純電動汽車動力系統參數匹配與仿真研究*

□ 林鑫焱 □ 葛如海 □ 王 斌 □ 劉德仿

1.江蘇大學 汽車與交通工程學院 江蘇鎮江 212013

2.鹽城工學院 優集學院 江蘇鹽城 224051

汽車工業發展帶來的石油資源短缺、環境污染等問題日益突出，而電動汽車在節能、環保和性能方面具有傳統汽車無法比擬的優勢，故研發電動汽車是解決上述問題的有效途徑。但是，動力電池和電驅動等關鍵技術的不成熟使電動汽車的續駛里程比較短，嚴重制約了電動汽車的普及與發展。在這些關鍵技術取得有效突破之前，對動力系統的參數進行更為合理的匹配，最大限度地挖掘現有電動汽車技術的潛能，是提高電動汽車性能的重要手段之一［1,2］。

1 整車基本參數、性能指標設計要求及動力系統結構選型

1.1 整車基本參數及性能指標設計要求

電動汽車的整車性能指標包括動力性指標和續駛里程，其中動力性指標包括最高車速、加速時間和最大爬坡度 （用最大坡度角αmax的正切值的百分數來表示）。本文設計的某款電動汽車的整車基本參數及性能指標設計要求見表1。

1.2 動力系統結構選型

動力系統采用單體工作電壓為3.5V的鋰離子電池作為其動力電池，并回收制動能量。驅動電機選用永磁無刷直流電機，該電機具有效率高、可靠性好、免維護及有效實現再生制動等優點［3］。傳動系統采用固定速比傳動，去除變速器，單級主減速器的傳動比i＝5。

表1 整車性能指標設計要求

2 動力系統參數匹配

2.1 驅動電機參數匹配

驅動電機的參數匹配主要包括峰值功率和額定功率、最高轉速和額定轉速以及最大轉矩和額定轉矩。

2.1.1 驅動電機峰值功率和額定功率的確定

驅動電機功率選擇對電動汽車的整車性能有很大影響。電機功率越大，電動汽車的動力性越好，但電機的體積和質量也會相應增加，同時電機不能經常保持在高效區工作，降低了電動汽車的能量利用率，使電動汽車的續駛里程縮短［4］。

驅動電機的峰值功率Pmax必須要同時滿足電動汽車以最高車速行駛時所需的功率Pmax1、在一定車速下以最大爬坡度爬坡時所需的功率Pmax2以及加速過程中所需的最大功率Pmax3，即：

式中：m為電動汽車的滿載質量，kg；g為重力加速度，m/s2；f為滾動阻力因數；CD為空氣阻力因數；A為迎風面積，m2；ηT為傳動系的機械效率；vmax為最高車速，km/h。

式中：vi為爬坡車速，vi=5 km/h；αmax為最大坡度角（°），αmax＝arctanλmax。

式中：δ為旋轉質量換算系數；va為加速末時刻的車速，km/h，分別代入50 km/h和100 km/h計算；ta為加速時間，s，分別代入ta50和ta100計算；x為擬合系數，一般為0.5左右，本文取0.45。

將表1中的參數值代入式 （1）～式 （4）， 計算得Pmax≥ 38.84 kW，取峰值功率為 Pmax＝40 kW。

電機工作于額定功率附近時效率較高，為提高驅動電機效率，選擇額定功率時應使其盡量靠近電動汽車日常行駛時消耗的功率，同時保留一定的后備功率。通常根據電動汽車以最高車速行駛所需的功率來確定驅動電機的額定功率，但是目前電動汽車主要還只是應用于城市工況，其常規行駛車速較低，極少達到最高車速。因此，本文根據最高設計車速的90%來確定驅動電機的額定功率。將車速108 km/h代入式（2），可計算得 PN＝17.78 kW。

此外，電機的過載系數一般為2～3，即峰值功率為額定功率的2～3倍。綜合考慮，選擇額定功率為PN＝20 kW。

2.1.2 驅動電機最高轉速和額定轉速的確定

驅動電機最高轉速和額定轉速的選擇應符合電機的機械特性要求，如圖1所示。在啟動即低轉速時可獲得恒定的最大轉矩，同時在高轉速時可獲得恒定的較高功率。

驅動電機的最高轉速nmax可根據電動汽車的最高車速確定：

式中：r為車輪滾動半徑，m。

▲圖1 驅動電機的機械特性

計算得nmax≥5 546 r/min，通常電動汽車最高車速對應的電機轉速為其最高轉速的90%～95%，取驅動電機的最高轉速為nmax＝6 000 r/min。

驅動電機的擴大恒功率區系數β＝nmax/nN。增大β值，可使電機在恒轉矩區獲得較大的轉矩，提高電動汽車的動力性，但是β值過大會導致電機工作電流和逆變器功率損耗增大，β一般為2～3［4］。同時，當傳動系采用固定速比傳動時，要使電機從額定轉速向上調速的范圍足夠大，應使 β≥2.5［5］。

從日常行駛的角度出發，應盡量使電動汽車的常規行駛車速控制在驅動電機的額定轉速上，以提高電機效率［6］。 本文取常規車速 vN＝50 km/h，根據 nN＝ivN/（0.377 r），可求得驅動電機的額定轉速nN＝2 400 r/min，此時 β＝2.5。

2.1.3 驅動電機最大轉矩和額定轉矩的確定

驅動電機的最大轉矩Tmax需滿足電動汽車起步加速和最大爬坡度的要求：

計算得Tmax≥157.16 N·m，取驅動電機的最大轉矩為 Tmax=160 N·m。

驅動電機的額定轉矩TN可根據額定功率和額定轉速計算：

計算得TN＝79.58 N·m，取驅動電機的額定轉矩為TN＝80 N·m。

綜上計算與分析得到的驅動電機參數匹配結果見表2。驅動電機的效率如圖2所示，所選電機最高運行效率達94%，在額定轉速和額定轉矩附近區域內有較高的運行效率，在低轉速、低轉矩工作區域效率較低。當轉矩較高時，電機電流變大，其銅損、鐵損等損耗增加，也使電機系統效率下降［7］。

表2 驅動電機參數匹配結果

▲圖2 驅動電機的效率圖

2.2 動力電池參數匹配

動力電池的參數匹配主要包括電池組數目和電池組容量。

2.2.1 電池組數目的確定

電池組的最大輸出功率必須滿足驅動電機峰值功率的需求，即：

式中：n為電池組數目；Pbmax為單體電池的最大輸出功率，kW；ηM為驅動電機及電機控制器的總體效率，取85%。

式中：E為單體電池的電動勢，取單體鋰電池的工作電壓3.5V；R為單體電池的內阻，取0.006 Ω。計算得n≥92，取電池組數目n＝96，則電池組總電壓U＝336 V。

2.2.2 電池組容量的確定

電池組的容量必須滿足電動汽車續駛里程所需能量的要求，即：

式中：C 為電池組容量，A·h；U 為電池組總電壓，V：ξSOC為電池組有效電容量系數，取0.7；W為電動汽車續駛里程所要求的能量，kW·h，本文采用等速法計算。

式中：S為電動汽車的續駛里程，km；Pn為電動汽車以常規車速行駛所需的功率，kW；可通過式（2）計算得Pn＝4.27 kW；Pa為 電動汽車附件消耗的功率，附件消耗的能量約占電池組總能量的15%，取0.7 kW。計算得 C≥146.2 A·h，取電池組容量為 C＝150 A·h。

動力電池參數匹配結果見表3。

表3 動力電池參數匹配結果

3 整車性能仿真與結果分析

3.1 仿真模型的建立

ADVISOR（Advanced vehicle simulator）是由美國可再生能源實驗室NREL在Matlab和Simulink軟件環境下開發的仿真軟件，采用獨特的前向仿真法和后向仿真法相結合的混合仿真方法［8］，廣泛應用于電動汽車的動力性仿真。

基于ADVISOR建立整車性能仿真模型，包括整車、車輪、主減速器、電機以及蓄電池等各模塊模型，如圖3所示。

3.2 驅動系統和電池管理的控制策略

在驅動控制時，以電機電流為控制對象，采用電機電流閉環控制。控制電機的電流即控制其轉矩，驅動電機在不同轉速下的轉矩受其相應轉速下的最大轉矩的限定，使得電機的最大輸出轉矩和峰值輸出功率符合圖1所示的機械特性要求。當電流超過電機允許的最大電流時，通過電機控制器關閉電機。此外，電機電壓還受到最小電壓的限定，當電壓低于最小電壓時，驅動電機不能運行。

蓄電池模塊根據電力總線的功率需求，通過電池組電壓/內阻模塊、功率限制模塊和電流值計算模塊計算電力總線實際得到的功率，并通過SOC（荷電狀態）算法模塊計算得到SOC值變化曲線。電池組的電壓受電池組所能提供的最大電壓和電機控制器要求的最小電壓的限定，最大輸出功率受等效電路和電機允許功率的限定，充放電電流的最大值也均受到一定限制。此外，本文設計電動汽車的放電深度為0.7，因此鋰電池的放電SOC下限值設為0.3。

3.3 仿真結果分析

▲圖3 整車性能仿真模型

▲圖4 加速性能仿真車速

▲圖5 爬坡性能仿真響應車速

3.3.1 最高車速和加速時間仿真結果

采用ADVISOR的TEST_ACCEL測試程序進行加速性能仿真，得到加速曲線如圖4所示。從圖中可以看出，電動汽車的最高車速為128.5 km/h，0～50 km/h加速時間為 6.9 s，0～100 km/h加速時間為 19.1 s。

3.3.2 最大爬坡度仿真結果

采用ADVISOR的TEST_GRADE測試程序進行爬坡性能仿真。電動汽車以15 km/h的速度在不同坡度的坡道上行駛時的響應車速如圖5所示。坡道坡度為20%、21%和22%時，電動汽車能以15 km/h的速度穩定行駛，且坡道的坡度越小，響應車速越快達到15 km/h。當坡道坡度為23%時，響應車速不斷減小，無法達到15 km/h。因此，可以認為電動汽車的最大爬坡度為22%。

3.3.3 續駛里程仿真結果

選用50 km/h等速工況和NEDC工況進行續駛里程仿真。NEDC即新歐洲循環工況，該工況循環周期為1 184 s，行駛距離為10.93 km，最高車速為120 km/h，平均車速為33.21 km/h，最大加速度為1.06 m/s2，最大減速度為-1.39 m/s2，停車次數為13次，怠速時間為298 s。NEDC工況的需求車速和仿真的實際車速如圖6所示，從圖中可以看出，電動汽車的實際車速完全滿足NEDC工況的需求車速。

50 km/h等速工況和NEDC循環工況仿真的鋰電池SOC與行駛里程的關系如圖7所示，當鋰電池SOC最終降至0.3時，50 km/h等速工況和NEDC循環工況的行駛里程分別達到313.1 km和204.6 km。

▲圖6 NEDC工況仿真車速

▲圖7 鋰電池SOC與行駛里程的關系

表4 整車動力性指標和續駛里程仿真結果

綜上，整車動力性指標和續駛里程的仿真結果如表4所示，最高車速、加速時間、最大爬坡度以及續駛里程均達到了設計要求。

4 結論

根據某款電動汽車的整車性能指標設計要求，對其動力系統進行結構選型和參數匹配。基于ADVISOR軟件建立了整車性能仿真模型，分析了驅動系統和電池管理的控制策略，對動力性指標和續駛里程進行仿真。仿真結果顯示，電動汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度以及續駛里程均達到了設計要求，驗證了動力系統參數理論匹配方法、仿真模型以及控制策略是合理可行的。

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