純電動(dòng)汽車動(dòng)力性分析與匹配計(jì)算實(shí)例研究

古 毅

（重慶五一高級(jí)技工學(xué)校，重慶 400042）

純電動(dòng)汽車動(dòng)力性分析與匹配計(jì)算實(shí)例研究

古 毅

（重慶五一高級(jí)技工學(xué)校，重慶 400042）

文章針對(duì)某款A(yù)0級(jí)車為實(shí)例進(jìn)行研究，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與匹配以及變速器的匹配設(shè)計(jì)，使整車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程滿足設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)力性分析

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-146-03

1、整車參數(shù)

本研究所用原型車為某A0級(jí)車，整車參數(shù)如表1所示。

表1 純電動(dòng)汽車整車主要參數(shù)

2、動(dòng)力性指標(biāo)

車輛行駛的動(dòng)力性能可用以下四個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)：最高車速、加速性能、最大爬坡度和續(xù)駛里程。該電動(dòng)汽車的動(dòng)力性指標(biāo)如表2所示：

表2 某型純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程參數(shù)表

（1）最高車速：在城市區(qū)域行駛的車輛一般最高車速不大于100km/h，本文設(shè)計(jì)為95km/h。

（2）加速性能：本文取2項(xiàng)加速測(cè)試，0～50 km/h和50～80km/h，加速所需要的最短時(shí)間來表示。

（3）最大爬坡度：純電動(dòng)汽車的最大爬坡度一般要求大于25%，本文選擇坡度為25%

（4）續(xù)駛里程：本文取行駛里程為100km。

3、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力特性分析

要確定電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能，首先得確定電動(dòng)汽車在行駛過程中的運(yùn)動(dòng)狀況。

電動(dòng)汽車的行駛方程：

式中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力；為行駛的阻力之和。

（1）電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，通過傳動(dòng)系傳遞到驅(qū)動(dòng)車輪，此時(shí)作用在驅(qū)動(dòng)車輪上的轉(zhuǎn)矩Tt，產(chǎn)生一對(duì)地面圓周力F0，地面又對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪產(chǎn)生反作用力Ft，F(xiàn)0就是驅(qū)動(dòng)汽車行駛的外力，稱為汽車的驅(qū)動(dòng)力。

（2）電動(dòng)汽車的行駛阻力

電動(dòng)汽車在水平路面上勻速行駛時(shí)，受到的阻力包括路面的滾動(dòng)阻力Ff，來自空氣的空氣阻力Fw；當(dāng)電動(dòng)汽車在上坡行駛時(shí)受到的阻力包括重力在坡度方向的分力即坡度阻力Fi；當(dāng)電動(dòng)汽車在加速行駛時(shí)受到的阻力還包括加速阻力Fj，所以，電動(dòng)汽車在行駛過程中受到的總阻力是：

（3）電動(dòng)汽車的行駛方程和驅(qū)動(dòng)條件

電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能不只受到驅(qū)動(dòng)力的限制，還受到輪胎與地面附著條件的制約，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)力Ft大于附著力V附，為了不使驅(qū)動(dòng)車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)，應(yīng)該使汽車的驅(qū)動(dòng)力Ft小于或者等于地面的附著力，即：

4、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)

電機(jī)基本參數(shù)包括額定功率，最大扭矩，調(diào)速范圍等，其必須滿足所有上述動(dòng)力性能要求。本文選定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型為永磁直流無刷電機(jī)。

（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率和峰值功率的匹配設(shè)計(jì)

根據(jù)最高車速計(jì)算時(shí)，考慮汽車在坡度為0的路面上勻速行駛，其消耗功率為：

該式中：M——整車質(zhì)量（kg）；根據(jù)《電動(dòng)汽車動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)方法》（GB/T18385-2005）中3.2“電動(dòng)汽車試驗(yàn)質(zhì)量”取整備質(zhì)量加180kg即為1380kg。

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.16

c——風(fēng)阻系數(shù)，取0.35

A——迎風(fēng)面積（m2），取2.11

Umax——最大車速（km/h），取95

則電動(dòng)機(jī)需求功率為：

式中：ηt為機(jī)械效率，取0.9

當(dāng)車輛在勻速爬坡過程中還要受到坡度阻力，故其消耗的功率為：

式中：i為坡度

u為爬坡車速；

當(dāng)該車滿足最大爬坡度需求，即以15km/h的速度爬上25%的坡時(shí)電機(jī)所需功率為：

電機(jī)的額定功率應(yīng)該同時(shí)滿足以上所有條件，即P≥max{P1,P2}

這里P取14.02kw?？紤]到車上燈光用電需求，所以取驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為16kw。根據(jù)下式，有額定功率估計(jì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率：

式中，λ為電機(jī)的過載系數(shù)，λ一般取2～3。

經(jīng)過上式計(jì)算，初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為16kw，電機(jī)過載系數(shù)為2.25，電機(jī)峰值功率為40kw。

（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低會(huì)影響與電機(jī)配套的變速器和電池的選擇，而且造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制造成本的提升。本文中將選擇介于6000-10000r/min的中速電機(jī)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間有一個(gè)比值關(guān)系，這個(gè)比值稱為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β，β值越大，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)可以獲得的轉(zhuǎn)矩越高，高轉(zhuǎn)矩有利于汽車加速和爬坡的性能，本文β值取4。

由于本文選擇的是介于6000-10000r/min的中速電機(jī)。因而初步選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速在2000r/min左右。另外，根據(jù)公式4-15可以確定功率和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。

（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定電壓的選擇

根據(jù)之前確定的電機(jī)的額定功率，我們選定電機(jī)的額定電壓在300V左右。因此永磁無刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)其參數(shù)如下表3所示：

表3 永磁無刷電機(jī)參數(shù)

4、電動(dòng)汽車傳動(dòng)系速比參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 傳動(dòng)系速比的參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）電動(dòng)汽車在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，汽車的最大驅(qū)動(dòng)力必須不能超過地面對(duì)汽車輪胎的附著力，確定傳動(dòng)系速比的上限：

（2）電動(dòng)汽車以最大爬坡度行駛時(shí)受到的行駛阻力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)以低轉(zhuǎn)速工作時(shí)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，來確定傳動(dòng)系速比下限：

由于汽車在爬坡的時(shí)候受到的阻力比在平路上要大很多，因而傳動(dòng)比下限按照電動(dòng)汽車在爬最大坡度的工況下來求。

4.2 傳動(dòng)系變速比驗(yàn)證

根本文選用固定速比減速器，固定速比為8.22。

（1）電動(dòng)汽車以最高車速行駛時(shí)：

電動(dòng)汽車以最高車速95km/h行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)公式4-21可以求出當(dāng)爬坡度為25%時(shí)，汽車受到的行駛阻力為3238.5N，由公式4.19計(jì)算得出車輪的驅(qū)動(dòng)力Ft為3836.5N。此時(shí)Ft>∑F，所以變速器能夠滿足電動(dòng)汽車最大爬坡度的要求。

5、電池組的參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）電池組的數(shù)量

所選定的電池組數(shù)量必須滿足汽車行駛過程中所需最大功率的要求，即由最大功率選擇蓄電池?cái)?shù)目。所以電池組的數(shù)目為：

（2）動(dòng)力電池的電量必須滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程，即由里程選擇電池容量。

式中，Vele為車速70km/h；Pele為電動(dòng)汽車以時(shí)速70km/h行駛時(shí)所需的功率；C為蓄電池的額定容量；S為70km/h勻速行駛時(shí)的續(xù)駛里程；U為蓄電池電壓；ξsoc取1即假設(shè)電池可以實(shí)現(xiàn)完全充電。計(jì)算得出C為53.83Ah。

（3）電池組電壓的計(jì)算

根據(jù)計(jì)算得到的單體電池組數(shù)目為25個(gè)，每個(gè)單體電池組的電壓約為12V，故總的電池組電壓約為300V。

綜上，經(jīng)過匹配設(shè)計(jì)初步選定的電池參數(shù)如下表4所示：

表4 鎳氫電池參數(shù)Table 4.4 Parameters of the NI-MH battery

6、動(dòng)力系統(tǒng)的匹配結(jié)果

根據(jù)電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性和續(xù)駛里程的要求，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)匹配的研究，其匹配結(jié)果如下表5所示：

表5 某型純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系參數(shù)

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Pure electric vehicles matching performance analysis and calculation example research

Gu Yi
( May 1 senior vestibule school of chongqing, Chongqing 400042 )

In this paper, a new class A0 car as an example, the parameters of the driving motor, power battery design and matching and the matching design of transmission, the power performance of vehicle travel distance and meet the design requirements.

dynamic analysis

U469.7

A

1671-7988 (2017)10-146-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.051

古毅，就職于重慶五一高級(jí)技工學(xué)校。