電動汽車電驅動系統動力性匹配設計

高 進，陸海斌

（長安汽車輕型車研發中心，河北 定州 073000）

電動汽車動力特性通常由加速性、爬坡能力、最高車速等性能來評價。驅動電機性能參數設計成為滿足整車動力性能首要考慮的問題，而所有驅動電機的這些性能參數都取決于電驅動電機轉速-轉矩 （功率）特性［1］。本文以某款純電動物流車進行研究，對其驅動系統匹配選型與驗證。

1 整車基本參數及開發目標

1.1 基本參數

整車基本參數見表1。

1.2 開發目標

整車動力性、經濟性是衡量電動汽車性能的重要指標，電動汽車設計必須滿足其動力性、經濟性需求。本次研究以動力性為研究方向，研究車型動力性參數需求見表2。

表1 整車參數

表2 開發目標

2 電機性能需求參數計算

電機系統的選擇主要由整車動力性決定，因此所選電機性能參數可根據整車動力性參數進行選擇。其匹配過程如下。

2.1 額定功率［1-4］

選擇電機功率時，需確保整車可在各種工況下正常運行。功率匹配過程如下。

1）當電動汽車以最高車速運行時所需功率PV：

2）當車輛滿載時以規定車速V爬一定坡度的坡時所需功率為Pi：

3）當車輛在水平路面上加速行駛所需功率Pj：

式中：δ——汽車旋轉質量換算系數。

選型的驅動電機額定功率應能同時滿足以上最高車速、規定車速爬坡、水平路面加速行駛3種情況下的功率需求，即：

2.2 額定轉速

為了提高電池利用率，結合車輛用途及經濟車速來定義電機額定轉速，定義名義轉折轉速對應的車速為表2中常規車速Ve。

計算得到電機名義轉折轉速值為6778 r／min。

2.3 最高轉速

以最高車速Vmax確定電機最高轉速。根據公式：

最高車速對應的電機最高轉速9039 r／min，留1.05的安全余量，則電機最大轉速為nmax≥9495 r／min。

2.4 額定轉矩

電機轉矩選擇時，額定轉矩可根據額定功率進行匹配，最大轉矩需滿足汽車起步轉矩和最大爬坡度要求。

以額定功率／轉速確定電機額定轉矩Tqe（Nm）：

2.5 峰值轉矩

2.5.1 以最大爬坡度確定

此時車輛以勻速爬坡行駛，車輛的行駛方程為：

2.5.2 以電機外特性確定

根據電機外特性，額定轉速以下為恒轉矩區，額定轉速以上為恒功率區，由2.3得出，在60 km／h以下為恒轉矩區，且0-50 km／h為恒轉矩區，當電機以最大轉矩輸出時，0-50 km／h加速時間最短，則根據表2開發目標0-50 km／h加速時間7 s確定電機最大轉矩Tqmax

得出Tqmax2=87.79 Nm≈90 Nm

由上計算得出，Tmax≥max［Tqmax1，Tqmax2］， 取190 Nm。

2.6 峰值功率

由0-50 km／h加速時間為7 s計算整車起步最大功率需求，由電機外特性可知，0-50 km／h為恒轉矩區，當電機以最大轉矩輸出時，加速時間最短，則

峰值功率Pmax1＝44.48 kW。

由50-80 km／h加速時間為10 s計算整車超車加速最大功率需求，由電機外特性可知，50-60 km／h為恒轉矩區，60-80 km／h為恒功率區，則

又對整車進行加速時間分析，由整車運動方程得整車加速時間

1）結合電機外特性曲線，當電機在恒轉矩區以峰值轉矩Tmax運行時加速時間最短，電機輸出至輪邊驅動力：

2）當電機在恒功率區以峰值功率Pmax運行時加速時間最短，電機輸出至輪邊驅動力：

根據表2、公式 （4）可知，0-60 km／h為恒轉矩加速，加速時間由公式 （12）、公式 （13）得出：

所以，t0-60＝8.069 s。

同理，0-80 km／h加速時間為18 s計算整車最大功率需求Pmax2：

所以，t60-80＝t0-80-t0-60=18-8.069＝9.931 s。

峰值功率Pmax2＝48.55 kW。

由上計算得出，車輛要滿足最大爬坡及加速性能需求，電機最大功率要滿足：

綜上該電動汽車的動力性指標需求見表3。

表3 整車動力需求參數表

3 電機選型

根據表3匹配參數，結合電池包輸出特性，選擇某公司現有30／60 kW電機。

驅動電機系統參數見表4。

表4 電機選型參數表

1）最大功率及最高轉速運行時間為1 min。

2）所選電機應能夠在6778 r／min@36.69 Nm工況下運行30 min以上。

3）電機最大扭矩時應能持續運行1 min。

4 整車動力性校核

4.1 1 km最高車速

4.2 30 min最高車速對應扭矩

根據車輛在水平良好路面行駛的行駛方程式，如下：

得到車輛驅動力-行駛阻力數值對應表見表5。

車輛驅動力-阻力平衡圖如圖1所示。

根據圖1行駛力平衡圖得到

表5 驅動力-行駛阻力對應表

圖1 整車驅動力-阻力平衡圖

4.3 最大爬坡度

汽車最大爬坡度決定了汽車的爬坡性能，是指汽車滿載時在良好路面上在一定速度下所能達到的最大坡度。對車輛按照最大設計總質量進行爬坡能力仿真，其車速-爬坡度對應表見表6。

表6 車速-爬坡度對應表

爬坡度曲線如圖2所示。

圖2 爬坡度曲線

通過分析，滿足整車≥20% （28 km／h）的爬坡度需求。

4.4 加速性校核

電機外特性曲線如圖3所示。

使用Math-CAD軟件對車輛0-50km／h （即：0～5648r／min）加速時間進行分析，該加速過程包含電機從0至額定轉速對應車速 （35.4 km／h）和額定轉速對應車速至50 km／h兩個加速階段。綜合式 （12）、式 （13）、式 （14）得其加速時間為：

對車輛50-80 km／h （即：5648～9038 r／min） 加速時間進行分析，此加速全過程均在恒功率區工作，故其加速時間為：

對車輛0-80 km／h （即：0～9038 r／min） 加速時間進行分析，其加速過程包含恒扭矩區工作和恒功率區工作兩個過程。其加速時間為：

4.5 結果分析

仿真結果與實車測試結果對比，其結果見表7。

表7 需求-仿真-測試結果對照表

分析該車型動力性能匹配結果，選用的電機系統滿足該車動力系統需求，符合設計要求。

5 結論

分析了電動汽車動力性匹配方法，使用Math-CAD進行動力性校核，并經實車測試驗證，對結果進行比較，說明該匹配方法選出的動力系統方案已十分接近實車動力性需求，可完全勝任產品開發階段對電動汽車動力系統進行匹配與選型。