電動(dòng)汽車部件選型分析及仿真驗(yàn)證

張健，李波

西安雙特智能傳動(dòng)有限公司 陜西西安 710119

近年來汽車保有量逐年增加，汽車尾氣排放及對石油的過度消耗所引發(fā)的環(huán)境、能源問題日益嚴(yán)重，如何有效地控制汽車尾氣排放，尋找有效的石油替代能源越發(fā)重要。

電動(dòng)汽車依靠電動(dòng)機(jī)與電池組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，行駛過程中不會(huì)排放尾氣，因此電動(dòng)汽車具有結(jié)構(gòu)簡單、清潔環(huán)保等優(yōu)勢。但電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短、充電時(shí)間長、成本高等問題又制約著電動(dòng)汽車的進(jìn)一步普及。如何優(yōu)化電動(dòng)汽車核心部件的選型和匹配、確保在各種運(yùn)行工況下，車輛都能工作在高效區(qū)域，提高傳動(dòng)系統(tǒng)工作效率，延長續(xù)駛里程顯得尤為重要。

本文以理論計(jì)算、模型仿真相結(jié)合的方法，闡述如何根據(jù)整車性能指標(biāo)來進(jìn)行動(dòng)力部件的選型，同時(shí)搭建車輛系統(tǒng)模型進(jìn)行性能仿真驗(yàn)證，優(yōu)化選型結(jié)果。

整車性能指標(biāo)

以一款A(yù)00級(jí)別的車為例，根據(jù)對目標(biāo)市場、法規(guī)及競品的分析設(shè)定了性能目標(biāo)（見表1）。

表1 某款A(yù)00級(jí)乘用車性能指標(biāo)

零部件選型

依據(jù)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，同時(shí)基于成本合理性的綜合考慮來確定車輛的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。

1.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選型原則

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)部件應(yīng)具有良好的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性，滿足車輛起步、加速、減速及爬坡等狀態(tài)所需的功率和轉(zhuǎn)矩需求。根據(jù)整車的行駛工況，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)；應(yīng)經(jīng)常保持在高效率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)根據(jù)整車布置需求綜合考慮電動(dòng)機(jī)質(zhì)量、體積等因素。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的選擇將對電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響，對于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在功率選擇時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素：

（1）最高車速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率必須能夠滿足電動(dòng)汽車在最高車速行駛時(shí)的功率需求，從而保證汽車在良好路面和空載情況下，能夠獲得較高的行駛速度。

（2）加速性能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率越大，則電動(dòng)機(jī)的后備功率就越大，從而加速性能越好。但過多的后備功率又會(huì)導(dǎo)致車輛行駛時(shí)的能耗較高。

同時(shí)由于汽車的行駛工況比較復(fù)雜，需要電動(dòng)機(jī)具有一定的過載能力，即能夠承受較大的過載電流，能輸出高于額定轉(zhuǎn)矩2倍以上的轉(zhuǎn)矩。

2.動(dòng)力電池選型原則

動(dòng)力電池也是決定車輛續(xù)駛里程的關(guān)鍵部件，動(dòng)力電池性能的好壞對整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。當(dāng)確定了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及動(dòng)力電池類型后，需要確定電動(dòng)機(jī)的額定電壓和電池的電壓。在電動(dòng)機(jī)功率一定的情況下，電壓越高，電流越小，線束上消耗的功率損失就會(huì)越小，電池以小電流放電時(shí)，可獲得較大的容量，但電壓過高，又影響電子元器件的性能和安全。

當(dāng)前影響電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵因素有電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和電池的使用性能（電池的充電時(shí)間、安全性、價(jià)格和使用壽命等）。在選擇電池的容量時(shí)，既要滿足汽車?yán)m(xù)駛里程的設(shè)計(jì)要求，又要考慮整車的空間結(jié)構(gòu)和底盤的承載能力。

選擇電池容量越大，電池所存儲(chǔ)的電能越多，整車質(zhì)量增加導(dǎo)致行駛阻力也增加；相反，當(dāng)電池容量過小又影響電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

3.變速器選型原則

電動(dòng)汽車行駛過程中可以通過固定速比的變速器來滿足不同行駛功率的需求，變速器起到減速增扭的作用。雖然電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，但在車輛設(shè)計(jì)過程中，合理地選擇傳動(dòng)比一方面可以滿足不同工況的功率、轉(zhuǎn)矩要求，另一方面使得電動(dòng)機(jī)在不同工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，盡量處于高效率區(qū)間內(nèi)，從而獲得較高的轉(zhuǎn)化效率，減小功率損失，提高續(xù)駛里程。

4.動(dòng)力系統(tǒng)部件選型計(jì)算過程

基于上述動(dòng)力系統(tǒng)部件選型原則，同時(shí)考慮車輛成本和市場定位，初步選取驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型為永磁同步電動(dòng)機(jī)，動(dòng)力電池選擇三元鋰電池。

下面根據(jù)車輛的性能指標(biāo)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)不小于最高車速行駛時(shí)對應(yīng)的功率，并且電動(dòng)機(jī)的峰值功率必須滿足最大爬坡度和加速時(shí)間對應(yīng)的功率要求。

電動(dòng)汽車最高車速對應(yīng)的功率需求：當(dāng)車輛以最高車速行駛時(shí)，僅考慮車輛行駛的滾動(dòng)阻力和風(fēng)阻，忽略坡度阻力的影響，因此當(dāng)車輛以最高車速行駛時(shí)的功率應(yīng)滿足式（1）。

式中Pvmax——最高車速對應(yīng)的功率需求（kW)；

Vmax——最高車速（km/h）；

mf——車輛滿載質(zhì)量（kg）；

ηT——傳動(dòng)效率；

f——滾阻系數(shù)；

CD——風(fēng)阻系數(shù)；

A——車輛迎風(fēng)面積（m2）。

加速時(shí)間對應(yīng)的功率需求：車輛加速過程中僅考慮滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻及加速阻力的影響，忽略坡道阻力，此時(shí)車輛的功率需求應(yīng)滿足式（2）。

式中Pacc——車輛加速時(shí)對應(yīng)的功率需求（kW)；

V——加速過程中的目標(biāo)車速（km/h）。

最大爬坡度對應(yīng)的功率需求：車輛爬坡過程中僅考慮滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻及坡道阻力的影響，忽略加速阻力，此時(shí)車輛的功率需求應(yīng)滿足式（3）。

式中Pslope——車輛爬坡時(shí)對應(yīng)的功率需求（kW)；

Vslope——車輛爬坡時(shí)的穩(wěn)定車速（km/h）；

αmax——最大坡度（%）；

以上是對驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率需求，電動(dòng)機(jī)功率需取Pvmax、Pacc、Pslope三者中最大值。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩同樣需要滿足車輛加速和爬坡的性能需求。

加速時(shí)間對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩需求：電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)過變速器速比放大后輸出到車輪，車輛加速時(shí)間對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩需求應(yīng)滿足式（4）。

式中 Ttq——電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N.m）；

ig——變速器傳動(dòng)比；

i0——主減速器速比；

r——輪胎滾動(dòng)半徑（m）。

最大爬坡度對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩需求：車輛爬坡時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩需求應(yīng)滿足式（5）。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需滿足最高車速的性能需求。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速匹配:純電動(dòng)汽車最高車速是指在平路沒有風(fēng)速的條件下電動(dòng)汽車所能達(dá)到的最高行駛速度，即加速度為零、行駛阻力與驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)的速度，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足式(6)。

依據(jù)式（1）～式（6）及整車參數(shù)（見表2），通過Matlab/Simulink建立部件參數(shù)計(jì)算模型，最終確定電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。仿真結(jié)果表明電動(dòng)機(jī)峰值功率不低于29kW、電動(dòng)機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩不低于92N·m，電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速不低于7400r/min。

表2 整車模型參數(shù)

基于成本和開發(fā)周期的考慮選用市場現(xiàn)有成熟產(chǎn)品峰值功率29 kW，額定功率15 kW，峰值轉(zhuǎn)矩110N·m，額定轉(zhuǎn)矩30N·m，電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速7500r/min。變速器速比依據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品初定為7.048。

5.動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)確定

動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓范圍依據(jù)電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)控制器的電壓范圍(80～ 150V DC)進(jìn)行匹配，同時(shí)根據(jù)車輛布置空間決定動(dòng)力電池的串并聯(lián)形式，整車的續(xù)駛里程與電池的能量、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、車輛的附件.消耗等有密切的關(guān)系，為了更準(zhǔn)確地仿真不同工況下實(shí)際續(xù)駛里程，需要考慮制動(dòng)能量回收對續(xù)駛里程的影響;同時(shí)系統(tǒng)動(dòng)力電池的功率必須滿足驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需功率，而所需電池的最大放電功率取決于動(dòng)力電池的電壓與最大放電電流，因此根據(jù)所選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)的工作電壓范圍、功率參數(shù)等匹配電池功率，電池參數(shù)需滿足式(7) 和式(8)。

式中Pacc——電動(dòng)機(jī)最大功率（kW)；

Pvmax_single——單節(jié)電池最大功率（kW)；

ηB——?jiǎng)恿﹄姵胤烹娦剩?）；

ηM_C——電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)控制器效率（%）；

L——NEDC續(xù)駛里程（km）；

Usingle——電池單體電壓（V）；

Cr——單體電池容量（Ah）；

W——車輛行駛單位距離的能量消耗（Ah/100km）。

通過計(jì)算初步選定電池的參數(shù)見表3。

表3 動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)

建立車輛仿真模型

基于以上參數(shù)計(jì)算及車輛行駛方程式建立整車仿真模型，用于驗(yàn)證上述部件選型是否符合指定的車輛指標(biāo)。

仿真模型搭建原理即整車控制器VCU將駕駛員的油門踏板請求轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩，經(jīng)過變速器及主減速器降速增扭之后將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動(dòng)輪來驅(qū)動(dòng)車輛，同時(shí)電池需要給電動(dòng)機(jī)供電能來滿足駕駛員期望的機(jī)械功率，即整車需求的機(jī)械功率需要轉(zhuǎn)化為電功率，消耗電池電量。

為保證仿真的精度，模型搭建時(shí)需要考慮VCU的控制邏輯（驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算、能量回收轉(zhuǎn)矩計(jì)算、轉(zhuǎn)矩仲裁模塊）和車輛附件的功率消耗，整車仿真模型包含工況輸入、VCU控制模型、車輛本體模型（電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換模塊、車輛動(dòng)力學(xué)模型）。

結(jié)語

通過整車模型進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的仿真驗(yàn)證：

（1）續(xù)駛里程 從仿真結(jié)果上看，當(dāng)匹配的動(dòng)力電池電量為15kW·h時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)NEDC續(xù)駛200km的設(shè)計(jì)要求，滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 NEDC工況續(xù)駛里程仿真

（2）最高車速、加速時(shí)間及最大爬坡度 從仿真結(jié)果上看，動(dòng)力部件的選型結(jié)果滿足以上動(dòng)力性指標(biāo)：最高車速100km/h，0～50km加速時(shí)間7.5s，最大爬坡度20%，穩(wěn)定坡道穩(wěn)定車速20km/h，如圖2和圖3所示。

圖2 最高車速及加速時(shí)間仿真

圖3 最大爬坡度仿真

結(jié)語

通過理論計(jì)算進(jìn)行動(dòng)力部件參數(shù)的選擇，同步建立仿真模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)部件選型的結(jié)果可以滿足設(shè)定的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，此方法有利于在開發(fā)初期加速和優(yōu)化產(chǎn)品的參數(shù)選型，仿真驗(yàn)證選型結(jié)果和控制算法，在保證產(chǎn)品性能的前提下節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期。