電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)動力性匹配設(shè)計

高 進(jìn)，陸海斌

（長安汽車輕型車研發(fā)中心，河北 定州 073000）

電動汽車動力特性通常由加速性、爬坡能力、最高車速等性能來評價。驅(qū)動電機(jī)性能參數(shù)設(shè)計成為滿足整車動力性能首要考慮的問題，而所有驅(qū)動電機(jī)的這些性能參數(shù)都取決于電驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩 （功率）特性［1］。本文以某款純電動物流車進(jìn)行研究，對其驅(qū)動系統(tǒng)匹配選型與驗證。

1 整車基本參數(shù)及開發(fā)目標(biāo)

1.1 基本參數(shù)

整車基本參數(shù)見表1。

1.2 開發(fā)目標(biāo)

整車動力性、經(jīng)濟(jì)性是衡量電動汽車性能的重要指標(biāo)，電動汽車設(shè)計必須滿足其動力性、經(jīng)濟(jì)性需求。本次研究以動力性為研究方向，研究車型動力性參數(shù)需求見表2。

表1 整車參數(shù)

表2 開發(fā)目標(biāo)

2 電機(jī)性能需求參數(shù)計算

電機(jī)系統(tǒng)的選擇主要由整車動力性決定，因此所選電機(jī)性能參數(shù)可根據(jù)整車動力性參數(shù)進(jìn)行選擇。其匹配過程如下。

2.1 額定功率［1-4］

選擇電機(jī)功率時，需確保整車可在各種工況下正常運(yùn)行。功率匹配過程如下。

1）當(dāng)電動汽車以最高車速運(yùn)行時所需功率PV：

2）當(dāng)車輛滿載時以規(guī)定車速V爬一定坡度的坡時所需功率為Pi：

3）當(dāng)車輛在水平路面上加速行駛所需功率Pj：

式中：δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

選型的驅(qū)動電機(jī)額定功率應(yīng)能同時滿足以上最高車速、規(guī)定車速爬坡、水平路面加速行駛3種情況下的功率需求，即：

2.2 額定轉(zhuǎn)速

為了提高電池利用率，結(jié)合車輛用途及經(jīng)濟(jì)車速來定義電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，定義名義轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速對應(yīng)的車速為表2中常規(guī)車速Ve。

計算得到電機(jī)名義轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速值為6778 r／min。

2.3 最高轉(zhuǎn)速

以最高車速Vmax確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。根據(jù)公式：

最高車速對應(yīng)的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速9039 r／min，留1.05的安全余量，則電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為nmax≥9495 r／min。

2.4 額定轉(zhuǎn)矩

電機(jī)轉(zhuǎn)矩選擇時，額定轉(zhuǎn)矩可根據(jù)額定功率進(jìn)行匹配，最大轉(zhuǎn)矩需滿足汽車起步轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度要求。

以額定功率／轉(zhuǎn)速確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Tqe（Nm）：

2.5 峰值轉(zhuǎn)矩

2.5.1 以最大爬坡度確定

此時車輛以勻速爬坡行駛，車輛的行駛方程為：

2.5.2 以電機(jī)外特性確定

根據(jù)電機(jī)外特性，額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)，由2.3得出，在60 km／h以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，且0-50 km／h為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，當(dāng)電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩輸出時，0-50 km／h加速時間最短，則根據(jù)表2開發(fā)目標(biāo)0-50 km／h加速時間7 s確定電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tqmax

得出Tqmax2=87.79 Nm≈90 Nm

由上計算得出，Tmax≥max［Tqmax1，Tqmax2］， 取190 Nm。

2.6 峰值功率

由0-50 km／h加速時間為7 s計算整車起步最大功率需求，由電機(jī)外特性可知，0-50 km／h為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，當(dāng)電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩輸出時，加速時間最短，則

峰值功率Pmax1＝44.48 kW。

由50-80 km／h加速時間為10 s計算整車超車加速最大功率需求，由電機(jī)外特性可知，50-60 km／h為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，60-80 km／h為恒功率區(qū)，則

又對整車進(jìn)行加速時間分析，由整車運(yùn)動方程得整車加速時間

1）結(jié)合電機(jī)外特性曲線，當(dāng)電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)以峰值轉(zhuǎn)矩Tmax運(yùn)行時加速時間最短，電機(jī)輸出至輪邊驅(qū)動力：

2）當(dāng)電機(jī)在恒功率區(qū)以峰值功率Pmax運(yùn)行時加速時間最短，電機(jī)輸出至輪邊驅(qū)動力：

根據(jù)表2、公式 （4）可知，0-60 km／h為恒轉(zhuǎn)矩加速，加速時間由公式 （12）、公式 （13）得出：

所以，t0-60＝8.069 s。

同理，0-80 km／h加速時間為18 s計算整車最大功率需求Pmax2：

所以，t60-80＝t0-80-t0-60=18-8.069＝9.931 s。

峰值功率Pmax2＝48.55 kW。

由上計算得出，車輛要滿足最大爬坡及加速性能需求，電機(jī)最大功率要滿足：

綜上該電動汽車的動力性指標(biāo)需求見表3。

表3 整車動力需求參數(shù)表

3 電機(jī)選型

根據(jù)表3匹配參數(shù)，結(jié)合電池包輸出特性，選擇某公司現(xiàn)有30／60 kW電機(jī)。

驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)見表4。

表4 電機(jī)選型參數(shù)表

1）最大功率及最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時間為1 min。

2）所選電機(jī)應(yīng)能夠在6778 r／min@36.69 Nm工況下運(yùn)行30 min以上。

3）電機(jī)最大扭矩時應(yīng)能持續(xù)運(yùn)行1 min。

4 整車動力性校核

4.1 1 km最高車速

4.2 30 min最高車速對應(yīng)扭矩

根據(jù)車輛在水平良好路面行駛的行駛方程式，如下：

得到車輛驅(qū)動力-行駛阻力數(shù)值對應(yīng)表見表5。

車輛驅(qū)動力-阻力平衡圖如圖1所示。

根據(jù)圖1行駛力平衡圖得到

表5 驅(qū)動力-行駛阻力對應(yīng)表

圖1 整車驅(qū)動力-阻力平衡圖

4.3 最大爬坡度

汽車最大爬坡度決定了汽車的爬坡性能，是指汽車滿載時在良好路面上在一定速度下所能達(dá)到的最大坡度。對車輛按照最大設(shè)計總質(zhì)量進(jìn)行爬坡能力仿真，其車速-爬坡度對應(yīng)表見表6。

表6 車速-爬坡度對應(yīng)表

爬坡度曲線如圖2所示。

圖2 爬坡度曲線

通過分析，滿足整車≥20% （28 km／h）的爬坡度需求。

4.4 加速性校核

電機(jī)外特性曲線如圖3所示。

使用Math-CAD軟件對車輛0-50km／h （即：0～5648r／min）加速時間進(jìn)行分析，該加速過程包含電機(jī)從0至額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)車速 （35.4 km／h）和額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)車速至50 km／h兩個加速階段。綜合式 （12）、式 （13）、式 （14）得其加速時間為：

對車輛50-80 km／h （即：5648～9038 r／min） 加速時間進(jìn)行分析，此加速全過程均在恒功率區(qū)工作，故其加速時間為：

對車輛0-80 km／h （即：0～9038 r／min） 加速時間進(jìn)行分析，其加速過程包含恒扭矩區(qū)工作和恒功率區(qū)工作兩個過程。其加速時間為：

4.5 結(jié)果分析

仿真結(jié)果與實車測試結(jié)果對比，其結(jié)果見表7。

表7 需求-仿真-測試結(jié)果對照表

分析該車型動力性能匹配結(jié)果，選用的電機(jī)系統(tǒng)滿足該車動力系統(tǒng)需求，符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

分析了電動汽車動力性匹配方法，使用Math-CAD進(jìn)行動力性校核，并經(jīng)實車測試驗證，對結(jié)果進(jìn)行比較，說明該匹配方法選出的動力系統(tǒng)方案已十分接近實車動力性需求，可完全勝任產(chǎn)品開發(fā)階段對電動汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行匹配與選型。