純電動汽車動力傳動參數(shù)的設(shè)計與計算

祖炳潔，馬馳，高坤

（050043 河北省 石家莊市 石家莊鐵道大學）

0 引言

傳統(tǒng)轎車一般依據(jù)汽車的軸距、排量、重量及配置等參數(shù)劃分級別。如按排量分為微型（排量<1 L）、小型（排量1～1.3 L）、緊湊型（排量1.3～1.6 L）、中型（排量1.6～2.4 L）、高級（排量2.3～3.0 L）和豪華（排量>3.0 L）等轎車級別。新能源汽車一般也沿用這種傳統(tǒng)的劃分方法。目前，新能源汽車主要包括混合動力電動汽車（HEV）、純電動汽車（EV）兩大類型[1]。本文根據(jù)某款微型轎車的能源改型需求，并盡量保持原車傳動系相對改動較小的原則，對其新型純電動汽車動力傳動系的選型、參數(shù)匹配做了完整方案設(shè)計。

1 純電動微型轎車設(shè)計要求

按照給定設(shè)計要求，某款微型轎車整車參數(shù)見表1。

表1 整車參數(shù)Tab.1 Vehicle parameters

將原車傳統(tǒng)系統(tǒng)改為純電驅(qū)動方式，改型后的傳動系方案如圖1 所示。

圖1 電機驅(qū)動橋組合-后驅(qū)動布置形式Fig.1 Motor drive axle assembly -rear drive arrangement

本純電動微型轎車動力性能設(shè)計指標見表2。

表2 純電動汽車動力性能指標Tab.2 Dynamic performance of pure electric vehicle

2 純電動微型轎車動力傳動系參數(shù)匹配與計算

2.1 動力傳動系工作策略與匹配原則

微型轎車主要在市區(qū)及市郊范圍內(nèi)短途行駛。市內(nèi)行駛需要頻繁地啟停、起步加速，此等工況要求足夠的轉(zhuǎn)矩支持。城市快速路及市郊范圍行駛速度較高，要求足夠的功率支持。按照汽車理論的設(shè)計要求，純電動汽車的機械特性應近似低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的理想驅(qū)動特性[2]，如圖2 所示。

圖2 電機理想驅(qū)動特性Fig.2 Ideal driving characteristics of motor

2.2 驅(qū)動電機參數(shù)匹配與計算

2.2.1 電機額定功率計算

純電動汽車在城市封閉快速路及市郊道路行駛時，可以最高穩(wěn)定車速作為電機額定功率的計算依據(jù)，此時汽車基本在平坦路面行駛，僅考慮空氣阻力與滾動阻力，其計算公式為

式中：A——迎風面積；CD——風阻系數(shù)；f——滾動阻力系數(shù)；m——整車質(zhì)量，由表1 給定。按照“雙 100”設(shè)計標準，最高車速Ua取100 km/h、η取0.9。

代入式（1）計算得P1=10.83 kW，考慮到一定動力余量，取整為P1=12 kW。

2.2.2 電機峰值功率計算

電機峰值功率應在高速巡航、爬坡、起步加速以及超車加速4 種工況中比較計算，取其最大值做為峰值功率[3]。其中高速巡航功率前節(jié)已算出，為P1=12 kW。其他3 種工況為：

（1）滿載坡道工況

電機功率算式為

式中：α——爬坡度（給定設(shè)計值30%），坡道行駛速度取25 km/h。其余參數(shù)同上，計算得P2=23.27 kW。取整得P2=25 kW。

（2）超車加速工況

超車加速時，電動汽車從60 km/h 加速到80 km/h，電機處于恒功率階段的基速（nb）以上范圍（見圖2 所示）。此時加速度、行駛速度都是變量，對其加速功率直接求解比較困難。因此一般將電機爬坡時的峰值功率P2代入式（3）驗證加速性能是否滿足：

式中：V1=60 km/h，V2=80 km/h。經(jīng)計算得超車加速時間t=7.14 s ≤15 s，顯然滿足加速性能。

（3）起步加速工況

起步加速時，電動汽車從0 km/h 加速到60 km/h，此時驅(qū)動電機處于恒轉(zhuǎn)矩階段，其輸出功率開始較小并不斷提高至基速點（nb）達到最大值。顯然基速（nb）之前的起步加速功率小于基速（nb）以上的恒功率值。

綜上比較4 種工況，顯然電機峰值功率出現(xiàn)在純電動汽車滿載爬坡時，其值為P2=25 kW。額定功率出現(xiàn)在高速穩(wěn)定行駛工況，其值為P1=12 kW。

2.2.3 電機額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)矩的計算

（1）額定轉(zhuǎn)矩計算

從微型轎車的成本考慮，驅(qū)動電機選擇峰值轉(zhuǎn)速不高于6 000 r/min 的普通電機。由此選定電機的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，峰值轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

根據(jù)式（4），驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩可由額定功率與額定轉(zhuǎn)速計算

計算得額定轉(zhuǎn)矩為Te=46 N·m。

（2）峰值轉(zhuǎn)矩計算

峰值轉(zhuǎn)矩根據(jù)式（5）計算：

式中：λ——電機過載系數(shù)，一般取2～4，本次設(shè)計取較大值為3.5，以提高電機自身的過載能力,同時可簡化傳動系的變矩機構(gòu)。由此求得峰值轉(zhuǎn)矩為157 N·m，取整為160 N·m。

（3）匯總上述計算結(jié)果，驅(qū)動電機的選型參數(shù)見表3，所選電機的機械特性如圖3 所示。

表3 驅(qū)動電機設(shè)計參數(shù)Tab.3 Driving motor design parameters

圖3 電機的機械特性曲線圖Fig.3 Mechanical characteristic curve of motor

2.3 傳動系參數(shù)的匹配計算

該車原有傳動系由主減速器與變速箱所構(gòu)成。改裝為新能源純電動車后，鑒于電機本身靈活的調(diào)速性能和較高的過載能力，傳動系取消了變速箱、保留主減速器（主傳動比為i0=5.3），以確保該車最高車速和最大爬坡度的匹配要求[4]。由此，傳動系的總傳動比即為主減速器的速比，即i總=i0=5.3。前期計算電機峰值轉(zhuǎn)矩時已計算在內(nèi)。

2.4 電池參數(shù)的匹配與計算

動力電池對于純電動汽車的動力性能和經(jīng)濟性能至為重要，直接決定了純電動汽車的最高車速和續(xù)航里程。由于本車底盤空間所限，選擇能量密度高的鋰電池作為車載能源電池。

（1）電壓的選擇

從安全角度出發(fā)，車載電池組的最大放電電流不得超過300 A，其電壓與驅(qū)動電機的峰值功率存在以下關(guān)系：

計算得蓄電池組電壓為108 V 。

（2）容量的選擇

使用等速巡航的工況計算電池組的容量。當純電動汽車在平坦路面以100 km/h 勻速行駛時，所消耗的功率Pr為

并且，以此功率行駛的續(xù)駛里程至少為L=130 km，相應所耗費的能量為

式中：Ua=100 km/h，然后由放電公式計算蓄電池組的容量C。一般，S 取值0.6～0.8，此處取S=0.8。V——電池組的電壓。計算得C ≥184.84 A·h。考慮到變工況行駛的功率消耗，將電池組容量選為190 A·h。

3 建立純電動微型轎車動力傳動系仿真模型

綜上，純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的各個部件參數(shù)可依據(jù)公式逐步求得，但依據(jù)上述算法，無法直觀判斷動力傳動系各部件參數(shù)之間的相互關(guān)系以及對整車的性能影響，只能依靠傳統(tǒng)的道路試驗。借助現(xiàn)代計算機輔助開發(fā)工具可以有效突破傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限[5]。本項目通過ADVISOR軟件對純電動汽車進行整車建模，可以直接分析、觀測動力性能及其經(jīng)濟性能（即續(xù)航里程）的表現(xiàn)，并能實時在線修改參數(shù)、實時輸出結(jié)果[6]。顯然，與傳統(tǒng)設(shè)計相比，現(xiàn)代設(shè)計方法體現(xiàn)出無可比擬的巨大優(yōu)勢。

3.1 建立整車ADVISOR 仿真模型

依據(jù)ADVISOR 軟件對新能源汽車的強大仿真功能，首先對該車車身、驅(qū)動電機、蓄電池組、動力傳動系統(tǒng)、車輪及半軸等部件進行仿真建模，然后將以上部件模型作為整車的子系統(tǒng)首尾連接起來進行封裝，從而建立整車系統(tǒng)的仿真模型。整車頂層模型如圖4 所示。

圖4 整車仿真模型Fig.4 Vehicle simulation model

如果需要進行動力性能仿真，則需要勾選Acceleration Test 和Gradeability Test 兩個選項，并在其彈出窗口中設(shè)置汽車的試驗標準來進行加速性能和爬坡性能測試。點擊RUN 后，仿真模型開始運行、并顯示仿真結(jié)果。

3.2 仿真結(jié)果與分析

純電動汽車的性能指標主要包括動力性指標和經(jīng)濟性指標。利用ADVISOR 的仿真功能，可以分析最大加速度、爬坡度、最高車速等動力性指標，以及車輛續(xù)駛里程、電池組 SOC 值等經(jīng)濟性指標[7]。截取一幀本車型仿真分析的結(jié)果如圖5 所示。

圖5 仿真結(jié)果分析Fig.5 Analysis of simulation results

圖5 中，仿真結(jié)果的界面左側(cè)為仿真圖形，從上往下依次為循環(huán)工況行駛時速度和實際車速隨時間的變化圖、驅(qū)動電機的實際輸出轉(zhuǎn)速隨時間變化圖、驅(qū)動電機實際輸出轉(zhuǎn)矩隨時間變化圖、汽車總傳動比隨時間變化圖。界面右側(cè)為其動力性能與經(jīng)濟性能的試驗結(jié)果，下面一行報錯主要是因為后續(xù)電池容量不足、導致無法完成循環(huán)里程。

由圖5 可以看出，此純電動汽車的加速能力較好，從0～60 km/h 的起步加速時間為4.5 s，60～80 km/h 的加速時間為3.4 s，其最高速度達到了102.6 km/h，最大爬坡度達到了30.3%，續(xù)航里程達到了140.2 km。

4 結(jié)論

仿真結(jié)果顯示，此款純電動微型轎車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配合理，實現(xiàn)了預定的設(shè)計目標，較好地滿足了該車的動力性能及經(jīng)濟性能。設(shè)計過程可供相應的電動汽車設(shè)計參考。