純電動汽車性能仿真與驅動電機選型分析

李言辰 張利蘋

摘 要：在整車開發策劃前期，純電動汽車的動力性能指標，是通過研究競品標桿車型水平，以及符合政策法規要求等的前提下，去初步制定出來具有前瞻性競爭力的動力參數指標。為了實現參數定義的動力指標，需要選擇合適的驅動電機及傳動比以達到此設計目標。通過搭建動力仿真模型，結合實際驅動電機性能，仿真分析比對不同產品在整車上搭載后的能力，進行對比，最終作為驅動電機選型的主要理論依據。

關鍵詞：純電動汽車;仿真分析;驅動電機;選型

Abstract： In the early stage of vehicle development and planning， the dynamic performance indicators of pure electric vehicles are based on the premise of researching the level of competing models and meeting the requirements of policies and regulations to initially formulate forward-looking competitive power parameter indicators. In order to achieve the power index defined by the parameters， it is necessary to select a suitable drive motor and transmission ratio to achieve this design goal. By building a dynamic simulation model and combining the performance of the actual drive motor， the simulation analysis compares the capabilities of different products after they are mounted on the vehicle， and makes a comparison， which ultimately serves as the main theoretical basis for the selection of the drive motor.

前言

我國對電動汽車的政策支持與傳統汽車研發與汽車工業發達的國家相比存在著較大的差距，但我國純電動汽車的研發技術水平主要包括電機電控水平、電池系統研發能力、整車控制技術等方面，與國外電動汽車技術不分伯仲。因此國家為了發展振興國內汽車工業，明確新能源汽車補貼政策[1]。

整車廠在進行整車研發過程中，對于驅動電機等零部件的選型，在技術交流過程中，需要根據廠家提供和輸入的產品臺架試驗分析數據，依照所開發車輛定義性能指標參數，進行仿真分析。從而選擇出與設計目標所匹配或相近的產品，繼續開展后續研發工作。在開發前期，通過Matlab等仿真分析軟件搭建計算建模，篩選相對應的功能模塊性能[2]。

驅動電機的性能參數在進行仿真分析之前，通過前期開發策劃，明確一些整車的性能參數定義。通過整車系統動力經濟性仿真將整車系統各項參數指標，利用汽車理論相關動力經濟性相關公平衡圖，能夠快速、直觀的確定整車最高車速等性能。

本文從純電動汽車整車系統角度出發，研究驅動電機的選型，主要通過以下性能的仿真結果作為選型依據：最高車速、最大爬坡度、整車加速時間、續航里程[3]。旨在選型出平臺化的、可靠性強的純電動車驅動電機，保證車輛安全平穩的運行的前提下，提高車輛的能量利用率，保證商用車輛經濟性[4]。

1 動力性仿真分析

1.1 最高車速仿真

最高車速是車輛在路況良好、水平的路面上正常行駛達到的最高行駛車速，也是汽車在平坦路面無風條件下，行駛阻力和驅動力平衡時的車速，是汽車動力性的三個評價指標之一[5]。

其中，車輪半徑和后橋速比是固定的，因此車速與轉速成正比，車速隨著轉速的增加而增加;同時，車速與空氣阻力成正比，當車速增大到驅動力與阻力平衡時，此時車輛達到最高車速。

結合公式（1）、（2）、（5）、（6），后續代入整車參數及電機電控參數（其中電機電控參數使用峰值條件下的數據），可得出整車車速分別與驅動力和行駛阻力相關的曲線，隨著車速增加，驅動力逐漸下降，而行駛阻力逐漸增加，利用仿真分析軟件可繪制出驅動力-行駛阻力平衡圖進行最高車速仿真。

1.2 最大爬坡度仿真

純電動汽車爬坡度，是在良好路面上克服的最大爬坡度。爬坡度是以坡腳的正切值，即坡道高度與坡道水平長度的比值的百分數來表示。

將公式（1）、（2）、（2）代入到爬坡度計算公式（7），即可得到整車爬坡車速與爬坡度的關系，車輛以越高的車速爬坡的時候，車輛爬坡度越低。利用仿真分析軟件，可繪制出爬坡度曲線圖進行最大爬坡度計算。

1.3 加速時間仿真

加速時間即汽車由車速為0km/h加速到某一車速的最短時間。對于手動擋的車輛，加速時間表示從第一擋起步，用最大加速度逐步換至高擋后，到某一車速所需的最短時間。由于該純電動商用車車型只有D檔/N檔/R檔，所以前進過程中不存在換擋操作，只要油門踏板踩滿以最大進行加速即可[6]。

其中，D為車輛動力因數，是汽車牽引性能的主要指標。是剩余牽引力（總牽引力減空氣阻力）和汽車總重之比。此值越大，汽車的加速、爬坡和克服道路阻力的能力越大。

將公式（9）代入（8）中，結合公式（2）、（4），即可算出車輛加速度與速度之間的關系，再根據牛頓第二運動定律，即可得出整車加速時間曲線圖，推算出達到相應速度的加速時間。

2 經濟性仿真——續航里程

對于電動汽車和燃油車對比，電動汽車目前最大的短板就是續航里程短且續航里程補給時間長。續航里程即電動汽車在純電模式下依靠電池電量支持行駛的最大里程。

從公式中可以看出來，續駛里程與電池總電量、系統效率以及電池放電效率成正比關系。在電池電量一定的情況下，電機工作的轉速也有著密不可分的關系。可見電池電量以及電機電控系統效率的好壞是決定車輛續航里程的重要因素。將整車技術定義中提供的電機電控系統參數代入上述公式，結合公式（1）、（2）、（5），按照電動商用車滿載條件計算，即可得出續航里程與車速之間在某個特定車速下可以使續航里程最大化，但還需要結合實際的試驗方法進行后續續航里程摸底試驗。

3 實際驅動電機選型案例

整車參數根據前期策劃數值設定，計算所需要的公式之前已經進行過推導，輸入電機一、二的驅動電機及電控參數。

3.1 最高車速（驅動力-行駛阻力平衡圖及功率平衡圖）

在同樣的整車試驗條件下，進行性能比較。

首先比較兩臺電機能達到的最高車速。根據電機及電控的驅動參數，結合計算公式仿真出平衡圖，當驅動力與行駛阻力相等時的交點為最高車速點。

電機1的最高車速ua max=71km/h時，驅動力與行駛阻力相等。

電機1在最高車速ua max=71km/h時，驅動力功率與行駛阻力功率相等。

電機2的最高車速ua max=101km/h時，驅動力與行駛阻力相等。

電機2在最高車速ua max=101km/h時，驅動力功率與行駛阻力功率相等。

3.2 爬坡度（爬坡度曲線）

再比較兩臺電機能達到的最大爬坡度。根據電機及電控的驅動參數，結合計算公式仿真出爬坡度曲線圖，在車速升高的情況下，爬坡度逐漸降低。

電機1在5km/h的速度下，可以達到的最大爬坡度I max= 29%。

電機2在8km/h的速度下，可以達到的最大爬坡度I max= 13%。

3.3 加速時間（加速度曲線）

接著在同樣的載質量m=1100kg的情況下，比較搭載電機1和電機2時車輛達到50km/h的時速，所需要的時間長短。

電機1達到50km/h的速度，所需要的加速時間ta =15s。

電機2達到50km/h的速度，所需要的加速時間ta =17s。

3.4 續駛里程（續駛里程曲線）

電機1所達到的續駛里程 S=131km。

電機2所達到的續駛里程 S=138km。

最后在同樣搭載電量Eb=15.6kWh的電池，放電深度SOC=80%，載質量m=930kg，按60km/h等速法去測試的情況下，比較搭載電機1和電機2的車輛的續駛里程。

4 電機動力性計算對比分析

動力性方面：驅動電機2在最大爬坡度上不能滿足設計要求;驅動電機1雖然在爬坡能力上表現優異，但最高車速較低。

經濟性方面：噸百公里耗電量（SOC=80%，Eb=15.6kWh，m=930kg），驅動電機1為10.24度，驅動電機2為9.72度，驅動電機2結果更佳。

5 結論

對于電機1，不考慮最高車速的情況下，滿足設計要求;對于電機2，為滿足爬坡需求，需要采用大傳動比車橋滿足設計要求。

通過模擬仿真分析，得出對于不同廠家輸入產品在整車性能參數層面上的分析建議，由相關工程師對于結果進行分析比對，選擇對應的驅動電機或者輸入新的產品，繼續開展研發設計工作。對于減少研發工作量，以及避免因產品定義不明確，所造成在實際裝車中出現問題，重新進行產品設變，重復驗證方案對于研發經費的浪費和開發周期的延誤有著實際的意義。

參考文獻

[1] 劉進.我國新能源汽車財政補貼效應研究[D].北京：中國財政科學研究院，2017.

[2] 付主木.電動汽車運用技術[M].北京：機械工業出版社， 2014.

[3] 王宏亮.純電動汽車整車建模與仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2005.

[4] 竇林彬.純電動汽車能源供給商業模式研究[D].天津：天津大學， 2016.

[5] 劉恒碩，李軍.某型純電動汽車動力參數匹配研究與仿真分析[J]. 汽車工業研究， 2015（07）：49-54.

[6] 楊寶成.純電動汽車與無級變速器匹配控制策略的建模與仿真[J].承德石油高等專科學校學報，2016（18）：29-32.