基于SaberRD的纯电动汽车动力总成的设计与仿真研究

单级变速器和双级变速器传动的电动汽车动力系统

在电动汽车中，传动系统在传动系和轮轴之间采用单级变速器（即：单齿轮传动比）是相当常见，而极少采用双级变速器。这项最新的研究表明，双级变速器（双齿轮传动比）系统可以提高纯电动汽车约4%范围NEDC续驶里程。

单级变速器

双级变速器

新一代日产聆风 

设计参数来源：日产聆风汽车

基于SaberRD动力系统设计的核心：

纯电动汽车动力系统

电机设计

用JMAC有限元求解器建立的高保真 永磁同步电机模型包括空间谐波、磁通饱和和频率相关的铁损耗。

 JMAC有限元求解器 PMSM模型

电机控制

电机由三相电压源逆变器(VSI)提供电流，该逆变器采用FOC算法控制，实现每安培最大转矩(MTPA)和弱磁控制，并采用正弦PWM调制方法。

FOC、MTPA、FW控制算法

电压源逆变器(VSI)和三相PMSM电机

VSI和电机模型是使用dq模型，没有涉及 切换，这可以实现最大的模拟速度。在模拟中，新欧洲驾驶循环(NEDC)不断重复，直到电池耗尽。相当于7个小时的驾驶在大约25秒内模拟仿真完毕。这也就是为适当的分析选择适当的设备模型抽象级别的优点。

NEDC行驶工况

动力电池包

直流电压源(365V)通过使用SaberRD中的电池工具表征的锂离子电池来实现。动力电池包-这个模型的精度决定了车速与行驶里程可以被设计验证。SaberRD电池工具用来描述电池组。该工具可根据数据表中的曲线直观地创建模型，内置的优化器可将模型特征与数据表曲线进行拟合对齐。

Battery Tool

变速传动系统

传动系统- 电机轴通过传动系统耦合到传动轴上。在SaberRD通用库中，提供变速器模型(transmission_w)，该模型可以配置多个传动比，传动比通过外部状态输入进行控制。为了模拟自动手动变速器系统，轴转速被感知，齿轮在设定的过渡速度中移位换档。

目前大多数电动汽车只有一个档位，在整个速度范围内没有档位之间的转换。

传动系统

车身

传动轴连接到一个简化的汽车动力学模型，该模型考虑斜坡上的重力，以及滚动阻力和空气阻力。

车身动力学模型

电动汽车动力传动系统设计 

一级变速齿轮和二级变速齿轮速比设计，最佳换档时机(换挡车速)设计，将利用利用WCA工具利用数值优化算法自动搜索最优解。三个参数：齿轮1的速比、齿轮2的速比、换挡车速将在一个设定范围内变化，前提目标是：最大行驶距离并要求车辆达到理想的速度。

WCA极限工况数值优化算法工具

最终优化得到动力系统变速换挡规律及数据为：

ratio1=3.8011

Ratio2=1.7234

换挡时机=69.63Km/h

 

建立Experiment，对整个动力系统模型进行仿真分析

单级变速器行驶距离仿真结果=268.87Km

双级变速器行驶距离仿真结果=279.48Km

车辆行驶距离增长率=(279.48 − 268.87) 268.87 × 100 =3.94 %

结论：

采用双级齿轮传动系统的电动汽车动力系统可使车辆行驶距离提高了约4%。使用SaberRD对优化后的参数值进行仿真，测量结果验证了增加范围的要求。WCA最坏情况分析工具可帮助优化设计参数，实现最大限度地提高车辆NEDC行驶里程。

反过来，在相同的行驶里程中，双级齿轮传动系统的使用可以节省4%行驶里程所消耗的电能，1辆400公里续驶里程的车辆，就可节省16公里所消耗的电能。一辆车按20万公里的行驶里程计算，跑完其一生，可为其节省8000公里路程所消耗的电能，那如果是10万辆汽车呢？下一期我们做一个有趣的调查研究，就增加的公里数为全球节省多少电能做一个详细的研究分析。