純電動汽車動力性分析與匹配計算實例研究

古 毅

（重慶五一高級技工學校，重慶 400042）

純電動汽車動力性分析與匹配計算實例研究

古 毅

（重慶五一高級技工學校，重慶 400042）

文章針對某款A0級車為實例進行研究，對驅動電機、動力電池的參數進行設計與匹配以及變速器的匹配設計，使整車的動力性和續駛里程滿足設計要求。

動力性分析

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-146-03

1、整車參數

本研究所用原型車為某A0級車，整車參數如表1所示。

表1 純電動汽車整車主要參數

2、動力性指標

車輛行駛的動力性能可用以下四個指標來評價：最高車速、加速性能、最大爬坡度和續駛里程。該電動汽車的動力性指標如表2所示：

表2 某型純電動汽車的動力性和續駛里程參數表

（1）最高車速：在城市區域行駛的車輛一般最高車速不大于100km/h，本文設計為95km/h。

（2）加速性能：本文取2項加速測試，0～50 km/h和50～80km/h，加速所需要的最短時間來表示。

（3）最大爬坡度：純電動汽車的最大爬坡度一般要求大于25%，本文選擇坡度為25%

（4）續駛里程：本文取行駛里程為100km。

3、電動汽車驅動力與行駛阻力特性分析

要確定電動汽車的動力性能，首先得確定電動汽車在行駛過程中的運動狀況。

電動汽車的行駛方程：

式中，Ft為驅動力；為行駛的阻力之和。

（1）電動汽車的驅動力

電動汽車驅動電機產生的轉矩，通過傳動系傳遞到驅動車輪，此時作用在驅動車輪上的轉矩Tt，產生一對地面圓周力F0，地面又對驅動車輪產生反作用力Ft，F0就是驅動汽車行駛的外力，稱為汽車的驅動力。

（2）電動汽車的行駛阻力

電動汽車在水平路面上勻速行駛時，受到的阻力包括路面的滾動阻力Ff，來自空氣的空氣阻力Fw；當電動汽車在上坡行駛時受到的阻力包括重力在坡度方向的分力即坡度阻力Fi；當電動汽車在加速行駛時受到的阻力還包括加速阻力Fj，所以，電動汽車在行駛過程中受到的總阻力是：

（3）電動汽車的行駛方程和驅動條件

電動汽車的動力性能不只受到驅動力的限制，還受到輪胎與地面附著條件的制約，此時，驅動力Ft大于附著力V附，為了不使驅動車輪發生滑轉，應該使汽車的驅動力Ft小于或者等于地面的附著力，即：

4、驅動電機參數的匹配設計

電機基本參數包括額定功率，最大扭矩，調速范圍等，其必須滿足所有上述動力性能要求。本文選定的驅動電機類型為永磁直流無刷電機。

（1）驅動電機額定功率和峰值功率的匹配設計

根據最高車速計算時，考慮汽車在坡度為0的路面上勻速行駛，其消耗功率為：

該式中：M——整車質量（kg）；根據《電動汽車動力性能實驗方法》（GB/T18385-2005）中3.2“電動汽車試驗質量”取整備質量加180kg即為1380kg。

f——滾動阻力系數，取0.16

c——風阻系數，取0.35

A——迎風面積（m2），取2.11

Umax——最大車速（km/h），取95

則電動機需求功率為：

式中：ηt為機械效率，取0.9

當車輛在勻速爬坡過程中還要受到坡度阻力，故其消耗的功率為：

式中：i為坡度

u為爬坡車速；

當該車滿足最大爬坡度需求，即以15km/h的速度爬上25%的坡時電機所需功率為：

電機的額定功率應該同時滿足以上所有條件，即P≥max{P1,P2}

這里P取14.02kw。考慮到車上燈光用電需求，所以取驅動電機功率為16kw。根據下式，有額定功率估計電動汽車驅動電機的峰值功率：

式中，λ為電機的過載系數，λ一般取2～3。

經過上式計算，初步確定驅動電機的額定功率為16kw，電機過載系數為2.25，電機峰值功率為40kw。

（2）驅動電機額定轉速和額定轉矩的確定

驅動電機轉速的高低會影響與電機配套的變速器和電池的選擇，而且造成驅動電機的制造成本的提升。本文中將選擇介于6000-10000r/min的中速電機。

驅動電機的最高轉速與額定轉速之間有一個比值關系，這個比值稱為電機擴大恒功率區系數β，β值越大，電機在低轉速時可以獲得的轉矩越高，高轉矩有利于汽車加速和爬坡的性能，本文β值取4。

由于本文選擇的是介于6000-10000r/min的中速電機。因而初步選定驅動電機的額定轉速在2000r/min左右。另外，根據公式4-15可以確定功率和轉矩的關系。

（3）驅動電機額定電壓的選擇

根據之前確定的電機的額定功率，我們選定電機的額定電壓在300V左右。因此永磁無刷驅動電機其參數如下表3所示：

表3 永磁無刷電機參數

4、電動汽車傳動系速比參數設計

4.1 傳動系速比的參數設計

（1）電動汽車在驅動狀態下，汽車的最大驅動力必須不能超過地面對汽車輪胎的附著力，確定傳動系速比的上限：

（2）電動汽車以最大爬坡度行駛時受到的行駛阻力和驅動電機以低轉速工作時輸出的最大轉矩，來確定傳動系速比下限：

由于汽車在爬坡的時候受到的阻力比在平路上要大很多，因而傳動比下限按照電動汽車在爬最大坡度的工況下來求。

4.2 傳動系變速比驗證

根本文選用固定速比減速器，固定速比為8.22。

（1）電動汽車以最高車速行駛時：

電動汽車以最高車速95km/h行駛時，驅動電機的轉速為：

根據公式4-21可以求出當爬坡度為25%時，汽車受到的行駛阻力為3238.5N，由公式4.19計算得出車輪的驅動力Ft為3836.5N。此時Ft>∑F，所以變速器能夠滿足電動汽車最大爬坡度的要求。

5、電池組的參數設計

（1）電池組的數量

所選定的電池組數量必須滿足汽車行駛過程中所需最大功率的要求，即由最大功率選擇蓄電池數目。所以電池組的數目為：

（2）動力電池的電量必須滿足電動汽車續駛里程，即由里程選擇電池容量。

式中，Vele為車速70km/h；Pele為電動汽車以時速70km/h行駛時所需的功率；C為蓄電池的額定容量；S為70km/h勻速行駛時的續駛里程；U為蓄電池電壓；ξsoc取1即假設電池可以實現完全充電。計算得出C為53.83Ah。

（3）電池組電壓的計算

根據計算得到的單體電池組數目為25個，每個單體電池組的電壓約為12V，故總的電池組電壓約為300V。

綜上，經過匹配設計初步選定的電池參數如下表4所示：

表4 鎳氫電池參數Table 4.4 Parameters of the NI-MH battery

6、動力系統的匹配結果

根據電動汽車整車動力性和續駛里程的要求，對動力傳動系統進行了參數設計匹配的研究，其匹配結果如下表5所示：

表5 某型純電動汽車傳動系參數

[1] 孫逢春.德國和法國電動汽車的現狀和發展[J].科技潮.2004. (08):105-108.

[2] 王芳.純電動中型城市客車總體設計及技術研究[D].長安大學, 2008.

[3] 章超,易家玉.全球電動汽車發展迅猛[J]. 大眾用電.2000. (09):83-84.

[4] 丁良旭. 汽車環境工程與電動汽車技術[J]. 汽車工業研究.2002. (12):44-47.

[5] 鄒國棠, 程明.電動汽車的新型驅動技術[M]. 機械工業出版社.2010.

[6] 林鷹.我國電動汽車不斷提升水準[J].交通與運輸.2009.(0l):72-73.

[7] 楊華,孫振東,劉玉光. 純電動汽車關鍵技術研究[J].上海汽車.2007, (09):10-12.

[8] 張靖.超級電容蓄電池復合電源的研究與仿真[D].武漢理工大學. 2005.

[9] 鄒國棠,程明.電動汽車的新型驅動技術[M].機械工業出版社,2010.

[10] 林程,王文偉.純電動公交客車結構與設計［J］.機械工程學報. 2005.41(12):25-29 .

[11] 林程,陳國強,孟祥等.電動大客車傳動系統控制技術研究[J].北京理工大學學報,2007,27（1）：25-28.

Pure electric vehicles matching performance analysis and calculation example research

Gu Yi
( May 1 senior vestibule school of chongqing, Chongqing 400042 )

In this paper, a new class A0 car as an example, the parameters of the driving motor, power battery design and matching and the matching design of transmission, the power performance of vehicle travel distance and meet the design requirements.

dynamic analysis

U469.7

A

1671-7988 (2017)10-146-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.051

古毅，就職于重慶五一高級技工學校。