純電動汽車驅動電機選型方法研究與計算界面設計

徐林勛, 趙小羽，張 送

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

目前全球面臨著能源危機和汽車尾氣排放的問題，已成為制約傳統汽車業發展的兩大技術問題，而電動汽車可以實現零排放及能源的合理利用，其動力性能指標完全可以達到內燃機汽車的要求，因此，電動汽車必然成為21 世紀重要的新型綠色環保交通工具[1]。電動汽車動力性能指標的好壞在很大程度上取決于驅動電機與變速器等部件組成的驅動系統。為了滿足電動汽車所要求的各項性能指標，使汽車整體的動力性能得到更好地發揮，對驅動電機本身性能參數的選擇對電動汽車是至關重要的。

本文在對純電動汽車驅動系統選型方法的分析研究基礎上，提出了一種適合目前項目實際需要的電機選型方法，并根據此方法通過Matlab/GUI 開發了電機選型計算界面，可以在線得到滿足整車動力性能需求的電機各項性能指標，為純電動汽車的開發設計提供了有效的工具。

1 驅動電機參數選擇與匹配

驅動電機是電動汽車行駛的動力源，電機參數選擇與匹配主要包括電機的峰值功率和額定功率、電機的最高轉速和額定轉速等[2，3]。

1.1 電機額定功率與峰值功率的選擇

根據電動汽車的行駛要求，一般在設計時按照汽車勻速行駛過程中的最高車速來選定電機的額定功率。即：

其中： Pe—電機額定功率（kw）；umax—最高車速（km/h）；m—車輛質量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滾動阻力系數；Cd—空氣阻力系數；A—迎風面積（m2）；ηT—傳動系機械效率。

電動機要提供車輛最大爬坡能力所需功率，即車輛在良好路面上以一定的速度爬上最大坡度路面所需功率。此時假設車輛勻速爬坡行駛，即加速阻力為零。且滿足車輛最大爬坡性能所需的功率為：

其中： Pa—滿足最高爬坡要求需要的電機功率（kw）；ui—爬坡車速（km/h）；m—車輛質量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滾動阻力系數；Cd—空氣阻力系數；A—迎風面積（m2）；αmax—最大爬坡, αmax=arctan(imax)；imax—最大爬坡度（%）；ηT—傳動系機械效率。

對于純電動汽車一般考慮0～50km/h 的原地起步加速時間與50～80km/h 的超車加速時間[4]。由于汽車加速過程中加速度是變化的，為方便計算，本文將汽車加速過程假設為勻加速，則滿足加速時間需要的電機功率為：

其中：Pt—滿足加速時間需要的電機功率（kw）；ut—加速末車速（km/h）；u0—加速初車速（km/h）；m—車輛質量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滾動阻力系數；Cd—空氣阻力系數；A—迎風面積（m2）；t—加速時間（s）；δ—旋轉質量換算系數，一般取1.04；ηT—傳動系機械效率。

驅動電機的最大功率（Pemax）必須滿足最高車速時的功率（Pe）、最大爬坡度時的功率（Pi）及根據加速時間的功率（Pt）要求，即：

1.2 電機最高轉速與額定轉速的選擇

根據汽車行駛的最高車速以及常規車速來確定電機最高轉速與常規轉速。電機轉速與汽車車速之間的關系為：

其中： ua—汽車車速（km/h）；ig—變速器速比；i0—主減速器速比；n—電機轉速（r/min）；r—輪胎半徑（m）。

1.3 電機額定轉矩選擇

根據電機的額定功率與額定轉速來確定電機的額定扭矩，即：

其中： Te—電機額定轉矩（Nm）；Pe—電機額定功率（kw）；nN—電機額定轉速（r/min）。

1.4 電機峰值轉矩選擇

Tmax的選擇需要滿足汽車起動轉矩和αmax的要求，同時結合傳動系最大傳動比imax和αmax來確定：

其中： Tmax—電機峰值轉矩（Nm）；m—車輛質量（kg）；g—重力加速度 （m/s2）；f—滾動阻力系數；αmax—最大爬坡，αmax=arctan（imax）；imax—最大爬坡度（%）；ηT—傳動系機械效率；r—汽車輪胎滾動半徑（m）；igmax—變速器速比最大值；i0—主減速器速比。

2 驅動電機計算界面設計

Matlab/GUI 圖形用戶界面 （graphical user interface，GUI） 是由各種圖形對象包括窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象（Object）構成的一用戶界面。在GUIDE平臺下可實現對用戶自定義界面的菜單、快捷菜單以及各種控件的位置布置及其屬性編輯，從而設計出自定義的圖形用戶界面[5]。

Matab/GUI 是一種有別于其它用戶界面設計的新型界面開發方式，用戶可以通過圖形用戶界面的設計來確定應用程序的主要框架和基本功能，完成了窗口、圖標、菜單、按鈕等用戶界面，用戶也只需在由軟件開發工具自動生成的程序代碼中添加自己的運算或控制代碼，就可以完成應用程序的設計。如圖1 和圖2 為電機計算界面的部分源代碼程序與電機參數計算界面[6]。

圖1 電機選型計算部分源代碼程序

圖2 驅動電機選型計算界面

通過計算界面可知，本界面主要包括三部分，一部分為軟件的菜單欄，一部分為驅動電機選型參數輸入，包括基本參數與性能目標參數；另一部分為選型結果輸出。其中菜單欄包括File、Edit、View、Figure、Help 四部分，File 為文件的打開、保存等功能，Edit 功能是數據的導入與導出；View 是打印輸出結果；Figure 可以輸出計算結果曲線，Help 可以打開幫助文件。

3 驅動電機參數計算

3.1 整車參數及性能目標

純電動汽車性能目標參數主要包括動力性能指標以及續駛里程指標，根據要求的指標來確定純電動汽車驅動電機的性能參數[7]。表1 為設計開發的某款純電動汽車的整車相關參數。

表1 純電動汽車整車相關參數

3.2 電機選型界面仿真與參數計算

按要求將表1 中整車相關參數輸入到計算界面的指定位置中，如圖3 所示為參數輸入完成后的驅動電機計算界面。

圖3 參數輸入完成后的驅動電機計算界面

3.3 電機選型結果

驅動電機計算結果包含兩部分，一部分是電機性能參數的數值輸出，另外一部分是相關曲線的繪制。如圖4、5分別為電機性能參數計算結果的數值輸出與曲線輸出。

4 結論

圖4 電機計算結果數值輸出

圖5 電機計算結果曲線輸出

純電動汽車驅動電機的合理選型對整車的動力性能有很大的影響，為使電機選型過程既準確又方便，本文在對選型理論方法研究的基礎上，設計開發了純電動汽車選型計算軟件，并以項目中某款車型為基礎，根據其整車動力性能的要求，利用選型軟件對其驅動電機進行了選擇，通過對車型進行動力性能試驗發現選擇的驅動電機可以滿足要求并且選型合理，為電動汽車的設計、動力性能預測及分析提供了有效的方法。

[1] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

[2] 孫家永.純電動汽車動力系統參數匹配及性能研究[D].長安大學.2012.

[3] 方錫邦.微型純電動汽車動力性能參數匹配及仿真研究[D].合肥工業大學，2011.

[4] GB/T 28382-2012 純電動乘用車 技術條件[S].

[5] 陳垚光.精通MATLAB GUI 設計[M]. 北京: 電子工業出版社，2008.

[6] 張志涌.精通MATLAB[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社，2004.

[7] 谷靖，歐陽明高，盧蘭光，李建秋.微型純電動汽車的系統構型與關鍵參數設計[J].汽車工程，2013，1.