纯电动汽车动力系统参数匹配与性能仿真

陶小松，王鹏，陈乐

(长安大学汽车学院，陕西西安 710064)

纯电动汽车动力系统是涉及多学科的复杂系统，主要由动力电池、驱动电机和传动系统组成。纯电动汽车动力性的评价指标有最高车速、加速时间和爬坡能力，经济性的评价指标有能量消耗率和续驶里程。研究表明：动力系统参数的变化对纯电动汽车的性能有很大影响，要提高整车性能，必须解决动力系统参数的合理匹配问题[1]。纯电动汽车动力性和经济性易受其驱动电动机转速与转矩特性、动力电池放电特性和传动系统参数等的影响，因此，动力电池、驱动电机和传动系统等参数的确定以及他们之间的合理匹配至关重要。

本文根据纯电动汽车的整车性能参数要求，对纯电动汽车的动力电池、驱动电机进行选型，设计动力传动系统；利用AMESim仿真软件建立纯电动汽车驱动电机、动力电池和传动系的模型，连接调试形成最终的动力系统仿真模型；根据仿真结果对纯电动汽车传动系参数进行调校，以得到能够满足纯电动汽车动力性能和续驶里程要求的动力系统匹配方案。

1 动力系统参数匹配及选型

1.1 整车参数及性能要求

整车性能参数指标反映所设计车辆的性能优劣。在动力系统匹配设计时往往会将关键技术参数向较好的趋势靠近，这使得匹配结果有可能优于指标要求。本文将纯电动汽车定位为跑车，对于其加速性能和最高车速要求较高。整车参数和性能要求包括整车结构参数和整车性能指标[2]，具体数值如表1、2所示。

表1 整车结构参数

表2 整车性能指标

由表2可以看出，整车加速性能和续驶里程指标要求较高，因此选择驱动电机和动力电池时应该充分考虑其性能是否能够满足整车性能指标的要求。

1.2 驱动电机

驱动电机作为纯电动汽车唯一的动力来源，其各项参数的优劣直接影响整车的动力性和经济性。要求驱动电机在运行过程中阻力小、效率高、调速范围宽、转矩响应迅速以及过载能力强，电机的尺寸应尽可能小，质量轻，运行噪声小[3]。

电机参数主要有：额定功率、峰值功率、额定转速、最大转速、额定转矩和最大转矩[4]。在设计电动机参数时，需要考虑最高车速、加速能力和过载能力几个方面[5]。

1.2.1 电机功率

1)峰值功率

由汽车动力学理论可知，驱动电机的峰值功率应大于电动汽车加速时需求的功率，同时应满足最高车速和最大爬坡所需的功率[6]，即：

Pmax≥max{Pemax，Pamax，Pcmax}，

计算得：Pemax=42.36 kW，Pamax=55.22 kW ，满足车辆0～50、0～100 km/h的加速时间所需的功率分别为Pcmax1=266.97 kW、Pcmax2=317.83 kW，所以取驱动电机的峰值功率Pmax=320 kW。

2)额定功率

当电机功率为额定功率的70%～85%时，电机运行效率最高，要求驱动电机在高效率功率范围能长时间运行[7]。驱动电机的额定功率不能小于车辆最高车速时的需求功率。因此在前、后车桥处各设置一个电机，单个电机额定功率为60 kW，峰值功率为160 kW。

1.2.2 最高转速和额定转速

驱动电机的最高转速在满足最高车速要求的前提下不应过高，转速过高会增加电机的制造工艺难度，从而增加成本。由于本车型对车速要求较高，所以选用高速电机。普通高速电动机的转速为10 000～15 000 r/min[8]，最高转速初步设定为12 000 r/min。有

β=nmax/nb,

式中：β为恒功率区系数，取β=2.3；nmax为电机最高转速；nb为电机额定转速。

计算得nb=5 217 r/min。

1.2.3 额定扭矩与峰值扭矩

由电机的额定功率、峰值功率及额定转速计算得到驱动电机的额定扭矩为109.8 N·m，峰值扭矩为292.9 N·m。峰值扭矩不仅需要满足车辆低速加速性能和爬坡能力要求，而且应具有一定的后备扭矩，即峰值扭矩应大于实际需求扭矩，初步设定峰值扭矩为310 N·m。

1.2.4 电机选型

根据计算的驱动电机参数，选择某型内置式永磁同步电机,电机具体参数如表3所示。

表3 电机参数

1.3 动力电池

动力电池作为电动汽车的能量储存装置，是电动汽车的核心部件，其性能的优劣直接影响电动汽车的续驶里程。锂离子电池有突出的优点，本设计采用三元锂电池，其电芯参数见表4。

表4 动力电池参数

由表4可以看出，所选电池的电芯容量大、能量密度高，能满足所匹配车辆长续航的要求。

单组电池数目由驱动电机额定电压确定，电池组数目由续航里程和单体电池容量确定。为保护电池不至于过度放电而损坏，延长电池寿命，一般设置放电深度为80%左右。

1)单组电池数目

单组电池数目N=96。

2)电池组数目

电池组数目为

n=1 000sW/(0.87c1V1N)，

式中：W为行驶1 km所消耗的能量，W·h，取W=180 W·h；c1为单体电池容量；V1为单体电池电压。

计算得n=9。

1.4 传动系统参数设计

电动汽车传动系统的参数主要是传动比及传动效率，传动比包含变速器传动比和主减速器传动比。电动汽车一般有单挡传动和两挡变速器传动。对于高性能纯电动汽车可以选择两挡变速器来满足高速和加速行驶的要求。如果主减速器能够满足整车动力性能要求，可以采用单挡传动[9]。当电机驱动特性一定时，传动比的选择取决于车辆动力性能指标的要求，即必须同时满足最高车速、爬坡性能和加速时间3个指标。

在齿轮传动中，单级圆柱齿轮的传动效率可达99%，又由于齿轮转速较高，整个传动系的效率取为97%。

1)最大传动比。该参数取决于驱动电机的最高转速、汽车最高车速以及驱动轮半径，有

imax≤0.377nmaxR/vmax，

计算得imax=7.47。

2)最小传动比。该参数可以通过以下两种计算方法确定，两者中的较大值即为最小传动比。

由最大爬坡度对应的行驶阻力和驱动电动机最大输出转矩Timax确定传动比

计算得i1=5.33。

由驱动电动机在最高转速运行时的最大输出转矩Tnmax和最高车速对应的行驶阻力确定传动比

计算得i2=5.28，即驱动电机的最小传动比imin=5.33。

因此该传动系传动比的范围为5.33～7.47，传动比范围较小，由于电动机的恒功率调速范围较宽，兼顾成本，变速器采用单级圆柱斜齿轮传动[10-11]，考虑该车型对于加速性能要求较高，初步选定传动系的传动比为6.90。

2 动力系统模型的建立

2.1 整车仿真模型的构建

1)绘制整车仿真模型草图。从汽车元件库中调用系统模型所需的基本元素，并将各个基本元素连接起来形成仿真系统模型的草图，如图1所示。

图1 整车仿真模型

2)子模型创建。本文侧重于动力系统的研究，因此创建动力系统部件的子模型[12]。其他系统元件选择简单的子模型。

3)参数设置。进入参数模式之前AMESim会自动检测所搭建系统模型的完整性，并为系统创建一个仿真程序执行文件。若系统不完整，将会提示错误信息；若系统完整，将进入参数模式。

4)整车参数输入。整车参数包括总质量、前后质量分配比、车轮转动惯量、轮胎参数、轮辋直径等，对整车性能仿真的准确性有着至关重要的作用。

5)电机参数输入。驱动电机参数设置包括峰值功率、最大扭矩、效率以及最高转速。

6)电池参数输入。电池参数包括额定电压、单组电池数目、电池组数目、容量以及电池的放电特性曲线。

7)传动系参数输入。传动系参数包括传动比和传动效率。

8)行驶循环设置。根据所需仿真项目设置行驶循环。

9)进入仿真模式。设置仿真参数，仿真参数包括起止时刻、步长等。

2.2 模型仿真分析

1)动力电池模型

电池的状态由剩余容量与其完全充电状态容量的比值(state of charge，SOC)来反映，SOC的变化特性需要进行一系列的放电试验来测验，测量电池电压、电阻、温度等参数[13]。由于本文主要研究动力系统匹配，不考虑温度引起的电池参数的变化，因此设置电池温度恒为25 ℃。动力电池的放电特性曲线如图2、3所示。

图2 单体电池放电电压特性曲线 图3 单体电池放电电阻特性曲线

由图3可以看出：当SOC高于80%时，电池电阻很小并保持不变；SOC从80%～20%变化时，电池电阻总体呈上升趋势，电阻值有折回现象，但在整个放电过程中，电阻值均低于0.9 mΩ。

2)驱动电机模型

根据所选驱动电机的技术参数，将数据整理并绘制成如图4所示的驱动电机转矩特性图。

所选永磁同步电机具有制动能量回收特性。当车辆反拖电动机时，电动机作为发电机，产生的电能经过逆变器转化为直流电储存在动力电池中。制动能量回收转矩特性如图5所示。

图4 驱动电机转矩特性 图5 制动能量回收转矩特性

3)传动系统模型

在传动系统模块中添加了类似于离合器的模块，便于连接整个机械传动装置，防止传动系统因过载而损坏，同时在紧急情况下可以迅速断开动力传递。

3 仿真分析及参数调校

3.1 仿真结果分析

3.1.1 动力性能

根据文献[14]对纯电动汽车的加速特性、最高车速及爬坡能力的技术要求，进行整车动力性能仿真。该型纯电动汽车测试时需装载质量为150 kg(包括驾驶员)。动力性能仿真结果如表5所示。

表5 整车动力性能仿真结果

由表5可以看出：与表2的设计目标相比，整车的最高车速、最大爬坡度达到了设计要求，但加速性能未能满足设计要求。

3.1.2 经济性能

根据文献[15]对纯电动汽车的能量消耗率和续驶里程的技术要求，进行整车经济性能仿真。仿真结果如图6、7所示。由图6、7中数据整理得到表6，与表2的设计目标相比，续驶里程达到了设计要求。

a)NEDC车速随时间的变化曲线 b)SOC随时间的变化曲线 c)位移随时间的变化曲线图6 NEDC工况仿真

a)60 km/h仿真车速 b)SOC随时间的变化曲线 c)位移随时间的变化曲线图7 60 km/h等速工况仿真

NEDC工况60 km/h等速工况能量消耗率/(W·h·km-1)续驶里程/km能量消耗率/(W·h·km-1)续驶里程/km202449187485

3.2 传动系参数调校

从仿真结果来看：整车的最高车速、最大爬坡度达到设计要求，但加速性能未能满足设计要求；续驶里程达到设计要求。加速性能未能满足要求且爬坡能力较好的原因可能是所选传动系6.90的速比偏小。将传动比逐级增加，再进行整车性能仿真。不同速比仿真结果如表7所示。

由表7可以看出：因为传动系传动比过小而导致加速性能不能满足设计要求，传动比达到7.10时满足整车加速性能要求。对满足动力性能要求的传动比进行整车性能仿真，其仿真结果与设计选定的传动比对比如表8所示。

1)随着传动比的增大，车辆的加速性能逐渐提高。

2)传动比为7.10时，在满足动力性能的前提下，较传动比为7.15的经济性好。

3)传动比为7.10与传动比为6.9时的NEDC工况续驶里程相同，在经济性相同的情况下，前者提高了整车的动力性能。

因此最后确定传动系的传动比为7.10。

表7 各传动比对应的动力性能仿真结果

表8 传动比调整前后车辆经济性能仿真结果对比

4 结论

1)根据整车参数要求对动力系统参数进行匹配设计。确定驱动电机、动力电池和传动系参数。

2)利用仿真软件AMESim建立整车系统模型，整车性能仿真结果满足经济性要求，但整车的加速性略低于指标要求。

3)在传动比范围内逐级增大传动比，使得整车动力性能得到较大提升的同时，经济性也略有提高。此种方法费时，且得到的匹配方案不一定最优。因此后续研究需要寻找一种优化传动系参数的方法，使得纯电动汽车动力系统的参数匹配结果更优。