純電動汽車動力參數匹配及仿真研究

姜良超，殷凡青，程吉鵬

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

純電動汽車是指以動力電池為儲能單元，電機為動力輸出單元的車輛。其主要部件包括：驅動電機及控制器、動力電池及能量管理系統、整車控制器(VCU)等組成[1]。純電動車的行駛工作形式為：動力電池包經過電源分配單元(PDU)將電流分配給各路用電器，其中最重要的一路為輸出至電機控制器(MCU)，MCU將直流電源轉化為三相電后供給電機，電機將電能轉化為機械能，使車輛克服行駛阻力，驅動車輛前進。另外，電動汽車還能在滑行及制動情況下將機械能轉化為電能存儲在動力電池中，實現制動能量回收功能。

純電動汽車動力系統合理的參數匹配能夠充分發揮各部件的優勢，使整車克服風阻、滾阻、空氣阻力、加速阻力等阻力的同時，滿足其動力性經濟性的設計指標。對于純電動車的驅動系統參數匹配，主要是依據車輛的最高車速、最大爬坡度、加速時間、續駛里程等設計指標，完成電池、電機、主減速器參數的計算。其中電池的主要計算參數有電池能量、容量及放電倍率；電機的主要計算參數有額定功率、峰值功率、峰值扭矩、峰值轉速；主減速器主要確定其主減速比的范圍。本文針對某純電動汽車，因其主減速比已確定，現根據整車參數及設計目標，完成電池、電機的選型[2]。

表1 車輛主要參數及設計目標

1 電機主要參數的確定

1.1 電機額定功率的確定[3]

根據整車目標30min最高車速≥120km/h的要求，依據GBT 18385-2005電動汽車動力性能實驗方法，因最大允許裝載質量為375kg＞360kg，故加載質量為187.5kg，參考公式：

為滿足 30min最高車速≥120km/h，需要電機額定功率≥30.69kW。

1.2 電機峰值轉速的確定

根據整車目標1km最高車速≥130km/h的要求，參考公式：

為滿足1km最高車速≥130km/h，需要電機峰值轉速≥11424r/min。

1.3 電機峰值扭矩的確定

1.3.1 最大爬坡度對應的電機需求

根據整車滿載最大爬坡度≥30%的目標，此時加載質量為滿載375kg，參考公式：

為滿足滿載最大爬坡度≥30%，要求電機峰值扭矩≥241.40Nm。

1.3.2 NEDC工況所對應的電機需求

為使整車能夠在 NEDC工況中能夠較好的跟隨速度曲線，要求電機峰值扭矩≥84.53Nm。綜上，確定電機峰值扭矩為241.40Nm。

圖1 NEDC工況需求扭矩

1.4 電機峰值功率的確定

1.4.1 1km最高車速對應的電機需求

根據整車目標1km最高車速≥130km/h的要求，參考公式：

為滿足1km最高車速≥130km/h，需要電機峰值功率≥37.94kW。

1.4.2 0～50km/h加速對應的電機需求

根據整車目標0～50km/h加速時間≤4s的要求，參考公式：

式中：tb—加速時間，s；vn—電機為基速時對應的車速，km/h，依據經驗，基速估取nmax/ 3；

為滿足 0～50km/h加速時間≤4s，需要電機峰值功率≥100.22kW。

1.4.3 50～80km/h加速對應的電機需求

根據整車目標50～80km/h加速時間≤4s的要求，參考經驗公式：

為滿足50～80km/h加速時間≤4s，需要電機峰值功率≥82.57kW。

1.4.4 NEDC工況所對應的電機需求

為使整車能夠在 NEDC工況中能夠較好的跟隨速度曲線，要求電機峰值功率≥49.35kW。

另外，按照電機峰值扭矩為 241.40Nm，電機在基速(取3800r/min)時，達到峰值功率，依據得峰值功率為95.5kW。綜上，要求電機峰值功率≥100.22kW。

2 電池主要參數的確定

2.1 NEDC續駛里程能量與容量要求

每個NEDC工況下所消耗電池包總電量可通過電機消耗能量沿時間方向累加獲得：

式中：ηt—電池充放電效率；Spre-NEDC—一個NEDC行駛里程，經計算為11.028km。

NEDC工況下百公里電耗為16.96kWh，則NEDC工況下行駛350km高壓電耗為(能量回收率按15%計算)：

低壓附件電器平均消耗功率估計為 200W，NEDC工況下行駛350km所消耗的電池電量Ebatt-low=2.35kWh (電池包放電與DC/DC轉化的綜合效率按88%計算)：

NEDC工況下行駛 350km所消耗的電池包總電量為(DOD按95%計算)：

依據能量與容量的關系 q=W/U得容量 q=55580/345=161.1Ah。

2.2 電池放電倍率的確定

動力電池的總能量需滿足：

式中：PmotorMax--驅動電機峰值功率，kw；k--最大放電率；Ebatt--動力電池總能量，kWh；ηm--驅動電機及控制器效率，取值88%。

代入相關數據，可得到動力蓄電池的最大放電倍率需＞2.04。

綜上，電池電機的主要計算參數如下表所示：

表2 電機電池主要參數

3 仿真結果分析

3.1 制動能量回收查表法建立

圖4 Simulink能量回收模型

圖5 電機制動扭矩

在此處，制動控制策略簡單可以描述為：僅在電池SOC低于 95%并且車速高于 9km/h時的制動情況下進行能量回收；為了提高制動能量回收效率，制動踏板留有 15%的制動踏板空行程，在此空行程中進行純電制動，超過此空行程進行電機和機械復合制動[4]。模型建立如圖4所示，電機制動扭矩同車速、制動踏板開度制定成的二維查表輸出如圖5所示。

3.2 CRUISE車輛模型建立

依據上述計算結果，將計算結果輸入，建立車輛CRUISE模型如圖6所示，并完成信號線的連接。

圖6 CRUISE車輛模型

3.3 仿真結果

依據國標GBT 18385-2005、GBT 18386-2017設置加載質量并建立爬坡度、最高車速、加速時間、續駛里程等計算任務[5]，仿真結果如下表3所示：

表3 參數項仿真值與設計值對比

4 總結

依據整車主要參數及設計目標，在已有的計算理論上參照NEDC行駛工況，對車輛的動力電池及電機進行了參數匹配及選型，并搭建二維查表的制動能量回收模型與 CRUISE車輛模型進行聯合仿真，使仿真結果更加逼近實際值，仿真結果表明該計算方法能夠滿足設計目標，驗證了其可行性，表明了該動力系統匹配方法對純電動車整車模型的搭建具有一定的理論指導意義。