某款纯电动汽车动力匹配与仿真

孟少华 申彩英

（辽宁工业大学）

随着环境污染和能源紧缺的加重，传统燃油汽车产业面临着巨大的挑战，新能源汽车自然成为汽车研究的热点，如今电动汽车已成为汽车产业发展的主要研究方向之一[1-2]。纯电动汽车（BEV）以蓄电池为动力源，以电动机作为驱动。同时BEV具有结构简单、电力供应方便，不消耗石油及不产生尾气排放污染的特点，因此对BEV的研究有着广阔的应用前景。该文提出一种BEV动力系统匹配的方法，对BEV的电机、变速器以及蓄电池进行动力匹配，经过仿真研究和分析，达到了预想效果。

1 动力总成的选择

为了简化控制系统、节约成本及提高整车性价比，考虑到电动汽车与传统燃油车的不同，文章采用的动力系统具体结构，如图1所示。

图1 电动汽车动力系统结构图

根据实际道路情况设定电动汽车主要设计参数，如表1所示。

表1 某纯电动汽车整车主要参数

1.1 驱动电机的选择

驱动电机直接影响到BEV的动力性，选择电机时要满足BEV的动力性要求[3]。选择合适的驱动电机不仅能够使电机高效率地工作，而且能够有效保护电机，延长其使用寿命。文章从最高车速、最大爬坡度及最大加速度三方面对驱动电机各项参数进行确定[4]。其中最高车速由额定功率决定，加速性能和爬坡能力由峰值功率决定。额定功率一般小于峰值功率的1/3。

1.1.1 从最高车速考虑

最高车速是汽车重要的性能指标，加速性能与爬坡能力都能由此体现[5]。由汽车行驶功率平衡方程可知，BEV以最高车速行驶所消耗的功率为：

式中：Pe1——BEV以最高车速行驶所消耗的功率，kW；

ηT——传动系总效率，ηT=90%；

uamax——最高行驶车速，km/h；

G——满载重力，N；

CD，f——空气、滚动阻力系数；

A——迎风面积，m2。

其中，G=13 328 N，计算得：Pe1=25.88 kW。

1.1.2 从最大爬坡度考虑

汽车以恒定车速在某一坡道行驶，假如此时汽车受到的加速阻力为0，那么汽车所需要消耗的最大功率为：

式中：Pmi——加速阻力为0时汽车所需的最大功率，kW；

ua1——爬坡度最大时汽车恒定行驶速度，km/h；

α——汽车爬坡角度，α=9°。

其中，ua1=30 km/h，计算得：Pmi=20.65 kW。

1.1.3 从最大加速度考虑

根据式（1），当汽车以最大加速度行驶时，BEV所消耗的功率为：

式中：δ——旋转质量换算系数；

ua2——加速度最大时，7 s内达到的最大速度，km/h；

Pa——加速度最大时，BEV所消耗的功率，kW；

m——汽车满载质量，kg。

其中，δ=1.1；ua2=50 km/h，计算得 Pa=50.47 kW。

综合式（1）～（3），最终确定 BEV 驱动电机的额定功率为：

式中：Pe——驱动电机额定功率，kW；

λ——峰值功率与额定功率的比值，λ=2。

取Pe=26 kW，结合实际，选取额定功率为30 kW、额定电压为380 V的驱动电机。同时，由于电机转速不宜过高，取电机最高转速nmax=8 000 r/min，相应的电机额定转速ne=3 000 r/min。由Pe,，ne，λ可知，电机额定转矩Te=82.8 N·m，电机最大转矩Temax=165.6 N·m。

1.2 传动比的确定

为了能够使驱动电机经常在高效率区运转，需要选择一个具有合适传动比的变速器[6]。选用合适的传动比能够减轻电机和电源负荷，减少功率损失。

1.2.1 最小传动比的确定

纯电动汽车的总传动比与主减速器传动比、变速器传动比之间的关系，如式（5）所示。

式中：it——传动系总传动比；

i0，ig——主减速器、变速器传动比。

最小传动比是BEV以最高车速行驶时使用的传动比，则：

式中：itmin——最小传动比；

r——轮胎半径，m。

其中，r=0.275 m，计算得：itmin≤6.91。

如果电动汽车超负荷的时候最小传动比过小，加速性能就会急剧下降；另外，汽车的经济性会随着最小传动比的变大而下降。

1.2.2 最大传动比的确定

最大传动比需要对道路附着条件以及最大爬坡度进行考虑。纯电动汽车变速器为单挡位，因此只需知道1挡和主减速器传动比，即可得传动系最大传动比。在汽车爬最大坡度时车速很低，忽略空气阻力，只计坡度阻力和滚动阻力，此时有如下关系式：

式中：itmax——最大传动比，N·m；

αmax——最大爬坡度对应的坡角，（°）；

Ttqmax——驱动电机最大输出转矩，N·m。

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

为了使汽车行驶时不发生打滑，需要验证所选用的传动比是否满足道路附着条件。

式中：Ft——驱动轮地面切向力，N；

Fz——地面法向反作用力，N；

φ——道路附着系数。

其中，φ=0.5，计算得：Ft=3 560.7 N＜6 582 N。所得地面切向作用力小于地面附着力，不会发生打滑现象，满足要求。

1.3 动力电池的选择

由选定的电机额定电压（380 V）和消耗能量来确定选用蓄电池的容量和数量。文章选用额定电压为48 V、容量为30 A·h的磷酸铁锂电池。则选取串联电池的数目np=380 V/48 V≈8。

由对续驶里程的要求可以确定电池组中并联电池的数目。若电动汽车以ua=50 km/h速度匀速行驶的最大续驶里程为L=100 km，则所消耗能量（P/kW）为：

式中：ua——汽车速度，km/h。

计算得：P=4.76 kW。

则并联电池数目为：

式中：nL——并联电池数目；

W——电池总能量，kW·h；

η——电能的转化效率；

C0——单体电池容量；

E——串联电池的电压；

η0——电池的放电深度。

其中，η=70%，取 C0=80%，计算得 nL=1.5，取 nL=2，则可以确定使用电池组总数目n=nLnp=16。

2 动力性能仿真

2.1 整车动力性能仿真

根据对电动汽车各个组件的分析和建立的模型，在ADVISOR中建立整车仿真模型[7]。利用ADVISOR软件对整车加速性能、uamax及αmax进行了仿真计算。在ADVISOR启动界面单击开始按钮，将整车各项参数输入，建立整车及动力系统各组件的仿真模型，进行动力性能仿真。

2.2 仿真结果

选择欧洲循环工况（NEDC）进行仿真。在仿真结果中，BEV实际车速的变化曲线和所选择工况下的速度曲线非常吻合，如图2所示，这说明汽车的动力性比较好，同时也体现了匹配过程选择的参数比较合理。

图2 NEDC工况仿真中电动汽车车速随时间的变化曲线

在电动汽车起步阶段，车速随时间的增加而增大，但加速度较小，而在稳定行驶后，车速随时间增加而增大的速度变快，这符合电动车的行驶规律。

电池荷电状态（SOC）曲线，如图3所示。BEV续驶里程仿真结果，如图4所示。在BEV加减速的过程中，能够回收部分能量用于蓄电池充电。结合图3和图4可知，在NEDC循环工况下，SOC下降到30%时，该车续驶里程为131.2 km。

图3 电池SOC值变化曲线

图4 电动汽车续驶里程仿真结果显示界面

根据仿真结果，得到如表2所示的BEV动力性能仿真及设计指标对比。

表2 电动汽车动力性能设计指标及仿真结果

从表2可以看出，BEV的仿真结果均在设计指标范围之内，符合设计要求，且不会出现打滑现象，符合行驶要求，所以此次设计的BEV动力系统参数完全满足性能要求。

3 结论

文章通过对某款BEV动力匹配与仿真过程的论述，介绍了一种较为实用的动力匹配方法。在匹配过程中，首先确定设计目标，然后进行理论计算，在匹配计算完成之后进行仿真试验，验证匹配结果是否满足预期目标。此种方法对BEV的动力系统开发有着一定的参考意义，而且随着BEV的发展，仿真技术和高效率的动力系统匹配研究同样有着重要意义。