孟少華 申彩英

（遼寧工業(yè)大學(xué)）

隨著環(huán)境污染和能源緊缺的加重，傳統(tǒng)燃油汽車產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，新能源汽車自然成為汽車研究的熱點，如今電動汽車已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要研究方向之一[1-2]。純電動汽車（BEV）以蓄電池為動力源，以電動機作為驅(qū)動。同時BEV具有結(jié)構(gòu)簡單、電力供應(yīng)方便，不消耗石油及不產(chǎn)生尾氣排放污染的特點，因此對BEV的研究有著廣闊的應(yīng)用前景。該文提出一種BEV動力系統(tǒng)匹配的方法，對BEV的電機、變速器以及蓄電池進行動力匹配，經(jīng)過仿真研究和分析，達到了預(yù)想效果。

1 動力總成的選擇

為了簡化控制系統(tǒng)、節(jié)約成本及提高整車性價比，考慮到電動汽車與傳統(tǒng)燃油車的不同，文章采用的動力系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)實際道路情況設(shè)定電動汽車主要設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1 某純電動汽車整車主要參數(shù)

1.1 驅(qū)動電機的選擇

驅(qū)動電機直接影響到BEV的動力性，選擇電機時要滿足BEV的動力性要求[3]。選擇合適的驅(qū)動電機不僅能夠使電機高效率地工作，而且能夠有效保護電機，延長其使用壽命。文章從最高車速、最大爬坡度及最大加速度三方面對驅(qū)動電機各項參數(shù)進行確定[4]。其中最高車速由額定功率決定，加速性能和爬坡能力由峰值功率決定。額定功率一般小于峰值功率的1/3。

1.1.1 從最高車速考慮

最高車速是汽車重要的性能指標(biāo)，加速性能與爬坡能力都能由此體現(xiàn)[5]。由汽車行駛功率平衡方程可知，BEV以最高車速行駛所消耗的功率為：

式中：Pe1——BEV以最高車速行駛所消耗的功率，kW；

ηT——傳動系總效率，ηT=90%；

uamax——最高行駛車速，km/h；

G——滿載重力，N；

CD，f——空氣、滾動阻力系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2。

其中，G=13 328 N，計算得：Pe1=25.88 kW。

1.1.2 從最大爬坡度考慮

汽車以恒定車速在某一坡道行駛，假如此時汽車受到的加速阻力為0，那么汽車所需要消耗的最大功率為：

式中：Pmi——加速阻力為0時汽車所需的最大功率，kW；

ua1——爬坡度最大時汽車恒定行駛速度，km/h；

α——汽車爬坡角度，α=9°。

其中，ua1=30 km/h，計算得：Pmi=20.65 kW。

1.1.3 從最大加速度考慮

根據(jù)式（1），當(dāng)汽車以最大加速度行駛時，BEV所消耗的功率為：

式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

ua2——加速度最大時，7 s內(nèi)達到的最大速度，km/h；

Pa——加速度最大時，BEV所消耗的功率，kW；

m——汽車滿載質(zhì)量，kg。

其中，δ=1.1；ua2=50 km/h，計算得 Pa=50.47 kW。

綜合式（1）～（3），最終確定 BEV 驅(qū)動電機的額定功率為：

式中：Pe——驅(qū)動電機額定功率，kW；

λ——峰值功率與額定功率的比值，λ=2。

取Pe=26 kW，結(jié)合實際，選取額定功率為30 kW、額定電壓為380 V的驅(qū)動電機。同時，由于電機轉(zhuǎn)速不宜過高，取電機最高轉(zhuǎn)速nmax=8 000 r/min，相應(yīng)的電機額定轉(zhuǎn)速ne=3 000 r/min。由Pe,，ne，λ可知，電機額定轉(zhuǎn)矩Te=82.8 N·m，電機最大轉(zhuǎn)矩Temax=165.6 N·m。

1.2 傳動比的確定

為了能夠使驅(qū)動電機經(jīng)常在高效率區(qū)運轉(zhuǎn)，需要選擇一個具有合適傳動比的變速器[6]。選用合適的傳動比能夠減輕電機和電源負荷，減少功率損失。

1.2.1 最小傳動比的確定

純電動汽車的總傳動比與主減速器傳動比、變速器傳動比之間的關(guān)系，如式（5）所示。

式中：it——傳動系總傳動比；

i0，ig——主減速器、變速器傳動比。

最小傳動比是BEV以最高車速行駛時使用的傳動比，則：

式中：itmin——最小傳動比；

r——輪胎半徑，m。

其中，r=0.275 m，計算得：itmin≤6.91。

如果電動汽車超負荷的時候最小傳動比過小，加速性能就會急劇下降；另外，汽車的經(jīng)濟性會隨著最小傳動比的變大而下降。

1.2.2 最大傳動比的確定

最大傳動比需要對道路附著條件以及最大爬坡度進行考慮。純電動汽車變速器為單擋位，因此只需知道1擋和主減速器傳動比，即可得傳動系最大傳動比。在汽車爬最大坡度時車速很低，忽略空氣阻力，只計坡度阻力和滾動阻力，此時有如下關(guān)系式：

式中：itmax——最大傳動比，N·m；

αmax——最大爬坡度對應(yīng)的坡角，（°）；

Ttqmax——驅(qū)動電機最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

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

為了使汽車行駛時不發(fā)生打滑，需要驗證所選用的傳動比是否滿足道路附著條件。

式中：Ft——驅(qū)動輪地面切向力，N；

Fz——地面法向反作用力，N；

φ——道路附著系數(shù)。

其中，φ=0.5，計算得：Ft=3 560.7 N＜6 582 N。所得地面切向作用力小于地面附著力，不會發(fā)生打滑現(xiàn)象，滿足要求。

1.3 動力電池的選擇

由選定的電機額定電壓（380 V）和消耗能量來確定選用蓄電池的容量和數(shù)量。文章選用額定電壓為48 V、容量為30 A·h的磷酸鐵鋰電池。則選取串聯(lián)電池的數(shù)目np=380 V/48 V≈8。

由對續(xù)駛里程的要求可以確定電池組中并聯(lián)電池的數(shù)目。若電動汽車以ua=50 km/h速度勻速行駛的最大續(xù)駛里程為L=100 km，則所消耗能量（P/kW）為：

式中：ua——汽車速度，km/h。

計算得：P=4.76 kW。

則并聯(lián)電池數(shù)目為：

式中：nL——并聯(lián)電池數(shù)目；

W——電池總能量，kW·h；

η——電能的轉(zhuǎn)化效率；

C0——單體電池容量；

E——串聯(lián)電池的電壓；

η0——電池的放電深度。

其中，η=70%，取 C0=80%，計算得 nL=1.5，取 nL=2，則可以確定使用電池組總數(shù)目n=nLnp=16。

2 動力性能仿真

2.1 整車動力性能仿真

根據(jù)對電動汽車各個組件的分析和建立的模型，在ADVISOR中建立整車仿真模型[7]。利用ADVISOR軟件對整車加速性能、uamax及αmax進行了仿真計算。在ADVISOR啟動界面單擊開始按鈕，將整車各項參數(shù)輸入，建立整車及動力系統(tǒng)各組件的仿真模型，進行動力性能仿真。

2.2 仿真結(jié)果

選擇歐洲循環(huán)工況（NEDC）進行仿真。在仿真結(jié)果中，BEV實際車速的變化曲線和所選擇工況下的速度曲線非常吻合，如圖2所示，這說明汽車的動力性比較好，同時也體現(xiàn)了匹配過程選擇的參數(shù)比較合理。

圖2 NEDC工況仿真中電動汽車車速隨時間的變化曲線

在電動汽車起步階段，車速隨時間的增加而增大，但加速度較小，而在穩(wěn)定行駛后，車速隨時間增加而增大的速度變快，這符合電動車的行駛規(guī)律。

電池荷電狀態(tài)（SOC）曲線，如圖3所示。BEV續(xù)駛里程仿真結(jié)果，如圖4所示。在BEV加減速的過程中，能夠回收部分能量用于蓄電池充電。結(jié)合圖3和圖4可知，在NEDC循環(huán)工況下，SOC下降到30%時，該車續(xù)駛里程為131.2 km。

圖3 電池SOC值變化曲線

圖4 電動汽車續(xù)駛里程仿真結(jié)果顯示界面

根據(jù)仿真結(jié)果，得到如表2所示的BEV動力性能仿真及設(shè)計指標(biāo)對比。

表2 電動汽車動力性能設(shè)計指標(biāo)及仿真結(jié)果

從表2可以看出，BEV的仿真結(jié)果均在設(shè)計指標(biāo)范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求，且不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，符合行駛要求，所以此次設(shè)計的BEV動力系統(tǒng)參數(shù)完全滿足性能要求。

3 結(jié)論

文章通過對某款BEV動力匹配與仿真過程的論述，介紹了一種較為實用的動力匹配方法。在匹配過程中，首先確定設(shè)計目標(biāo)，然后進行理論計算，在匹配計算完成之后進行仿真試驗，驗證匹配結(jié)果是否滿足預(yù)期目標(biāo)。此種方法對BEV的動力系統(tǒng)開發(fā)有著一定的參考意義，而且隨著BEV的發(fā)展，仿真技術(shù)和高效率的動力系統(tǒng)匹配研究同樣有著重要意義。