純電動汽車性能仿真與驅(qū)動電機選型分析

李言辰 張利蘋

摘 要：在整車開發(fā)策劃前期，純電動汽車的動力性能指標，是通過研究競品標桿車型水平，以及符合政策法規(guī)要求等的前提下，去初步制定出來具有前瞻性競爭力的動力參數(shù)指標。為了實現(xiàn)參數(shù)定義的動力指標，需要選擇合適的驅(qū)動電機及傳動比以達到此設(shè)計目標。通過搭建動力仿真模型，結(jié)合實際驅(qū)動電機性能，仿真分析比對不同產(chǎn)品在整車上搭載后的能力，進行對比，最終作為驅(qū)動電機選型的主要理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;仿真分析;驅(qū)動電機;選型

Abstract： In the early stage of vehicle development and planning， the dynamic performance indicators of pure electric vehicles are based on the premise of researching the level of competing models and meeting the requirements of policies and regulations to initially formulate forward-looking competitive power parameter indicators. In order to achieve the power index defined by the parameters， it is necessary to select a suitable drive motor and transmission ratio to achieve this design goal. By building a dynamic simulation model and combining the performance of the actual drive motor， the simulation analysis compares the capabilities of different products after they are mounted on the vehicle， and makes a comparison， which ultimately serves as the main theoretical basis for the selection of the drive motor.

前言

我國對電動汽車的政策支持與傳統(tǒng)汽車研發(fā)與汽車工業(yè)發(fā)達的國家相比存在著較大的差距，但我國純電動汽車的研發(fā)技術(shù)水平主要包括電機電控水平、電池系統(tǒng)研發(fā)能力、整車控制技術(shù)等方面，與國外電動汽車技術(shù)不分伯仲。因此國家為了發(fā)展振興國內(nèi)汽車工業(yè)，明確新能源汽車補貼政策[1]。

整車廠在進行整車研發(fā)過程中，對于驅(qū)動電機等零部件的選型，在技術(shù)交流過程中，需要根據(jù)廠家提供和輸入的產(chǎn)品臺架試驗分析數(shù)據(jù)，依照所開發(fā)車輛定義性能指標參數(shù)，進行仿真分析。從而選擇出與設(shè)計目標所匹配或相近的產(chǎn)品，繼續(xù)開展后續(xù)研發(fā)工作。在開發(fā)前期，通過Matlab等仿真分析軟件搭建計算建模，篩選相對應的功能模塊性能[2]。

驅(qū)動電機的性能參數(shù)在進行仿真分析之前，通過前期開發(fā)策劃，明確一些整車的性能參數(shù)定義。通過整車系統(tǒng)動力經(jīng)濟性仿真將整車系統(tǒng)各項參數(shù)指標，利用汽車理論相關(guān)動力經(jīng)濟性相關(guān)公平衡圖，能夠快速、直觀的確定整車最高車速等性能。

本文從純電動汽車整車系統(tǒng)角度出發(fā)，研究驅(qū)動電機的選型，主要通過以下性能的仿真結(jié)果作為選型依據(jù)：最高車速、最大爬坡度、整車加速時間、續(xù)航里程[3]。旨在選型出平臺化的、可靠性強的純電動車驅(qū)動電機，保證車輛安全平穩(wěn)的運行的前提下，提高車輛的能量利用率，保證商用車輛經(jīng)濟性[4]。

1 動力性仿真分析

1.1 最高車速仿真

最高車速是車輛在路況良好、水平的路面上正常行駛達到的最高行駛車速，也是汽車在平坦路面無風條件下，行駛阻力和驅(qū)動力平衡時的車速，是汽車動力性的三個評價指標之一[5]。

其中，車輪半徑和后橋速比是固定的，因此車速與轉(zhuǎn)速成正比，車速隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加;同時，車速與空氣阻力成正比，當車速增大到驅(qū)動力與阻力平衡時，此時車輛達到最高車速。

結(jié)合公式（1）、（2）、（5）、（6），后續(xù)代入整車參數(shù)及電機電控參數(shù)（其中電機電控參數(shù)使用峰值條件下的數(shù)據(jù)），可得出整車車速分別與驅(qū)動力和行駛阻力相關(guān)的曲線，隨著車速增加，驅(qū)動力逐漸下降，而行駛阻力逐漸增加，利用仿真分析軟件可繪制出驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖進行最高車速仿真。

1.2 最大爬坡度仿真

純電動汽車爬坡度，是在良好路面上克服的最大爬坡度。爬坡度是以坡腳的正切值，即坡道高度與坡道水平長度的比值的百分數(shù)來表示。

將公式（1）、（2）、（2）代入到爬坡度計算公式（7），即可得到整車爬坡車速與爬坡度的關(guān)系，車輛以越高的車速爬坡的時候，車輛爬坡度越低。利用仿真分析軟件，可繪制出爬坡度曲線圖進行最大爬坡度計算。

1.3 加速時間仿真

加速時間即汽車由車速為0km/h加速到某一車速的最短時間。對于手動擋的車輛，加速時間表示從第一擋起步，用最大加速度逐步換至高擋后，到某一車速所需的最短時間。由于該純電動商用車車型只有D檔/N檔/R檔，所以前進過程中不存在換擋操作，只要油門踏板踩滿以最大進行加速即可[6]。

其中，D為車輛動力因數(shù)，是汽車牽引性能的主要指標。是剩余牽引力（總牽引力減空氣阻力）和汽車總重之比。此值越大，汽車的加速、爬坡和克服道路阻力的能力越大。

將公式（9）代入（8）中，結(jié)合公式（2）、（4），即可算出車輛加速度與速度之間的關(guān)系，再根據(jù)牛頓第二運動定律，即可得出整車加速時間曲線圖，推算出達到相應速度的加速時間。

2 經(jīng)濟性仿真——續(xù)航里程

對于電動汽車和燃油車對比，電動汽車目前最大的短板就是續(xù)航里程短且續(xù)航里程補給時間長。續(xù)航里程即電動汽車在純電模式下依靠電池電量支持行駛的最大里程。

從公式中可以看出來，續(xù)駛里程與電池總電量、系統(tǒng)效率以及電池放電效率成正比關(guān)系。在電池電量一定的情況下，電機工作的轉(zhuǎn)速也有著密不可分的關(guān)系?？梢婋姵仉娏恳约半姍C電控系統(tǒng)效率的好壞是決定車輛續(xù)航里程的重要因素。將整車技術(shù)定義中提供的電機電控系統(tǒng)參數(shù)代入上述公式，結(jié)合公式（1）、（2）、（5），按照電動商用車滿載條件計算，即可得出續(xù)航里程與車速之間在某個特定車速下可以使續(xù)航里程最大化，但還需要結(jié)合實際的試驗方法進行后續(xù)續(xù)航里程摸底試驗。

3 實際驅(qū)動電機選型案例

整車參數(shù)根據(jù)前期策劃數(shù)值設(shè)定，計算所需要的公式之前已經(jīng)進行過推導，輸入電機一、二的驅(qū)動電機及電控參數(shù)。

3.1 最高車速（驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖及功率平衡圖）

在同樣的整車試驗條件下，進行性能比較。

首先比較兩臺電機能達到的最高車速。根據(jù)電機及電控的驅(qū)動參數(shù)，結(jié)合計算公式仿真出平衡圖，當驅(qū)動力與行駛阻力相等時的交點為最高車速點。

電機1的最高車速ua max=71km/h時，驅(qū)動力與行駛阻力相等。

電機1在最高車速ua max=71km/h時，驅(qū)動力功率與行駛阻力功率相等。

電機2的最高車速ua max=101km/h時，驅(qū)動力與行駛阻力相等。

電機2在最高車速ua max=101km/h時，驅(qū)動力功率與行駛阻力功率相等。

3.2 爬坡度（爬坡度曲線）

再比較兩臺電機能達到的最大爬坡度。根據(jù)電機及電控的驅(qū)動參數(shù)，結(jié)合計算公式仿真出爬坡度曲線圖，在車速升高的情況下，爬坡度逐漸降低。

電機1在5km/h的速度下，可以達到的最大爬坡度I max= 29%。

電機2在8km/h的速度下，可以達到的最大爬坡度I max= 13%。

3.3 加速時間（加速度曲線）

接著在同樣的載質(zhì)量m=1100kg的情況下，比較搭載電機1和電機2時車輛達到50km/h的時速，所需要的時間長短。

電機1達到50km/h的速度，所需要的加速時間ta =15s。

電機2達到50km/h的速度，所需要的加速時間ta =17s。

3.4 續(xù)駛里程（續(xù)駛里程曲線）

電機1所達到的續(xù)駛里程 S=131km。

電機2所達到的續(xù)駛里程 S=138km。

最后在同樣搭載電量Eb=15.6kWh的電池，放電深度SOC=80%，載質(zhì)量m=930kg，按60km/h等速法去測試的情況下，比較搭載電機1和電機2的車輛的續(xù)駛里程。

4 電機動力性計算對比分析

動力性方面：驅(qū)動電機2在最大爬坡度上不能滿足設(shè)計要求;驅(qū)動電機1雖然在爬坡能力上表現(xiàn)優(yōu)異，但最高車速較低。

經(jīng)濟性方面：噸百公里耗電量（SOC=80%，Eb=15.6kWh，m=930kg），驅(qū)動電機1為10.24度，驅(qū)動電機2為9.72度，驅(qū)動電機2結(jié)果更佳。

5 結(jié)論

對于電機1，不考慮最高車速的情況下，滿足設(shè)計要求;對于電機2，為滿足爬坡需求，需要采用大傳動比車橋滿足設(shè)計要求。

通過模擬仿真分析，得出對于不同廠家輸入產(chǎn)品在整車性能參數(shù)層面上的分析建議，由相關(guān)工程師對于結(jié)果進行分析比對，選擇對應的驅(qū)動電機或者輸入新的產(chǎn)品，繼續(xù)開展研發(fā)設(shè)計工作。對于減少研發(fā)工作量，以及避免因產(chǎn)品定義不明確，所造成在實際裝車中出現(xiàn)問題，重新進行產(chǎn)品設(shè)變，重復驗證方案對于研發(fā)經(jīng)費的浪費和開發(fā)周期的延誤有著實際的意義。

參考文獻

[1] 劉進.我國新能源汽車財政補貼效應研究[D].北京：中國財政科學研究院，2017.

[2] 付主木.電動汽車運用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2014.

[3] 王宏亮.純電動汽車整車建模與仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學， 2005.

[4] 竇林彬.純電動汽車能源供給商業(yè)模式研究[D].天津：天津大學， 2016.

[5] 劉恒碩，李軍.某型純電動汽車動力參數(shù)匹配研究與仿真分析[J]. 汽車工業(yè)研究， 2015（07）：49-54.

[6] 楊寶成.純電動汽車與無級變速器匹配控制策略的建模與仿真[J].承德石油高等?？茖W校學報，2016（18）：29-32.