純電動汽車驅動系統的參數匹配及性能分析

姜 旭， 張肖野， 趙二明， 朱詠光

（1.中機寰宇認證檢驗有限公司， 北京 102600； 2.江西昌河汽車有限責任公司北京分公司， 北京 101300）

0 引言

純電動汽車一般由車身、底盤、動力系統等組成。 其車身和底盤與傳統汽車結構相類似，甚至有所簡化，但其動力系統與傳統汽車相比存在較大差異。 傳統汽車動力來源于發動機，構造復雜，純電動汽車動力來源于電池，構造相對簡單。隨著電驅動技術不斷發展，驅動系統的參數匹配及性能分析已成為純電動汽車的核心技術。

1 研究內容和指標

本文以某款純電動輕客為例， 在傳統車型原有底盤和車身基礎上進行開發， 在確定一級減速比與減速器傳動比及行駛性能前提下， 通過建立驅動系統性能參數數學模型，進行選擇匹配。在動力參數匹配中首先確定驅動電機，完成整車驅動系統的設計。

1.1 整車設計基本參數

整車設計基本參數如表1 所示。

表1 整車基本參數Tab.1 Basic vehicle parameters

1.2 設計目標

本論文設計目標主要性能參數如表2 所示。

表2 主要性能參數Tab.2 Main performance parameters

2 驅動電機設計

2.1 確定驅動電機功率

最高車速、 最大爬坡度及加速時間為整車行駛性能最重要指標， 要求電動車用驅動電機能夠頻繁啟動/停車、加速/減速，實現低速和爬坡時高轉矩、大變速范圍，因此電機功率選擇確定極為重要。

2.1.1 計算最高車速下電機需求功率

最高車速是指無風條件下在水平、 良好的瀝青或水泥路面上，汽車所能達到的最大行駛速度，最高車速實質上反映了汽車的加速能力和爬坡能力。最高車速越高，要求驅動電機功率越大，電動汽車的后備功率也越大。

最高車速umax對應的車輛需求功率Pv1如式（1）所示：

式中：Pv1—電機高速行駛功率；ηT—傳動系統效率；m—車輛滿載總質量；fr—滾動阻力系數；CD—空氣阻力系數；A—車輛迎風面積；umax—最高車速。

2.1.2 計算最大爬坡度下電機需求功率

電動汽車的最大爬坡度是指滿載時在良好路面上用第一檔克服的最大坡度。 爬坡度用坡度角度的正切值百分數表示。 汽車在爬坡的過程中要克服自身重力沿坡度方向的一個分力， 同時汽車輪胎的抓地能力要能滿足汽車上行需要。

最大爬坡度αm對應車輛需求功率Pv2如式（2）所示，爬坡時最低車速一般為10～15km/h。

式中：Pv2—電機爬坡功率；αm—最大爬坡度；ua—爬坡時的最低車速，取15km/h。

2.1.3 計算全力加速時間下電機功率

電動汽車全力加速時間包括汽車原地起步加速時間和超車加速時間。 加速時間越短，汽車加速性就越好，整車動力性也越高。

假設整車在平坦路面加速， 根據整車加速過程動力學方程，全力加速時間tm對應車輛需求功率Pv3，如式（3）所示：

式中：Pv3—電機加速功率；δ—旋轉質量換算系數；tm—加速時間；vm—加速終止車速；dt—設計過程的迭代步長（s），通常取0.1 秒便能夠滿足精度要求。

2.1.4 電機功率計算小結

根據上述三項指標計算的需求功率Pmax，電機最大需求功率必須滿足上述所有設計要求，即：

利用式（1）～（3），可得到目標樣車的最高車速、最大爬坡度以及全力加速時間對應的車輛功率需求，見表3。

表3 整車動力性指標對應的車輛功率轉矩需求Tab.3 Vehicle power torque demand corresponding to vehicle dynamic performance index

2.2 確定驅動電機轉速

2.2.1 確定最高轉速

電機最高轉速nemax對應車速必須大于整車最高車速Vmax，如式（5）所示：

式中：Vmax—最高車速；ig—一級減速比；i0—主減傳動比；r—滾動半徑。 結合傳動系速比的選擇，確定電機最高轉速為7498.8rpm。

2.2.2 確定額定轉速

電動車用電機調速范圍，對電機擴大恒功率區系數β（即弱磁擴速能力）要求控制在合理范圍內，才能滿足最高行駛車速要求。額定轉速ne、最高轉速nemax和β 關系如下：

本論文β 取經驗值2～4，再由公式（7）根據最高車速Vmax確定電機額定轉速應該在1874.7～3749.4r/min 之間選取。

電機額定轉速對應車速也必須接近整車常用車速，如式（7）所示：

式中：Vn—常用車速，取40kn/h；ig—一級減速比；i0—主減傳動比；r—滾動半徑。 結合傳動系速比的選擇，確定電機的額定轉速為2972rpm。

2.3 確定驅動電機轉矩

驅動電機轉矩需滿足電動汽車起步加速和最大爬坡度要求：

額定轉矩Te可由式（8）確定，

額定功率Pe=42.3kW，計算得Te=134.6Nm。

峰值轉矩Te 可由式（9）確定，

峰值功率Pmax=84kW，計算得Te=267.4Nm。

2.4 電機選擇

2.4.1 性能參數預選電機

電機選擇除滿足上述性能要求， 還要考慮現有資源情況，即通過上述匹配的電機轉速、轉矩和功率要求選擇市場上已有或相似產品。 根據上述計算最終預定選用驅動電機主要性能參數，具體參數如表4 所示。

表4 驅動電機主要性能參數Tab.4 Main performance parameters of drive motor

2.4.2 電機臺架驗證試驗

電機臺架試驗不僅能夠實時精確測量電機系統的性能參數，而且能夠對其控制參數進行在線標定測量，圖1為試驗實物圖；基于AVL 臺架，試驗過程能夠實現整車道路循環測試工況的模擬，從而縮短其開發測試周期、降低開發測試風險與成本。

圖1 電機臺架試驗Fig.1 Motor bench test

通過對試驗結果進行分析， 基于試驗臺架同步記錄的關鍵數據，完成對所選用電機及驅動電機系統驗證，確定選用電機。 電機特性如圖2、圖3、圖4 和圖5 所示。

圖2 額定狀態轉矩-轉速特性曲線Fig.2 Rated state torque speed characteristic curve

圖3 峰值狀態轉矩-轉速特性曲線Fig.3 Peak state torque speed characteristic curve

圖4 額定狀態轉矩-效率曲線Fig.4 Rated state torque efficiency curve

圖5 峰值狀態轉矩-效率曲線Fig.5 Peak state torque efficiency curve

3 驅動系統設計小結

通過對上述對驅動電機及電池的計算結果分析，最終確定驅動系統參數匹配如表5 所示，完成該款純電動汽車驅動系統開發設計。 驅動電機與整車匹配安裝如圖6。

表5 驅動系統關鍵零部件參數Tab.5 Key component parameters of drive system

圖6 驅動電機與整車匹配安裝Fig.6 Matching installation of driving motor and power battery

4 結束語

綜上所述， 純電動汽車驅動系統開發可參考本論文所述方法，計算出電機性能參數，通過臺架試驗繪制其特性曲線，進而驗證電機可靠性。本文用于指導整車廠家快速選定電機和動力電池， 確保電動汽車整車動力性和續駛里程指標。 本論文純電動輕客采用了固定速比傳動系統，是對傳動系統的一種簡化，在實際應用中要結合車輛實際，綜合考慮其他關鍵條件。