某純電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及仿真分析

陳 宏，張桂連，楊 凡，黃 偉，龍?jiān)姉?/p>

（湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南 長沙 410100）

純電動(dòng)汽車采用電機(jī)作為其驅(qū)動(dòng)裝置，并應(yīng)用化學(xué)蓄電池組、燃料電池組、超級電容器組和／或飛輪組為其相應(yīng)的能源［1］。電機(jī)作為主要的驅(qū)動(dòng)裝置，其合理選型和匹配分析對整車動(dòng)力性、百公里電耗和續(xù)航里程等有重要的影響。目前，相關(guān)學(xué)者針對電機(jī)選型主要關(guān)注電機(jī)峰值特性參數(shù)和額定特性參數(shù)，如何洪文等［2］、趙強(qiáng)等［3-7］對電機(jī)選型主要關(guān)注電機(jī)峰值功率、峰值扭矩、最高轉(zhuǎn)速、額定功率、額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)。上述研究缺少電機(jī)效率map以及NEDC工況下電機(jī)效率工作點(diǎn)對百公里電耗和續(xù)航里程的綜合考慮。本文以某純電動(dòng)汽車為研究對象，在動(dòng)力電池、主減速器等部件確定的情況下，依據(jù)整車設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用AVL_cruise軟件搭建了整車仿真模型，分析了3種不同電機(jī)外特性曲線、效率map對整車動(dòng)力性、百公里電耗及續(xù)航里程的影響，為純電動(dòng)汽車電機(jī)選型及性能優(yōu)化提供了依據(jù)和支撐。

1 電機(jī)選型與匹配

電機(jī)是電動(dòng)汽車行駛的動(dòng)力源，電機(jī)選型除了關(guān)注峰值功率、峰值轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速外，還需關(guān)注電機(jī)及控制器的效率map。

1.1 整車參數(shù)

本文研究的純電動(dòng)汽車構(gòu)型為前置前驅(qū)，電機(jī)+單級主減速器的驅(qū)動(dòng)方案，其整車目標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 純電動(dòng)汽車整車目標(biāo)參數(shù)

1.2 電機(jī)參數(shù)確定

1.2.1 電機(jī)額定功率和峰值功率

電機(jī)作為電動(dòng)汽車行駛的動(dòng)力源，其功率需滿足最高車速、最大爬坡度和加速性能，同時(shí)還需考慮續(xù)航里程和能耗要求。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T18385—2005《電動(dòng)汽車 動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定及汽車行駛受力分析，其功率平衡方程式為［8］：

式中：m——汽車滿載質(zhì)量，kg；m1——汽車動(dòng)力性試驗(yàn)質(zhì)量，kg；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2；umax——最高車速，km·h-1；ηt——機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)效率，%；αmax——最大爬坡度，（°）；u——最大爬坡度對應(yīng)的車速，km·h-1；t——加速時(shí)間，s；ut——終點(diǎn)加速車速，km·h-1；δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；P1——最高車速對應(yīng)的功率，kW；P2——最大爬坡度對應(yīng)的功率，kW；P3——加速時(shí)間對應(yīng)的功率，kW。

根據(jù)式 （1）計(jì)算出最高車速對應(yīng)的電機(jī)功率P1；式（2）計(jì)算出最大爬坡度對應(yīng)的電機(jī)功率P2；式 （3）計(jì)算出0-100 km·h-1加速時(shí)間對應(yīng)的電機(jī)功率P3。而電機(jī)峰值功率應(yīng)該取三者中的最大值，即滿足式 （4）：

電機(jī)額定功率通常滿足最高車速對應(yīng)的電機(jī)功率P1即可。

根據(jù)上式可計(jì)算出電機(jī)峰值功率≥90 kW，額定功率≥45 kW。

1.2.2 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需滿足汽車最高車速的要求，即：

式中：i0——主減速比；r——車輪半徑，mm。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速通常根據(jù)汽車常行駛車速來定，即常規(guī)車速定為45 km·h-1。

根據(jù)上式可計(jì)算出電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速≥9 500 r·min-1，額定轉(zhuǎn)速≥3 500 r·min-1。

氣焰赫赫的風(fēng)云八虎，不到一年，三虎死于非命，均被烈焰焚燒而死，死狀極慘。一般人提及此事，皆心有余悸；茍活于世的三虎，以及他們的后臺(tái)德公公，此后寢無眠，食無味，惶惶不可終日。

1.2.3 電機(jī)峰值扭矩和額定扭矩電機(jī)峰值扭矩需滿足汽車最大爬坡度的要求，即：

式中：ui——爬坡對應(yīng)的車速，km·h-1。

電機(jī)額定扭矩根據(jù)額定功率和額定轉(zhuǎn)速來計(jì)算。

根據(jù)上式可計(jì)算出電機(jī)峰值扭矩≥240 Nm，額定扭矩≥123 Nm。

1.2.4 電機(jī)及控制器效率

式中：Pout_m——電機(jī)輸出功率，kW；Pin_m_c——電機(jī)控制器輸入功率，kW。

目前有3款電機(jī)符合上述要求，其性能參數(shù)對比見表2。

額定電壓320 V時(shí)電機(jī)外特性曲線、峰值功率曲線如圖1、圖2所示。

表2 3款電機(jī)參數(shù)

圖1 3款電機(jī)外特性曲線

圖2 3款電機(jī)峰值功率曲線

2 電機(jī)性能對比仿真分析

從電機(jī)參數(shù)方面看，此3款電機(jī)均能滿足要求，但這還不足以判定哪款電機(jī)更適合本款純電動(dòng)汽車。客戶除了關(guān)注整車動(dòng)力性外，更關(guān)注百公里電耗和續(xù)航里程。因此為了進(jìn)一步分析哪款電機(jī)與整車匹配更好，通過cruise建立整車仿真模型，分析電機(jī)特性參數(shù)對整車動(dòng)力性、百公里電耗及續(xù)航里程的影響［9］。cruise模型中電池的類型為三元鋰電，其參數(shù)按照容量150 Ah、額定電壓320 V、電量48.2 kWh設(shè)定。仿真建模見圖3。

2.1 峰值參數(shù)對整車動(dòng)力性影響

圖3 cruise仿真模型

圖4 最高車速

圖5 （0-100 km·h-1）加速時(shí)間

2.1.1 最高車速

從圖4可知，驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力沒有交點(diǎn)，整車最高車速取決于電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速。假定此時(shí)電池瞬時(shí)放電功率能滿足整車的要求，則電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速越高，整車最高車速越大。3個(gè)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速相同，則整車能達(dá)到的最高車速一樣，并且均能滿足最高車速設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 加速時(shí)間

圖6 最大爬坡度

從電機(jī)峰值功率曲線可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速低于3 440 r·min-1（對應(yīng)的車速為50 km·h-1）時(shí)，3個(gè)電機(jī)功率接近，相差較小，因此0-50 km·h-1加速時(shí)間接近，仿真計(jì)算的結(jié)果為電機(jī)3和電機(jī)2加速時(shí)間為4.3 s，電機(jī)1加速時(shí)間為4.4 s。而車速由50 km·h-1到100 km·h-1，電機(jī)2的功率在基速為3 500 r·min-1功率達(dá)到峰值且進(jìn)入恒功率運(yùn)行區(qū)，而電機(jī)1和電機(jī)3在基速4 000 r·min-1時(shí)功率達(dá)到峰值且進(jìn)入恒功率運(yùn)行區(qū)。因此車速在50-100 km·h-1加速時(shí)間，電機(jī)3超車加速時(shí)間為5.6 s，電機(jī)1超車加速時(shí)間為5.7 s，而電機(jī)2超車加速時(shí)間為7.9 s。如圖5所示。由于采用單擋變速傳動(dòng)，則整車的超車加速時(shí)間與電機(jī)峰值功率有較大關(guān)系，電機(jī)峰值功率越大，整車后備儲(chǔ)備功率越足，整車的超車加速性能更好。2.1.3 最大爬坡度

整車最大爬坡度與峰值扭矩有關(guān)，電機(jī)3峰值扭矩大于電機(jī)2，電機(jī)1峰值扭矩最小，因此3款電機(jī)最大爬坡度從大到小對應(yīng)的電機(jī)依次為電機(jī)3、電機(jī)2和電機(jī)1，其最大爬坡度依次為35.5%、34.9%、34.5%。如圖6所示。

2.2 電機(jī)及控制器效率對百公里電耗及續(xù)航里程影響

純電動(dòng)汽車由動(dòng)力電池提供電能，經(jīng)電機(jī)控制器由直流轉(zhuǎn)換為交流，電機(jī)再把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。在此過程中，電機(jī)及控制器效率越高，其本身消耗的能量越小，給汽車供能更多，則行駛里程更遠(yuǎn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T18386—2018《電動(dòng)汽車 能量消耗率和續(xù)航里程試驗(yàn)方法》中的要求，中國評價(jià)百公里電耗和續(xù)航里程的工況為NEDC工況，其包含4個(gè)市區(qū)工況和1個(gè)市郊工況，能夠客觀反映整車能耗及續(xù)航里程。為此在cruise模型中設(shè)置計(jì)算任務(wù)進(jìn)行百公里電耗和續(xù)航里程仿真，仿真結(jié)果見表3，各電機(jī)在NEDC工況下運(yùn)行工作點(diǎn)見圖7。

表3 續(xù)航里程及能耗

從圖7中可以看出，電機(jī)2及控制器的高效率區(qū)較寬，覆蓋面積大，且轉(zhuǎn)速范圍約為3 500～6 200 r·min-1，而電機(jī)1及控制器和電機(jī)3及控制器的最高效率區(qū)相對較窄，且轉(zhuǎn)速范圍約為5 000～7 000 r·min-1。由于NEDC工況含4個(gè)市內(nèi)工況和1個(gè)市郊工況，因此，低轉(zhuǎn)速效率高則有利于整車能耗的降低，同時(shí)提高續(xù)駛里程。

圖7 各電機(jī)工作點(diǎn)

根據(jù)以上動(dòng)力性、續(xù)航里程和能耗分析，選取電機(jī)2更適合本款車型。

3 試驗(yàn)對比

為了驗(yàn)證電機(jī)選型合理性及仿真模型的可行性，對純電動(dòng)車進(jìn)行了動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。仿真與試驗(yàn)對比結(jié)果如表4所示。由表4可知，誤差值控制在5%以內(nèi)。該結(jié)果表明，仿真指標(biāo)與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，誤差在可接受范圍內(nèi)。

表4 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文以某純電動(dòng)汽車為研究對象，在動(dòng)力電池、主減速器等部件確定的情況下，利用AVL_cruise軟件搭建了整車仿真模型，分析了3款電機(jī)特性對整車動(dòng)力性、百公里電耗經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程影響，從中選取合理的電機(jī)。

本文結(jié)果對電機(jī)選型起指導(dǎo)作用，電機(jī)選型除需關(guān)注電機(jī)峰值功率、峰值扭矩外，還需關(guān)注NEDC工況下電機(jī)工作點(diǎn)的效率，當(dāng)電機(jī)工作效率越高，整車?yán)m(xù)航里程和能耗更好，除此之外，也需關(guān)注電機(jī)EMC、NVH性能。