某款純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力匹配與仿真

孟少華 申彩英

（遼寧工業(yè)大學(xué)）

隨著環(huán)境污染和能源緊缺的加重，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，新能源汽車(chē)自然成為汽車(chē)研究的熱點(diǎn)，如今電動(dòng)汽車(chē)已成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要研究方向之一[1-2]。純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）以蓄電池為動(dòng)力源，以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。同時(shí)BEV具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電力供應(yīng)方便，不消耗石油及不產(chǎn)生尾氣排放污染的特點(diǎn)，因此對(duì)BEV的研究有著廣闊的應(yīng)用前景。該文提出一種BEV動(dòng)力系統(tǒng)匹配的方法，對(duì)BEV的電機(jī)、變速器以及蓄電池進(jìn)行動(dòng)力匹配，經(jīng)過(guò)仿真研究和分析，達(dá)到了預(yù)想效果。

1 動(dòng)力總成的選擇

為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)、節(jié)約成本及提高整車(chē)性價(jià)比，考慮到電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)燃油車(chē)的不同，文章采用的動(dòng)力系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)實(shí)際道路情況設(shè)定電動(dòng)汽車(chē)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 某純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)主要參數(shù)

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接影響到BEV的動(dòng)力性，選擇電機(jī)時(shí)要滿足BEV的動(dòng)力性要求[3]。選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)不僅能夠使電機(jī)高效率地工作，而且能夠有效保護(hù)電機(jī)，延長(zhǎng)其使用壽命。文章從最高車(chē)速、最大爬坡度及最大加速度三方面對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行確定[4]。其中最高車(chē)速由額定功率決定，加速性能和爬坡能力由峰值功率決定。額定功率一般小于峰值功率的1/3。

1.1.1 從最高車(chē)速考慮

最高車(chē)速是汽車(chē)重要的性能指標(biāo)，加速性能與爬坡能力都能由此體現(xiàn)[5]。由汽車(chē)行駛功率平衡方程可知，BEV以最高車(chē)速行駛所消耗的功率為：

式中：Pe1——BEV以最高車(chē)速行駛所消耗的功率，kW；

ηT——傳動(dòng)系總效率，ηT=90%；

uamax——最高行駛車(chē)速，km/h；

G——滿載重力，N；

CD，f——空氣、滾動(dòng)阻力系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2。

其中，G=13 328 N，計(jì)算得：Pe1=25.88 kW。

1.1.2 從最大爬坡度考慮

汽車(chē)以恒定車(chē)速在某一坡道行駛，假如此時(shí)汽車(chē)受到的加速阻力為0，那么汽車(chē)所需要消耗的最大功率為：

式中：Pmi——加速阻力為0時(shí)汽車(chē)所需的最大功率，kW；

ua1——爬坡度最大時(shí)汽車(chē)恒定行駛速度，km/h；

α——汽車(chē)爬坡角度，α=9°。

其中，ua1=30 km/h，計(jì)算得：Pmi=20.65 kW。

1.1.3 從最大加速度考慮

根據(jù)式（1），當(dāng)汽車(chē)以最大加速度行駛時(shí)，BEV所消耗的功率為：

式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

ua2——加速度最大時(shí)，7 s內(nèi)達(dá)到的最大速度，km/h；

Pa——加速度最大時(shí)，BEV所消耗的功率，kW；

m——汽車(chē)滿載質(zhì)量，kg。

其中，δ=1.1；ua2=50 km/h，計(jì)算得 Pa=50.47 kW。

綜合式（1）～（3），最終確定 BEV 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：

式中：Pe——驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率，kW；

λ——峰值功率與額定功率的比值，λ=2。

取Pe=26 kW，結(jié)合實(shí)際，選取額定功率為30 kW、額定電壓為380 V的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，取電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax=8 000 r/min，相應(yīng)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne=3 000 r/min。由Pe,，ne，λ可知，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Te=82.8 N·m，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Temax=165.6 N·m。

1.2 傳動(dòng)比的確定

為了能夠使驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)常在高效率區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要選擇一個(gè)具有合適傳動(dòng)比的變速器[6]。選用合適的傳動(dòng)比能夠減輕電機(jī)和電源負(fù)荷，減少功率損失。

1.2.1 最小傳動(dòng)比的確定

純電動(dòng)汽車(chē)的總傳動(dòng)比與主減速器傳動(dòng)比、變速器傳動(dòng)比之間的關(guān)系，如式（5）所示。

式中：it——傳動(dòng)系總傳動(dòng)比；

i0，ig——主減速器、變速器傳動(dòng)比。

最小傳動(dòng)比是BEV以最高車(chē)速行駛時(shí)使用的傳動(dòng)比，則：

式中：itmin——最小傳動(dòng)比；

r——輪胎半徑，m。

其中，r=0.275 m，計(jì)算得：itmin≤6.91。

如果電動(dòng)汽車(chē)超負(fù)荷的時(shí)候最小傳動(dòng)比過(guò)小，加速性能就會(huì)急劇下降；另外，汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)隨著最小傳動(dòng)比的變大而下降。

1.2.2 最大傳動(dòng)比的確定

最大傳動(dòng)比需要對(duì)道路附著條件以及最大爬坡度進(jìn)行考慮。純電動(dòng)汽車(chē)變速器為單擋位，因此只需知道1擋和主減速器傳動(dòng)比，即可得傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比。在汽車(chē)爬最大坡度時(shí)車(chē)速很低，忽略空氣阻力，只計(jì)坡度阻力和滾動(dòng)阻力，此時(shí)有如下關(guān)系式：

式中：itmax——最大傳動(dòng)比，N·m；

αmax——最大爬坡度對(duì)應(yīng)的坡角，（°）；

Ttqmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

其中，Ttqmax=200 N·m，αmax=9°，計(jì)算得：itmax≥3.5，取itmax=5.44，i0=3.4，ig=1.6。

為了使汽車(chē)行駛時(shí)不發(fā)生打滑，需要驗(yàn)證所選用的傳動(dòng)比是否滿足道路附著條件。

式中：Ft——驅(qū)動(dòng)輪地面切向力，N；

Fz——地面法向反作用力，N；

φ——道路附著系數(shù)。

其中，φ=0.5，計(jì)算得：Ft=3 560.7 N＜6 582 N。所得地面切向作用力小于地面附著力，不會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，滿足要求。

1.3 動(dòng)力電池的選擇

由選定的電機(jī)額定電壓（380 V）和消耗能量來(lái)確定選用蓄電池的容量和數(shù)量。文章選用額定電壓為48 V、容量為30 A·h的磷酸鐵鋰電池。則選取串聯(lián)電池的數(shù)目np=380 V/48 V≈8。

由對(duì)續(xù)駛里程的要求可以確定電池組中并聯(lián)電池的數(shù)目。若電動(dòng)汽車(chē)以u(píng)a=50 km/h速度勻速行駛的最大續(xù)駛里程為L(zhǎng)=100 km，則所消耗能量（P/kW）為：

式中：ua——汽車(chē)速度，km/h。

計(jì)算得：P=4.76 kW。

則并聯(lián)電池?cái)?shù)目為：

式中：nL——并聯(lián)電池?cái)?shù)目；

W——電池總能量，kW·h；

η——電能的轉(zhuǎn)化效率；

C0——單體電池容量；

E——串聯(lián)電池的電壓；

η0——電池的放電深度。

其中，η=70%，取 C0=80%，計(jì)算得 nL=1.5，取 nL=2，則可以確定使用電池組總數(shù)目n=nLnp=16。

2 動(dòng)力性能仿真

2.1 整車(chē)動(dòng)力性能仿真

根據(jù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)各個(gè)組件的分析和建立的模型，在ADVISOR中建立整車(chē)仿真模型[7]。利用ADVISOR軟件對(duì)整車(chē)加速性能、uamax及αmax進(jìn)行了仿真計(jì)算。在ADVISOR啟動(dòng)界面單擊開(kāi)始按鈕，將整車(chē)各項(xiàng)參數(shù)輸入，建立整車(chē)及動(dòng)力系統(tǒng)各組件的仿真模型，進(jìn)行動(dòng)力性能仿真。

2.2 仿真結(jié)果

選擇歐洲循環(huán)工況（NEDC）進(jìn)行仿真。在仿真結(jié)果中，BEV實(shí)際車(chē)速的變化曲線和所選擇工況下的速度曲線非常吻合，如圖2所示，這說(shuō)明汽車(chē)的動(dòng)力性比較好，同時(shí)也體現(xiàn)了匹配過(guò)程選擇的參數(shù)比較合理。

圖2 NEDC工況仿真中電動(dòng)汽車(chē)車(chē)速隨時(shí)間的變化曲線

在電動(dòng)汽車(chē)起步階段，車(chē)速隨時(shí)間的增加而增大，但加速度較小，而在穩(wěn)定行駛后，車(chē)速隨時(shí)間增加而增大的速度變快，這符合電動(dòng)車(chē)的行駛規(guī)律。

電池荷電狀態(tài)（SOC）曲線，如圖3所示。BEV續(xù)駛里程仿真結(jié)果，如圖4所示。在BEV加減速的過(guò)程中，能夠回收部分能量用于蓄電池充電。結(jié)合圖3和圖4可知，在NEDC循環(huán)工況下，SOC下降到30%時(shí)，該車(chē)?yán)m(xù)駛里程為131.2 km。

圖3 電池SOC值變化曲線

圖4 電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程仿真結(jié)果顯示界面

根據(jù)仿真結(jié)果，得到如表2所示的BEV動(dòng)力性能仿真及設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比。

表2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)及仿真結(jié)果

從表2可以看出，BEV的仿真結(jié)果均在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，且不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，符合行駛要求，所以此次設(shè)計(jì)的BEV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)完全滿足性能要求。

3 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)某款BEV動(dòng)力匹配與仿真過(guò)程的論述，介紹了一種較為實(shí)用的動(dòng)力匹配方法。在匹配過(guò)程中，首先確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后進(jìn)行理論計(jì)算，在匹配計(jì)算完成之后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證匹配結(jié)果是否滿足預(yù)期目標(biāo)。此種方法對(duì)BEV的動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有著一定的參考意義，而且隨著B(niǎo)EV的發(fā)展，仿真技術(shù)和高效率的動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究同樣有著重要意義。