純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配及性能分析

姜 旭， 張肖野， 趙二明， 朱詠光

（1.中機(jī)寰宇認(rèn)證檢驗(yàn)有限公司， 北京 102600； 2.江西昌河汽車(chē)有限責(zé)任公司北京分公司， 北京 101300）

0 引言

純電動(dòng)汽車(chē)一般由車(chē)身、底盤(pán)、動(dòng)力系統(tǒng)等組成。 其車(chē)身和底盤(pán)與傳統(tǒng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，甚至有所簡(jiǎn)化，但其動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車(chē)相比存在較大差異。 傳統(tǒng)汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)，構(gòu)造復(fù)雜，純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源于電池，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著電驅(qū)動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配及性能分析已成為純電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)。

1 研究?jī)?nèi)容和指標(biāo)

本文以某款純電動(dòng)輕客為例， 在傳統(tǒng)車(chē)型原有底盤(pán)和車(chē)身基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)， 在確定一級(jí)減速比與減速器傳動(dòng)比及行駛性能前提下， 通過(guò)建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行選擇匹配。在動(dòng)力參數(shù)匹配中首先確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.1 整車(chē)設(shè)計(jì)基本參數(shù)

整車(chē)設(shè)計(jì)基本參數(shù)如表1 所示。

表1 整車(chē)基本參數(shù)Tab.1 Basic vehicle parameters

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本論文設(shè)計(jì)目標(biāo)主要性能參數(shù)如表2 所示。

表2 主要性能參數(shù)Tab.2 Main performance parameters

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率

最高車(chē)速、 最大爬坡度及加速時(shí)間為整車(chē)行駛性能最重要指標(biāo)， 要求電動(dòng)車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠頻繁啟動(dòng)/停車(chē)、加速/減速，實(shí)現(xiàn)低速和爬坡時(shí)高轉(zhuǎn)矩、大變速范圍，因此電機(jī)功率選擇確定極為重要。

2.1.1 計(jì)算最高車(chē)速下電機(jī)需求功率

最高車(chē)速是指無(wú)風(fēng)條件下在水平、 良好的瀝青或水泥路面上，汽車(chē)所能達(dá)到的最大行駛速度，最高車(chē)速實(shí)質(zhì)上反映了汽車(chē)的加速能力和爬坡能力。最高車(chē)速越高，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率越大，電動(dòng)汽車(chē)的后備功率也越大。

最高車(chē)速u(mài)max對(duì)應(yīng)的車(chē)輛需求功率Pv1如式（1）所示：

式中：Pv1—電機(jī)高速行駛功率；ηT—傳動(dòng)系統(tǒng)效率；m—車(chē)輛滿(mǎn)載總質(zhì)量；fr—滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD—空氣阻力系數(shù)；A—車(chē)輛迎風(fēng)面積；umax—最高車(chē)速。

2.1.2 計(jì)算最大爬坡度下電機(jī)需求功率

電動(dòng)汽車(chē)的最大爬坡度是指滿(mǎn)載時(shí)在良好路面上用第一檔克服的最大坡度。 爬坡度用坡度角度的正切值百分?jǐn)?shù)表示。 汽車(chē)在爬坡的過(guò)程中要克服自身重力沿坡度方向的一個(gè)分力， 同時(shí)汽車(chē)輪胎的抓地能力要能滿(mǎn)足汽車(chē)上行需要。

最大爬坡度αm對(duì)應(yīng)車(chē)輛需求功率Pv2如式（2）所示，爬坡時(shí)最低車(chē)速一般為10～15km/h。

式中：Pv2—電機(jī)爬坡功率；αm—最大爬坡度；ua—爬坡時(shí)的最低車(chē)速，取15km/h。

2.1.3 計(jì)算全力加速時(shí)間下電機(jī)功率

電動(dòng)汽車(chē)全力加速時(shí)間包括汽車(chē)原地起步加速時(shí)間和超車(chē)加速時(shí)間。 加速時(shí)間越短，汽車(chē)加速性就越好，整車(chē)動(dòng)力性也越高。

假設(shè)整車(chē)在平坦路面加速， 根據(jù)整車(chē)加速過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程，全力加速時(shí)間tm對(duì)應(yīng)車(chē)輛需求功率Pv3，如式（3）所示：

式中：Pv3—電機(jī)加速功率；δ—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；tm—加速時(shí)間；vm—加速終止車(chē)速；dt—設(shè)計(jì)過(guò)程的迭代步長(zhǎng)（s），通常取0.1 秒便能夠滿(mǎn)足精度要求。

2.1.4 電機(jī)功率計(jì)算小結(jié)

根據(jù)上述三項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算的需求功率Pmax，電機(jī)最大需求功率必須滿(mǎn)足上述所有設(shè)計(jì)要求，即：

利用式（1）～（3），可得到目標(biāo)樣車(chē)的最高車(chē)速、最大爬坡度以及全力加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的車(chē)輛功率需求，見(jiàn)表3。

表3 整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的車(chē)輛功率轉(zhuǎn)矩需求Tab.3 Vehicle power torque demand corresponding to vehicle dynamic performance index

2.2 確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速

2.2.1 確定最高轉(zhuǎn)速

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nemax對(duì)應(yīng)車(chē)速必須大于整車(chē)最高車(chē)速Vmax，如式（5）所示：

式中：Vmax—最高車(chē)速；ig—一級(jí)減速比；i0—主減傳動(dòng)比；r—滾動(dòng)半徑。 結(jié)合傳動(dòng)系速比的選擇，確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為7498.8rpm。

2.2.2 確定額定轉(zhuǎn)速

電動(dòng)車(chē)用電機(jī)調(diào)速范圍，對(duì)電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β（即弱磁擴(kuò)速能力）要求控制在合理范圍內(nèi)，才能滿(mǎn)足最高行駛車(chē)速要求。額定轉(zhuǎn)速ne、最高轉(zhuǎn)速nemax和β 關(guān)系如下：

本論文β 取經(jīng)驗(yàn)值2～4，再由公式（7）根據(jù)最高車(chē)速Vmax確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速應(yīng)該在1874.7～3749.4r/min 之間選取。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)車(chē)速也必須接近整車(chē)常用車(chē)速，如式（7）所示：

式中：Vn—常用車(chē)速，取40kn/h；ig—一級(jí)減速比；i0—主減傳動(dòng)比；r—滾動(dòng)半徑。 結(jié)合傳動(dòng)系速比的選擇，確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2972rpm。

2.3 確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩需滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)起步加速和最大爬坡度要求：

額定轉(zhuǎn)矩Te可由式（8）確定，

額定功率Pe=42.3kW，計(jì)算得Te=134.6Nm。

峰值轉(zhuǎn)矩Te 可由式（9）確定，

峰值功率Pmax=84kW，計(jì)算得Te=267.4Nm。

2.4 電機(jī)選擇

2.4.1 性能參數(shù)預(yù)選電機(jī)

電機(jī)選擇除滿(mǎn)足上述性能要求， 還要考慮現(xiàn)有資源情況，即通過(guò)上述匹配的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率要求選擇市場(chǎng)上已有或相似產(chǎn)品。 根據(jù)上述計(jì)算最終預(yù)定選用驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要性能參數(shù)，具體參數(shù)如表4 所示。

表4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要性能參數(shù)Tab.4 Main performance parameters of drive motor

2.4.2 電機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)

電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)不僅能夠?qū)崟r(shí)精確測(cè)量電機(jī)系統(tǒng)的性能參數(shù)，而且能夠?qū)ζ淇刂茀?shù)進(jìn)行在線(xiàn)標(biāo)定測(cè)量，圖1為試驗(yàn)實(shí)物圖；基于A(yíng)VL 臺(tái)架，試驗(yàn)過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)整車(chē)道路循環(huán)測(cè)試工況的模擬，從而縮短其開(kāi)發(fā)測(cè)試周期、降低開(kāi)發(fā)測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)與成本。

圖1 電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Fig.1 Motor bench test

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析， 基于試驗(yàn)臺(tái)架同步記錄的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，完成對(duì)所選用電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)驗(yàn)證，確定選用電機(jī)。 電機(jī)特性如圖2、圖3、圖4 和圖5 所示。

圖2 額定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)Fig.2 Rated state torque speed characteristic curve

圖3 峰值狀態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)Fig.3 Peak state torque speed characteristic curve

圖4 額定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩-效率曲線(xiàn)Fig.4 Rated state torque efficiency curve

圖5 峰值狀態(tài)轉(zhuǎn)矩-效率曲線(xiàn)Fig.5 Peak state torque efficiency curve

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)小結(jié)

通過(guò)對(duì)上述對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電池的計(jì)算結(jié)果分析，最終確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配如表5 所示，完成該款純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)與整車(chē)匹配安裝如圖6。

表5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件參數(shù)Tab.5 Key component parameters of drive system

圖6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)與整車(chē)匹配安裝Fig.6 Matching installation of driving motor and power battery

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述， 純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可參考本論文所述方法，計(jì)算出電機(jī)性能參數(shù)，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)繪制其特性曲線(xiàn)，進(jìn)而驗(yàn)證電機(jī)可靠性。本文用于指導(dǎo)整車(chē)廠(chǎng)家快速選定電機(jī)和動(dòng)力電池， 確保電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性和續(xù)駛里程指標(biāo)。 本論文純電動(dòng)輕客采用了固定速比傳動(dòng)系統(tǒng)，是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)化，在實(shí)際應(yīng)用中要結(jié)合車(chē)輛實(shí)際，綜合考慮其他關(guān)鍵條件。