純電動汽車驅(qū)動電機(jī)選型研究

摘要：驅(qū)動電機(jī)作為純電動汽車的關(guān)鍵參數(shù)，影響車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性。研發(fā)新車型時(shí)，以達(dá)成性能要求為目標(biāo)，對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行選型匹配工作。文章依據(jù)提供的物理參數(shù)和性能目標(biāo)要求，展開了所需電機(jī)參數(shù)的理論計(jì)算；并基于仿真軟件建立高精度基礎(chǔ)仿真模型，進(jìn)行了電機(jī)選型匹配計(jì)算。經(jīng)過理論計(jì)算、仿真結(jié)果的分析對比，選配出了合適的電機(jī)，以確保新車型達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。文章針對新車型的電機(jī)選型匹配問題，提供了方法和流程參考。

關(guān)鍵詞：動力性；經(jīng)濟(jì)性；電機(jī)選型

中圖分類號：U462.3" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

評估純電動汽車的性能時(shí)，整車動力性和續(xù)航里程是兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。電機(jī)主要影響車輛的動力性，直接決定車輛加速、爬坡能力表現(xiàn)。而電池電量是決定續(xù)航里程的核心要素，但是電機(jī)的效率區(qū)間與續(xù)航里程之間也存在關(guān)聯(lián)［1］。消費(fèi)者對汽車動力性駕駛感覺要求越來越高，同時(shí)對長續(xù)航低能耗的要求也是日益增長，因此在研發(fā)新車型時(shí)，主機(jī)廠要對電機(jī)、電池等部件開展選型匹配工作。

以往的電動汽車在項(xiàng)目開發(fā)初期，電機(jī)部件的選型由研發(fā)工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)匹配，主要依據(jù)現(xiàn)有的供應(yīng)商可提供的產(chǎn)品、參考市場上競品車型的基本參數(shù)而定，在新車開發(fā)完成后再進(jìn)行測試是否達(dá)成性能目標(biāo)。這種匹配方式有時(shí)會造成工作的返工?；谛萝囆偷奈锢韰?shù)和性能要求，可以通過理論計(jì)算和軟件仿真計(jì)算完成電機(jī)選型匹配工作。

本文以某款純電動乘用車為例，利用Simulink軟件建立高精度的仿真模型，在此基礎(chǔ)上針對新開發(fā)的車型開展不同電機(jī)方案的匹配計(jì)算，以達(dá)成性能要求為目標(biāo)，完成電機(jī)選型工作。

1 驅(qū)動電機(jī)對整車性能的影響

決定電動汽車性能表現(xiàn)的核心部件之一是驅(qū)動電機(jī)，它負(fù)責(zé)電能和動能之間的相互轉(zhuǎn)化，既能驅(qū)動車輛行駛，又能在減速時(shí)回收能量存儲至電池。

驅(qū)動電機(jī)是影響汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性及駕駛主觀感受的核心因素，其功率大小直接決定了車輛的加速表現(xiàn)、最高速度與爬坡性能等關(guān)鍵動力性指標(biāo)。功率越大的電機(jī)，車輛能夠輸出的轉(zhuǎn)矩也就越大，理論上能夠推動車輛達(dá)到更高的速度，這直接影響到車輛的加速性能。高功率的驅(qū)動電機(jī)能夠使車輛在起步和加速時(shí)表現(xiàn)出更快的響應(yīng)和更強(qiáng)勁的動力輸出，提升駕駛體驗(yàn)。對于電動汽車，續(xù)航能力和能源消耗率是衡量經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵指標(biāo)，直接受到電池容量與動力系統(tǒng)匹配程度的影響［2］。優(yōu)化電機(jī)效率不僅可降低每百公里的電量消耗，提升能源的使用效率，還可延長車輛的續(xù)航里程，從而提高經(jīng)濟(jì)性。此外，驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量也是影響駕乘感受的重要因素，高質(zhì)量的電機(jī)系統(tǒng)能夠有效降低噪聲、干擾與振動，進(jìn)一步提升乘坐舒適性。

2 電機(jī)參數(shù)理論計(jì)算

電動汽車的動力與續(xù)航表現(xiàn)，與電機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速等核心參數(shù)密切關(guān)聯(lián)［3］。汽車全油門工況時(shí)，驅(qū)動電機(jī)的最大能力為外特性曲線，體現(xiàn)出峰值轉(zhuǎn)矩、峰值功率、最高轉(zhuǎn)速的關(guān)系（見圖1）。

2.1 功率

2.1.1 額定功率

電機(jī)正常長時(shí)間穩(wěn)定工作時(shí)的最大功率為額定功率，主要影響最高穩(wěn)定車速和最高穩(wěn)態(tài)爬坡度。額定功率一般在峰值功率的50%左右。

長時(shí)間穩(wěn)定行駛時(shí)，車輛的驅(qū)動功率與阻力功率處于相互抵消的狀態(tài)，即：

Pt=Pf+Pw+Pi+Pj（1）

車速保持最高并且可以持續(xù)行駛30 min，坡道和加速阻力可以忽略不計(jì)［4］。此時(shí)，對應(yīng)的電機(jī)額定功率Pe滿足下式：

Pe1=umax3600ηT（mgf+CDAu2max21.15）（2）

車輛在坡道上穩(wěn)定行駛時(shí)（試驗(yàn)測試時(shí)，一般在測功機(jī)上增加相當(dāng)于4%、12%坡度的負(fù)荷，來測試穩(wěn)定行駛的車速），電機(jī)的額定功率要能滿足固定坡道行駛時(shí)的穩(wěn)定車速，依據(jù)下式來計(jì)算：

Pe2=ui3600ηT（mgfcosα+CDAu2i21.15+mgsinα） "" （3）

額定功率Pe理論上高于兩個(gè)額定功率的最大值：

Pe≥max［Pe1，Pe2］（4）

2.1.2 峰值功率

峰值功率指的電機(jī)瞬時(shí)產(chǎn)生動力的大小，決定的是車輛的加速性能。對于乘用車而言，峰值功率只能持續(xù)10～30 s，可判斷峰值功率影響車輛原地起步全油門百公里加速性能。

計(jì)算峰值功率的方法類似于額定功率。在計(jì)算峰值功率時(shí)，公式（2）、公式（3）中的穩(wěn)定最高車速替換為短距離內(nèi)的最高穩(wěn)定車速。

2.2 轉(zhuǎn)矩

2.2.1 額定轉(zhuǎn)矩

電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Te是指在持續(xù)穩(wěn)定散熱條件下，電動機(jī)能夠長時(shí)間輸出轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，根據(jù)額定功率和額定轉(zhuǎn)速來求解［5］。通常，永磁同步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是峰值轉(zhuǎn)矩的50%～75%。

Te=9550PenN（5）

2.2.2 峰值轉(zhuǎn)矩

依據(jù)整車的物理參數(shù)確定峰值轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)兼顧汽車爬坡及起步加速性能。峰值轉(zhuǎn)矩求解時(shí)，需考慮傳動比，按下式計(jì)算：

Tmax≥1ηT×（mgfcosα+mgfsinα）ri總（6）

2.3 轉(zhuǎn)速

電機(jī)轉(zhuǎn)速受車速、總傳動比、輪胎半徑等因素影響，其數(shù)值計(jì)算按公式（7）計(jì)算：

nmax=umaxi總0.377r（7）

額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，與運(yùn)行時(shí)間無關(guān)。

nN=nmaxβ（8）

式中，β為擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)。其中安全系數(shù)介于1和某個(gè)上限值之間，由電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造條件決定。

公式（1）～公式（8）涉及的參數(shù)，其符號釋義如表1所示。

新開發(fā)車型，在定義了整車基本參數(shù)、預(yù)期的性能目標(biāo)之后，可利用上述公式計(jì)算出對電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的約束，完成對電機(jī)選型的初步篩選。

3 基礎(chǔ)車型仿真

3.1 標(biāo)定基準(zhǔn)模型

在現(xiàn)有乘用車基礎(chǔ)上，針對前驅(qū)純電動車型開展動力與經(jīng)濟(jì)性的實(shí)地測試，并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。借助Simulink仿真軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了整車的基礎(chǔ)仿真模型，并輸入與試驗(yàn)約束邊界相匹配的物理參數(shù)。車輛的基本參數(shù)如表2所示。

將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，主要對比結(jié)果見表3，其中續(xù)航里程為新歐洲駕駛循環(huán)工況（New European Driving Cycle，NEDC）。

標(biāo)定后模型的性能指標(biāo)誤差范圍≤3%，數(shù)據(jù)對比判斷模型精度良好，為新開發(fā)的車型樹立了動力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真基準(zhǔn)。

3.2 過程結(jié)果展示

標(biāo)定基礎(chǔ)仿真模型時(shí)，除了關(guān)注仿真的數(shù)值，還需要對比仿真與試驗(yàn)的過程曲線。百公里加速的過程曲線對比如圖2所示，前兩個(gè)周期的續(xù)航里程過程對比如圖3所示。

由圖2可知，試驗(yàn)和仿真過程中的百公里加速過程曲線，電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、整車加速度趨勢吻合良好。由圖3可知，續(xù)航里程過程曲線、SOC下降的過程一致，說明電機(jī)在驅(qū)動和制動回收工況時(shí)能量的利用狀態(tài)一致性趨勢良好。結(jié)合圖2、圖3、表3的結(jié)果，標(biāo)定的仿真模型可為后續(xù)車型的動力總成匹配、三電部件選型等提供高精度的基準(zhǔn)。

4 電機(jī)選型匹配案例

某款新開發(fā)的純電動乘用車，與基礎(chǔ)車型驅(qū)動方式相同，初步定義了整備質(zhì)量、電池電量以及3項(xiàng)性能目標(biāo)。在電池電量固定（240 A·h）的前提下，擬在3種類型的電機(jī)中進(jìn)行選擇匹配。其中3種型號電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩/峰值功率排序?yàn)榉桨?＜方案2＜方案3。

基于公式（1）～公式（8），進(jìn)行電機(jī)參數(shù)的理論計(jì)算，3款電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/功率均高于理論計(jì)算的限值，不能篩除不符合要求電機(jī)。除理論計(jì)算外，在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中，對電機(jī)的選型，需在仿真軟件中開展3款電機(jī)的仿真計(jì)算，計(jì)算出整車動力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果（見表4）。

由表4計(jì)算結(jié)果知，續(xù)航里程主要受電池電量影響，3款電機(jī)效率的不同造成了續(xù)航里程的微差異，但均滿足續(xù)航里程目標(biāo)。搭載3款電機(jī)的整車動力性表現(xiàn)差異明顯，電機(jī)的功率越高，加速性能表現(xiàn)越好，方案3滿足加速性能目標(biāo)要求。綜合對比3種方案的結(jié)果，只有方案3能同時(shí)滿足動力性經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。

5 結(jié)論

（1）通過在成熟車型上構(gòu)建高精度仿真模型，并確保仿真約束與實(shí)際試驗(yàn)相吻合，為新車型的初期動力經(jīng)濟(jì)性仿真分析提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）在電機(jī)選型過程中，借助Simulink軟件靈活調(diào)整單個(gè)部件參數(shù)，通過對整車性能的精確分析，為電機(jī)選型決策提供了有力支持，有效縮減了項(xiàng)目的研發(fā)時(shí)間。

（3）電機(jī)選型的研究工作，結(jié)合了理論與仿真計(jì)算，不僅為同類車型開發(fā)提供參考，也具備較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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［2］姚起宏，黃亮昌，王鵬，等.基于層次分析法的電動乘用車動力性和經(jīng)濟(jì)性分析［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2021（10）：1-7.

［3］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

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［5］金輝輝.純電動汽車電機(jī)選型匹配計(jì)算［J］.江西化工，2019（3）：99-100.

（編輯 李春燕）

Research on the selection of drive motors for pure electric vehicles

LI" Min1， ZU" Ran1， PANG" Jing2

（1.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhu 241000， China;2.BYD Automobile Co.， Ltd.， Xi’an 710000， China）

Abstract：" As a key parameter of pure electric vehicles， the drive motor affects the vehicle’s power and economy. When developing a new model， the selection and matching of the drive motor is carried out with the goal of achieving performance requirements. Based on the provided physical parameters and performance target requirements， theoretical calculations of the required motor parameters are carried out. Based on the simulation software， a high-precision basic simulation model is established， and on this basis， the motor selection and matching calculations are carried out. Through theoretical calculations and analysis and comparison of simulation results， suitable motors are selected to ensure that the new model achieves the expected performance targets. This article provides a method and process reference for the selection and matching of motors for new models.

Key words： power performance; economy; motor selection

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：2023AH052700、2023AH052696、2022AH052362。

作者簡介：李敏（1982—），女，高級工程師，碩士；研究方向：整車動力經(jīng)濟(jì)性和能量管理。