純電動汽車電控系統(tǒng)參數(shù)匹配

許保同 楊國亮 吳奇

（1.天津陸耐汽車科技有限公司；2.北京新能源汽車股份有限公司；3.華泰汽車新能源研究院）

近年來，隨著大氣污染的日益嚴重、全球石油資源供應(yīng)緊張及環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)的燃油汽車面臨著巨大的挑戰(zhàn)，純電動汽車越來越受到人們的青睞。實現(xiàn)電動汽車替代傳統(tǒng)汽車的關(guān)鍵是純電動汽車的整車動力性是否滿足人們的需要。解決整車動力性能的關(guān)鍵因素在于如何實現(xiàn)電池質(zhì)量小且儲存能量大、提高電機的性價比及優(yōu)化電驅(qū)動控制策略[1]。通過選擇動力系統(tǒng)參數(shù)，使得電機、電池及電控更好地集成到一起，是現(xiàn)階段提高純電動汽車整車動力性的重要方法之一[2-4]。文章通過研究匹配電機、電池參數(shù)及整車控制器參數(shù)的基本原則，為純電動汽車初期設(shè)計動力匹配提供了理論依據(jù)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對新產(chǎn)品的開發(fā)提供了指導(dǎo)作用，大大縮短了開發(fā)周期。

1 純電動汽車整車動力系統(tǒng)設(shè)計流程和需求

純電動汽車動力系統(tǒng)由整車控制器、電機控制器、永磁同步電機、電池管理系統(tǒng)及動力電池等構(gòu)成，整車動力系統(tǒng)的基本架構(gòu)，如圖1所示。純電動汽車動力系統(tǒng)開發(fā)過程可采用“V”模式[5]，如圖2所示。定義好各個環(huán)節(jié)的功能需求，按照開發(fā)流程進行新產(chǎn)品的動力系統(tǒng)開發(fā)，文章針對具有單速比和永磁同步電機的純電動汽車的參數(shù)匹配展開研究。

圖1 純電動汽車動力系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 純電動汽車動力系統(tǒng)開發(fā)流程框架圖

純電動汽車的電機控制器（MCU）響應(yīng)整車控制器（VCU）的控制和輸出的扭矩值，負責(zé)驅(qū)動電機的控制并對電機狀態(tài)進行實時檢測，電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池的荷電狀態(tài)（SOC）、電壓、電流及溫度等參數(shù)進行測量，VCU通過采集、接收MCU及BMS等信息實現(xiàn)整車驅(qū)動模式控制、能量優(yōu)化控制及制動回饋控制等功能。因此，純電動汽車的整車動力性主要依賴于驅(qū)動電機、動力電池組、傳動系統(tǒng)及電控系統(tǒng)的參數(shù)匹配。在電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計初期，汽車的續(xù)航里程、加速性能、最高車速及爬坡能力等能夠反應(yīng)系統(tǒng)的動力性，可根據(jù)動力系統(tǒng)指標選擇合理的電機參數(shù)和動力電池參數(shù)等，以滿足整車的動力需求。

2 驅(qū)動電機參數(shù)的選擇和匹配

電機是純電動汽車的核心功能模塊，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并通過傳動系統(tǒng)將能量傳遞到車輪來驅(qū)動汽車行駛。合理地選擇電機參數(shù)能夠更合理的使用動力電池的儲存能量，從而提高汽車續(xù)航里程等性能。電機和MCU組成了純電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)。MCU是一種能將動力電池輸入的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于目標電機運行需求的另一種電能形式的電能轉(zhuǎn)化裝置。因此，整車的動力性能主要取決于MCU選擇的合理性。可以根據(jù)動力系統(tǒng)設(shè)計需求目標匹配電機的峰值功率、額定功率、最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速及最大扭矩等參數(shù)。

2.1 驅(qū)動方程

根據(jù)汽車的驅(qū)動力和行駛阻力之間的力學(xué)平衡關(guān)系，估算電機的基本性能。汽車的驅(qū)動力-行駛阻力平衡關(guān)系的方程，如式（1）所示。

式中：Ft——驅(qū)動力，N；

Ff——滾動阻力，N；

Fw——空氣阻力，N；

Fi——坡道阻力，N；

Fj——加速阻力，N。

純電動汽車傳動系統(tǒng)傳動比與效率、車輪半徑、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積及汽車的質(zhì)量等性能指標確定后，可確定汽車的驅(qū)動力-行駛阻力平衡關(guān)系方程組，如式（2）所示。

式中：Ttq——電機轉(zhuǎn)矩，N·m；

i0——減速器速比；

ηT——動力傳動系統(tǒng)機械效率，根據(jù)純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，主要由單級減速器傳動效率（η1）和傳動軸萬向節(jié)傳動效率（η2）兩部分組成，%；

rd——車輪滾動半徑，m；

m——汽車估算載荷工況下的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

f——滾動阻力系數(shù)；

α——道路坡度，rad；

ua——汽車行駛速度，km/h；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2；

δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

n——電機轉(zhuǎn)速，r/min；

i0——減速器傳動比。

將式（2）代入式（1）可得汽車的驅(qū)動力-行駛阻力平衡關(guān)系方程，如式（3）所示。

式中：Pe——電動汽車平衡功率，kW。

通過式（4）計算純電動汽車在平衡狀態(tài)下的功率大小，為后續(xù)電機功率選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 電機功率的選擇

純電動汽車電機功率匹配的好壞直接影響汽車的動力性。如果選擇較低功率的電機，將導(dǎo)致電機常工作在過載狀態(tài)，如果選擇較大功率的電機則其常工作在欠載狀態(tài)，所以功率過大或過小都會大大降低電機運行效率[6]。匹配合理的電機功率，不僅可提高汽車的續(xù)航里程，而且可提高能量利用率，符合設(shè)計電動汽車的目的。由式（4）可知，根據(jù)設(shè)計目標，驅(qū)動電機的功率（Pm）應(yīng)不小于最高車速時對應(yīng)的功率，另外由于電機不能長時間在最大功率下運行，那么最高車速時對應(yīng)的功率需是額定功率。并且電機的峰值功率必須滿足最大爬坡度和加速時間對應(yīng)的功率要求，因此式（5）不等式組成立。

式中：Pm——驅(qū)動電機功率，kW；

αmax——道路最大坡度，rad；

λ——電機的過載系數(shù)；

umax——最高車速，km/h；

uc——最大爬坡度時對應(yīng)的車速，km/h。

因此，根據(jù)式（5）可以初步選擇電機功率。

2.3 電機轉(zhuǎn)速匹配

純電動汽車最高車速是指在沒有風(fēng)速和路面平坦的條件下電動汽車所能達到的最高行駛速度，即加速度為零、行駛阻力與驅(qū)動力平衡時的速度。最高車速作為評價汽車動力性的重要指標，使電機的轉(zhuǎn)速匹配至關(guān)重要。

式中：nmax——電機最大轉(zhuǎn)速，r/min。

通過式（6）匹配出電機的轉(zhuǎn)速即為電機的最高轉(zhuǎn)速。

3 動力電池參數(shù)的匹配

3.1 動力電池數(shù)目和功率匹配

對于純電動汽車在設(shè)計初期，系統(tǒng)選擇的動力電池的功率必須滿足驅(qū)動電機所需功率[7]，而所需電池的最大放電功率取決于動力電池的電壓與最大放電電流。因此，根據(jù)所選擇電機型號的工作電壓范圍、功率參數(shù)等匹配電池功率，如式（7）所示。

式中：Pb_max——單體電池所能放出的最大功率，kW；

PB_max——動力電池所能放出的最大功率，kW；

ηC——電機工作效率，%；

ηB——電池放電效率，%；

Pm_p——電機峰值功率，kW；

U——單體電池開路電壓，V；

R——單體電池電阻，Ω；

N——所需串聯(lián)單體電池個數(shù)。

3.2 動力電池容量選擇

動力電池作為純電動汽車的動力來源，其容量決定了整車的續(xù)航里程，從而影響整車的動力性能。在設(shè)計初期為了提高續(xù)航里程，單純匹配較大容量的電池會增加整車的質(zhì)量并大大增加設(shè)計成本，因此，合理地匹配電池容量對提升整車的性能起著關(guān)鍵性作用。對于純電動汽車，計算整車的續(xù)航里程采用GB/T18386《電動汽車能量消耗率和續(xù)航里程標準》，即用等速法和續(xù)航里程設(shè)計目標值法計算電池容量。

由能量守恒定律可得：

式中：D——續(xù)航里程設(shè)計目標值，km；

E——電池組總?cè)萘?，kW·h；

M——試驗規(guī)定車速，km/h；

PM——整車在M車速穩(wěn)定行駛的輸出功率，kW；

Pacc——附件消耗功率，kW。

則電池總?cè)萘康挠嬎悖缡剑?）所示。

因此，通過式（9）即可初步計算動力電池應(yīng)具備的容量值。然后再根據(jù)選擇的驅(qū)動電機所需的額定輸入電壓范圍、功率大小及續(xù)航里程所需的動力電池容量，確定電池組數(shù)量和所需動力電池總電壓。根據(jù)工況法計算電池容量。

4 傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配

傳動比對純電動汽車的性能有較大的影響。不同的行駛工況下，合適的傳動比可以很好地滿足電動汽車的性能要求，使電機運轉(zhuǎn)在高效率的范圍內(nèi)，同時減輕電機和電源的負荷，減少功率損失。

當(dāng)電動機輸出特性一定時，傳動比的選擇需滿足整車的動力性指標的最高車速、加速時間及最大爬坡度的要求。電動汽車在最高車速時以最小的傳動比擋位行駛，在最大爬坡度時以最大的傳動比擋位行駛。因此，傳動比的上限（iu）、下限（id）可由式（10）計算。

式中：Ttq_max——電動機最大輸出扭矩，N·m。

5 整車動力性能仿真及控制策略優(yōu)化

5.1 整車動力性能仿真

ADVISOR軟件是一種在MATLAB和Simulink環(huán)境下的一系列模型和數(shù)據(jù)。使用ADVISOR可靈活配置汽車各部分參數(shù)和試驗條件，在純電動汽車開發(fā)前期可快速地仿真分析純電動汽車經(jīng)濟性、動力性及參數(shù)匹配的合理性，使動力匹配的開發(fā)周期大大縮短。

根據(jù)設(shè)計車型的目標參數(shù)，以及文中相應(yīng)的計算公式，計算電機、動力電池及傳動系數(shù)，然后打開ADVISOR仿真軟件，將相對應(yīng)的M文件進行相應(yīng)的修改進行仿真驗證，仿真界面，如圖3所示。在仿真過程中可實時調(diào)整優(yōu)化所設(shè)計的動力參數(shù)，以滿足設(shè)計目標。

圖3 純電動汽車動力匹配仿真界面

5.2 整車控制策略優(yōu)化

動力參數(shù)匹配完成，VCU作為純電動汽車的中樞系統(tǒng)，起著指揮協(xié)調(diào)的作用，并對整車動力優(yōu)化起關(guān)鍵作用。VCU根據(jù)駕駛員操作意圖及汽車運行狀態(tài)判斷汽車相應(yīng)驅(qū)動模式，整車控制策略的好壞直接影響著整車系統(tǒng)的能量綜合利用率。經(jīng)仿真驗證和試驗標定后選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)，使得整車動力電池能量利用率達到最高，從而節(jié)省電量、增加續(xù)航里程。此外，在汽車減速或滑行時，可根據(jù)設(shè)計目標及駕駛習(xí)慣選擇合適的能量回收系數(shù)，將整車不能利用的機械能轉(zhuǎn)換為能為動力電池組充電的電能。

作為純電動汽車的中樞系統(tǒng)，當(dāng)整個電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，VCU將檢測到的故障進行等級劃分，按照不同的故障等級提供相應(yīng)的應(yīng)對策略，這樣就可以按照設(shè)計目標對整車系統(tǒng)進行功率限制，在保障安全的前提下，減少動力電池電量的浪費，同時減輕驅(qū)動電機的負荷，以保障整車控制系統(tǒng)處于能量最優(yōu)狀態(tài)。

6 結(jié)論

電動汽車電控系統(tǒng)的參數(shù)匹配選擇對其動力性和經(jīng)濟性有著很大的影響。文章介紹了在純電動汽車設(shè)計初期，根據(jù)整車設(shè)計目標，通過驅(qū)動電機參數(shù)、動力電池參數(shù)匹配仿真方法及設(shè)計整車控制策略，使得純電動汽車“電池+電機+電控”三電系統(tǒng)在電動汽車動力匹配開發(fā)初期更好地集成到一起。為電動汽車的前期設(shè)計分析及后續(xù)整車各性能指標優(yōu)化等提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，極大地縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。