱动电机转速数学模型，编写驱动电机转速匹配的MWORKS程序如下。

r=0.281#轮胎滚动半径赋值

figure(1)#设置图形窗口1

i=4.55#主减速器传动比赋值

u=0:5:120#定义最高车速范围

n=u*i/0.377/r#计算最高转速

plot(u,n)#绘制电机转速-最高车速曲线

xlabel("最高车速/(km/h)")#x轴标注

ylabel("电机最高转速/(r/min)")#y轴标注

figure(2)#设置图形窗口2

u=110#定义最高车速

i=4:1:12#定义传动系统传动比范围

n=u*i/0.377/r#计算最高转速

plot(i,n)#绘制电机转速-传动比曲线

xlabel("传动比")#x轴标注

ylabel("电机最高转速/(r/min)")#y轴标注

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，就会得到电机最高转速与最高车速、传动比的关系曲线。

图7-6-4所示为电机最高转速-最高车速曲线。可以看出，最高车速越高，电机最高转速越高。

图7-6-4 电机最高转速-最高车速曲线

图7-6-5所示为电机最高转速-传动比曲线。可以看出，传动比越大，电机最高转速越高。

图7-6-5 电机最高转速-传动比曲线

电机的最高转速取8000r/min；额定转速取3000r/min。

根据式（7-6-11）可以选取电机的额定转矩为70N•m；根据式（7-6-12）可以选取电机的峰值转矩为175N•m。

电机电压选择336V。

综上所述，驱动电机匹配参数见表7-6-2。

表7-6-2驱动电机匹配参数

参数名称	参数值
额定功率/kW	22
峰值功率/kW	55
额定转矩/N • m	70
峰值转矩/N • m	175
额定转速/（r/min）	3000
最高转速/（r/min）	8000
额定电压/V	336

3.建立二挡变速器传动比匹配数学模型

原理参见教材第7章实例6

4.利用MWORKS匹配二挡变速器传动比

利用变速装置传动比匹配数学模型，编写变速装置传动比匹配的MWORKS程序如下。

m=1500;g=9.8;f=0.012;Cd=0.33;A=2.16;r=0.281;at=0.92;#汽车参数赋值

af=atan(20*pi/180);#设置最大坡度角

Tmax=175;#设置峰值转矩

up=15;#设置爬坡车速

i0=4.55;#设置主减速器传动比

i11=r*(m*g*f*cos(af)+m*g*sin(af)+Cd*A*up^2/21.15)/Tmax/at/10;#计算一挡传动比下限

@printf("一挡传动比下限i11=%.2f\n",i11)#输出一挡传动比下限

nmax=8000;#设置电机最高转速

fa=0.70;#设置地面附着系数

i12=m*g*r*fa*1.6/Tmax/at/i0/2.8;#计算一挡传动比上限

@printf("一挡传动比上限i12=%.2f\n",i12)#输出一挡传动比上限

umax=110;#设置最高车速

i22=0.377*r*nmax/umax/i0;#计算二挡传动比上限

@printf("二挡传动比上限i22=%.2f\n",i22)#输出二挡传动比上限

i21=r*(m*g*f+Cd*A*umax^2/21.15)/Tmax/at/i0;#计算二挡传动比下限

@printf("二挡传动比下限i21=%.2f\n",i21)#输出二挡传动比下限

5.建立纯电动汽车动力性数学模型

原理参见教材第7章实例6

6.利用MWORKS仿真纯电动汽车动力性

根据纯电动汽车动力性数学模型，编写绘制纯电动汽车动力性仿真的MWORKS程序如下。

m=1500;g=9.8;f=0.012;Cd=0.33;A=2.16;r=0.281;at=0.92#汽车参数赋值

ig1=1.98;ig2=1;i0=4.55#传动比赋值

q1=1.05;q2=1.27#旋转质量换算系数赋值

u1=0:0.01:70#定义一挡速度范围

Ff1=Cd*A*(u1.^2)/21.15.+m*g*f#计算行驶阻力

Fw1=Cd*A*(u1.^2)/21.15#计算空气阻力

n1=ig1*i0*u1/r/0.377#计算电机转速

P=55#峰值功率赋值

T1=zeros(7001)

for i=1:1:7001#设置循环，求转矩

if n1[i]<3000#转速小于3000r/min时

T1[i]=175;#设置恒转矩

else#转速大于或等于3000r/min时

T1[i]=9550*P/n1[i];#计算转矩

end#结束

end#结束

Ft1=T1.*ig1*i0*at/r#计算驱动力

D1=(Ft1-Fw1)/m/g#计算动力因数

i1=tan.(asin.(D1.-f.*(1 .-D1.^2 .+f.^2).^(1/2))./(1 .+f.^2))*180/π#计算爬坡度

a1=(D1.-f)*g/q1#计算加速度

u2=0:0.01:180#定义速度范围

Ff2=Cd*A*(u2.^2)/21.15.+m*g*f#计算行驶阻力

Fw2=Cd*A*(u2.^2)/21.15#计算空气阻力

n2=ig2*i0*u2/r/0.377#计算电机转速

T2=zeros(18001)

for j=1:1:18001#设置循环，求转矩

if n2[j]<3000#转速小于3000x/min时

T2[j]=175;#设置恒转矩

else#转速大于或等于3000r/min时

T2[j]=9550*P/n2[j];#计算转矩

end#结束

end#结束

Ft2=T2.*ig2*i0*at/r#计算驱动力

D2=(Ft2-Fw2)/m/g#计算动力因数

i2=tan.(asin.(D2.-f.*(1 .-D2.^2 .+f.^2).^(1/2))./(1 .+f.^2))*180/π#计算爬坡度

a2=(D2.-f)*g/q2#计算加速度

figure(1)#设置图形窗☐1

plot(u1,Ft1,"r",linewidth=1.5);hold(true)#绘制一挡驱动力速度曲线

plot(u2,Ft2,"b",linewidth=1.5,linestyle="--");hold(true)#绘制二挡驱动力速度曲线

plot(u2,Ff2,"k",linewidth=1.5,linestyle="-.")#绘制行驶阻力速度曲线

xlabel("速度/(km/h)")#x轴标注

ylabel("驱动力-行驶阻力/N")#y轴标注

text(20,5500,"一挡驱动力")#驱动力曲线标注

text(20,3000,"二挡驱动力")#驱动力曲线标注

text(20,700,"行驶阻力")#行驶阻力曲线标注

legend(["一挡驱动力","二挡驱动力","行驶阻力"])#图例显示

figure(2)#设置图形窗口2

plot(u1,a1,"r",linewidth=1.5);hold(true)#绘制一挡加速度-速度曲线

plot(u2,a2,"b",linewidth=1.5,linestyle="--")#绘制二挡加速度-速度曲线

xlabel("速度/(km/h)")#x轴标注

ylabel("加速度/(m/s^2)")#y轴标注

text(50,2.5,"一挡加速度")#加速度曲线标注

text(100,1,"二挡加速度")#加速度曲线标注

legend(["一挡加速度","二挡加速度"])#图例显示

figure(3)#设置图形窗口3

plot(u1,i1,"r",linewidth=1.5);hold(true)#绘制一挡爬坡度速度曲线

plot(u2,i2,"b",linewidth=1.5,linestyle="-")#绘制二挡爬坡度速度曲线

xlabel("速度/(km/h)")#x轴标注

ylabel("爬坡度/(°)")#y轴标注

text(50,18,"一挡爬坡度")#爬坡度曲线标注

text(100,6,"二挡爬坡度")#爬坡度曲线标注

legend(["一挡爬坡度","二挡爬坡度"])#图例显示

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，就会得到电动汽车驱动力-行驶阻力平衡图，如图7-6-6所示。电动汽车最高车速约为167km/h，也就是一挡驱动力和行驶阻力相交点所对应的车速。

图7-6-6 电动汽车驱动力-行驶阻力平衡图

图7-6-7所示为电动汽车加速度-速度曲线。可以看出，一挡加速度大于二挡加速度，加速度出现负值是因为速度超过了最高车速，是无效的。

图7-6-7 电动汽车加速度-速度曲线

图7-6-8所示为电动汽车爬坡度-速度曲线。可以看出，一挡爬坡度大于二挡爬坡度，爬坡度出现负值是因为速度超过了最高车速，是无效的。

图7-6-8 电动汽车爬坡度-速度曲线