純電動汽車動力匹配及性能計算界面設計

張幸 楚金甫 陳西山 常樂 汪世偉 朱永智

河南森源重工有限公司 河南省長葛市 461500

1 引言

當前全球能源危機和環(huán)境污染兩大難題備受世界各國關(guān)注，傳統(tǒng)汽車能源消耗和尾氣排放成為制約該行業(yè)發(fā)展的重要因素。純電動汽車是指以車載電池為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛的車輛，可以實現(xiàn)零排放及能源的合理利用。在此種背景下，純電動汽車技術(shù)面臨著難得的發(fā)展機遇，也是目前國家大力推廣的主要新能源車型，是21世紀重要的新型綠色環(huán)保交通工具[1-2]。

對動力系統(tǒng)部件的設計參數(shù)進行研究是提高電動汽車性能的重要手段之一，動力系統(tǒng)參數(shù)選擇或匹配不當，對電動汽車的動力性、經(jīng)濟性等都將有顯著的影響[3]。在純電動汽車中，電機是電動汽車的核心部件之一，本文設計的計算界面可由整車參數(shù)及設計目標計算出需求電機的額定功率、峰值功率、額定扭矩、峰值扭矩及峰值轉(zhuǎn)速。由整車續(xù)駛里程按勻速60km/h試驗法計算動力電池系統(tǒng)的能量、容量及單體數(shù)目，并分別輸出計算結(jié)果數(shù)值及曲線。

車輛的動力性能通常由加速時間、最高車速和爬坡能力予以描述。本文設計的計算界面可由整車參數(shù)、驅(qū)動電機參數(shù)、動力電池參數(shù)計算出整車最高車速、最大加速度、加速性能、爬坡性能、驅(qū)動力矩行駛阻力矩平衡圖、驗證初選傳動比，并分別輸出計算結(jié)果數(shù)值及曲線，對匹配的驅(qū)動電機進行動力性能驗證。

2 純電動汽車組成及設計參數(shù)

典型純電動汽車主要包括電源系統(tǒng)、驅(qū)動電機系統(tǒng)、整車控制器和輔助系統(tǒng)等[4]。動力電池輸出電能，通過電機控制器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力，再通過減速機構(gòu)將動力傳給驅(qū)動車輪。

3 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配界面設計

圖形用于界面（Graphical User Interfaces，GUI）是提供人機交互的工具和方法，是指由窗口、菜單、圖標、光標、按鍵、對話框和文本等各種圖形對象組成的用戶界面[5-6]。在GUI平臺下用戶可定制與Matlab的交互方式，從而設計出自定義的圖形用戶界面。

表2 純電動汽車整車參數(shù)

本文設計的主界面為操作選擇界面，該界面可選擇動力匹配、整車動力性能驗證，選擇動力系統(tǒng)匹配時，跳轉(zhuǎn)到圖2動力系統(tǒng)匹配主界面，在圖2的界面輸入整車參數(shù)后雙擊界面1處的選項進入電機主要參數(shù)的計算。

3.1 驅(qū)動電機額定功率計算界面

在汽車行駛過程中，驅(qū)動電機功率與行駛阻力功率是相互平衡的，其中行駛阻力包括滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力。驅(qū)動電機額定功率的匹配應滿足整車最高車速的功率Pemax1、4%坡道車速60km/h的爬坡功率Pemax2、12%坡道車速30km/h的爬坡功率Pemax3，即Pemax≥max（Pemax1，Pemax2，Pemax3）。

圖1 動力系統(tǒng)匹配主界面

輸入整車參數(shù)后，點擊計算，數(shù)值顯示在界面右側(cè)，計算結(jié)果Pemax≥24kW，如圖2所示。

圖2 額定功率計算界面

圖3 峰值功率計算界面

3.2 驅(qū)動電機峰值功率計算界面

驅(qū)動電機峰值功率由車輛的加速及爬坡性能確定，其匹配應能滿足車輛0～50km/h加速時間小于5s的加速功率Pmax1、0～80加速時間小于15s的加速功率Pmax2，即Pmax＞ max（Pmax1，Pmax2），計算界面如圖3所示，計算結(jié)果Pmax≥44kW。

3.3 驅(qū)動電機峰值扭矩計算界面

驅(qū)動電機的峰值扭矩需滿足車輛起步加速扭矩Tmax1和最大爬坡度的扭矩Tmax2，即Tmax＞ max（Tmax1，Tmax2），計算界面如圖4所示，計算結(jié)果Tmax≥190Nm。

圖4 峰值扭矩計算界面

3.4 動力電池系統(tǒng)能量計算界面

由整車續(xù)駛里程按勻速60km/h試驗法計算動力電池系統(tǒng)的能量W，搭建如圖5的仿真模型，并設計仿真控制計算界面，計算結(jié)果W≥21kW.h。

4 整車動力性能計算界面設計

當選擇整車動力性能驗證時，跳轉(zhuǎn)到圖6動力性能驗證主界面，在圖6的界面輸入整車參數(shù)、電機參數(shù)后雙擊界面2處的選項進入整車動力性能參數(shù)計算。

圖6 整車動力性能驗證主界面

4.1 加速性能

汽車的加速性能通常由汽車從0加速到某一車速時所用時間來衡量，由汽車理論中加速時間計算方法搭建仿真模型，加速時間計算界面如圖7（左）圖所示，當輸入整車參數(shù)及電機參數(shù)后，可仿真得到加速時間，加速時間曲線如圖7（右）所示。

4.2 爬坡性能

最大爬坡度是汽車動力性的主要指標，指汽車在良好的路面上，以最大驅(qū)動力行駛所能爬行的最大坡度。其坡度用坡高與相應的水平距離之比來表示，其單位用百分比（%）來表示。加速時間計算界面如圖8（左）所示，爬坡度曲線如圖8（右）所示。

4.3 加速度

加速度計算界面如圖9（左）所示，加速度曲線如圖9（右）所示。

圖5 能量計算仿真模型

圖8 最大爬坡度計算界面及最大爬坡度曲線

圖9 加速度計算界面及加速度曲線

圖10 加速度曲線

4.4 驅(qū)動力矩—行駛阻力矩平衡圖

驅(qū)動力矩—行駛阻力矩平衡圖如圖10所示，由圖中可以看出車輛30min最高車速為115km/h。

5 結(jié)語

本文基于Matlab/Gui﹠Simulink設計了一種用于純電動汽車動力匹配及動力性能驗證的圖形用戶界面，動力匹配功能為純電汽車電機匹配，動力電池系統(tǒng)匹配提供了一種可行有效的方法，動力性能驗證功能計算結(jié)果與樣車實測結(jié)果吻合，為純電動汽車動力系統(tǒng)匹配、性能預測和分析提供了一種方法和手段。