純電動(dòng)汽車動(dòng)力匹配及性能計(jì)算界面設(shè)計(jì)

張幸 楚金甫 陳西山 常樂 汪世偉 朱永智

河南森源重工有限公司 河南省長葛市 461500

1 引言

當(dāng)前全球能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大難題備受世界各國關(guān)注，傳統(tǒng)汽車能源消耗和尾氣排放成為制約該行業(yè)發(fā)展的重要因素。純電動(dòng)汽車是指以車載電池為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛的車輛，可以實(shí)現(xiàn)零排放及能源的合理利用。在此種背景下，純電動(dòng)汽車技術(shù)面臨著難得的發(fā)展機(jī)遇，也是目前國家大力推廣的主要新能源車型，是21世紀(jì)重要的新型綠色環(huán)保交通工具[1-2]。

對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究是提高電動(dòng)汽車性能的重要手段之一，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇或匹配不當(dāng)，對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等都將有顯著的影響[3]。在純電動(dòng)汽車中，電機(jī)是電動(dòng)汽車的核心部件之一，本文設(shè)計(jì)的計(jì)算界面可由整車參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)計(jì)算出需求電機(jī)的額定功率、峰值功率、額定扭矩、峰值扭矩及峰值轉(zhuǎn)速。由整車?yán)m(xù)駛里程按勻速60km/h試驗(yàn)法計(jì)算動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量、容量及單體數(shù)目，并分別輸出計(jì)算結(jié)果數(shù)值及曲線。

車輛的動(dòng)力性能通常由加速時(shí)間、最高車速和爬坡能力予以描述。本文設(shè)計(jì)的計(jì)算界面可由整車參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)、動(dòng)力電池參數(shù)計(jì)算出整車最高車速、最大加速度、加速性能、爬坡性能、驅(qū)動(dòng)力矩行駛阻力矩平衡圖、驗(yàn)證初選傳動(dòng)比，并分別輸出計(jì)算結(jié)果數(shù)值及曲線，對(duì)匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力性能驗(yàn)證。

2 純電動(dòng)汽車組成及設(shè)計(jì)參數(shù)

典型純電動(dòng)汽車主要包括電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車控制器和輔助系統(tǒng)等[4]。動(dòng)力電池輸出電能，通過電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力，再通過減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)車輪。

3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配界面設(shè)計(jì)

圖形用于界面（Graphical User Interfaces，GUI）是提供人機(jī)交互的工具和方法，是指由窗口、菜單、圖標(biāo)、光標(biāo)、按鍵、對(duì)話框和文本等各種圖形對(duì)象組成的用戶界面[5-6]。在GUI平臺(tái)下用戶可定制與Matlab的交互方式，從而設(shè)計(jì)出自定義的圖形用戶界面。

表2 純電動(dòng)汽車整車參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的主界面為操作選擇界面，該界面可選擇動(dòng)力匹配、整車動(dòng)力性能驗(yàn)證，選擇動(dòng)力系統(tǒng)匹配時(shí)，跳轉(zhuǎn)到圖2動(dòng)力系統(tǒng)匹配主界面，在圖2的界面輸入整車參數(shù)后雙擊界面1處的選項(xiàng)進(jìn)入電機(jī)主要參數(shù)的計(jì)算。

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率計(jì)算界面

在汽車行駛過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率與行駛阻力功率是相互平衡的，其中行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力。驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率的匹配應(yīng)滿足整車最高車速的功率Pemax1、4%坡道車速60km/h的爬坡功率Pemax2、12%坡道車速30km/h的爬坡功率Pemax3，即Pemax≥max（Pemax1，Pemax2，Pemax3）。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)匹配主界面

輸入整車參數(shù)后，點(diǎn)擊計(jì)算，數(shù)值顯示在界面右側(cè)，計(jì)算結(jié)果Pemax≥24kW，如圖2所示。

圖2 額定功率計(jì)算界面

圖3 峰值功率計(jì)算界面

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率計(jì)算界面

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率由車輛的加速及爬坡性能確定，其匹配應(yīng)能滿足車輛0～50km/h加速時(shí)間小于5s的加速功率Pmax1、0～80加速時(shí)間小于15s的加速功率Pmax2，即Pmax＞ max（Pmax1，Pmax2），計(jì)算界面如圖3所示，計(jì)算結(jié)果Pmax≥44kW。

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩計(jì)算界面

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩需滿足車輛起步加速扭矩Tmax1和最大爬坡度的扭矩Tmax2，即Tmax＞ max（Tmax1，Tmax2），計(jì)算界面如圖4所示，計(jì)算結(jié)果Tmax≥190Nm。

圖4 峰值扭矩計(jì)算界面

3.4 動(dòng)力電池系統(tǒng)能量計(jì)算界面

由整車?yán)m(xù)駛里程按勻速60km/h試驗(yàn)法計(jì)算動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量W，搭建如圖5的仿真模型，并設(shè)計(jì)仿真控制計(jì)算界面，計(jì)算結(jié)果W≥21kW.h。

4 整車動(dòng)力性能計(jì)算界面設(shè)計(jì)

當(dāng)選擇整車動(dòng)力性能驗(yàn)證時(shí)，跳轉(zhuǎn)到圖6動(dòng)力性能驗(yàn)證主界面，在圖6的界面輸入整車參數(shù)、電機(jī)參數(shù)后雙擊界面2處的選項(xiàng)進(jìn)入整車動(dòng)力性能參數(shù)計(jì)算。

圖6 整車動(dòng)力性能驗(yàn)證主界面

4.1 加速性能

汽車的加速性能通常由汽車從0加速到某一車速時(shí)所用時(shí)間來衡量，由汽車?yán)碚撝屑铀贂r(shí)間計(jì)算方法搭建仿真模型，加速時(shí)間計(jì)算界面如圖7（左）圖所示，當(dāng)輸入整車參數(shù)及電機(jī)參數(shù)后，可仿真得到加速時(shí)間，加速時(shí)間曲線如圖7（右）所示。

4.2 爬坡性能

最大爬坡度是汽車動(dòng)力性的主要指標(biāo)，指汽車在良好的路面上，以最大驅(qū)動(dòng)力行駛所能爬行的最大坡度。其坡度用坡高與相應(yīng)的水平距離之比來表示，其單位用百分比（%）來表示。加速時(shí)間計(jì)算界面如圖8（左）所示，爬坡度曲線如圖8（右）所示。

4.3 加速度

加速度計(jì)算界面如圖9（左）所示，加速度曲線如圖9（右）所示。

圖5 能量計(jì)算仿真模型

圖8 最大爬坡度計(jì)算界面及最大爬坡度曲線

圖9 加速度計(jì)算界面及加速度曲線

圖10 加速度曲線

4.4 驅(qū)動(dòng)力矩—行駛阻力矩平衡圖

驅(qū)動(dòng)力矩—行駛阻力矩平衡圖如圖10所示，由圖中可以看出車輛30min最高車速為115km/h。

5 結(jié)語

本文基于Matlab/Gui﹠Simulink設(shè)計(jì)了一種用于純電動(dòng)汽車動(dòng)力匹配及動(dòng)力性能驗(yàn)證的圖形用戶界面，動(dòng)力匹配功能為純電汽車電機(jī)匹配，動(dòng)力電池系統(tǒng)匹配提供了一種可行有效的方法，動(dòng)力性能驗(yàn)證功能計(jì)算結(jié)果與樣車實(shí)測結(jié)果吻合，為純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配、性能預(yù)測和分析提供了一種方法和手段。