新能源汽車對主驅電機特性的敏感性研究＊

李忠雨，劉宏鑫，李紅雨，王國鋒

（珠海英搏爾電氣股份有限公司 研發中心，廣東 珠海 519000）

引言

隨著國家能源發展戰略向低碳、節能型轉移，純電動新能源汽車近年得到了快速發展，不僅可以有效緩解我國能源與環境壓力，還可以大幅度減少國民出行問題。汽車主驅電機作為電動汽車的核心部件，與整車的動力性能、運行經濟密切相關[1-2]，良好的整車動力匹配方案不僅要滿足整車動力性需求，還要使得電機外特性、效率MAP、車輛運行工況三者深度耦合，才能使整車動力更充沛，能耗更經濟。

文獻[3]根據整車參數利用汽車動力匹配解析法計算出了電機的峰值功率、峰值轉矩以及峰值轉速，并通過advisor對整車進行了仿真，佐證了電機的選型、電池的容量及整車參數特性匹配是合理的，文獻[4]指出了以往對改裝車動力仿真計算的缺乏，提出了電動汽車改制的設計方法，通過電機外特性的選擇匹配，對被改制車型進行了最高車速、加速能力、爬坡性能和續航里程的仿真研究，分析表明，改制車型動力匹配是合理的；文獻[5]根據外廠提供的三款電機MAP圖，并以一輛長度為2558mm的電動汽車為研究對象，對速度特性、加速特性以及爬坡性能進行了一系列的仿真分析，得出可以通過調整傳動比來獲得良好的動力性能等結論。

綜上所述，在現有的文獻中，多數學者關于電機匹配的研究大都集中在電機對整車動力性能影響，而隨著新能源汽車數量的激增，能耗問題越來越被重視，然而關于效率MAP對整車運行的經濟性影響及其匹配的文獻少有報道。

1 動力性能匹配分析

主驅電機作為新能源電動汽車的關鍵動力部件，其運行特性直接影響著整車的加速性能、爬坡性能、最高車速、能耗等性能，對電動汽車的動力性及舒適性有著重要意義，一套好的動力系統，不僅要求電機一側要有充沛的動力輸出，更要與整車的物理參數形成深度的配合，才會全面地發揮出電機的動力潛能。本文以一臺8.5m純電動公交車為研究對象，使用由美國再生能源實驗室（NREL，National Renewable Energy Laboratory）開發的高級車輛仿真系統ADVISOR（ADvanced VehIcle SimulatOR）對其性能匹配進行深入地分析。

1.1 數學模型

Advisor采用了后向仿真為主，前向反饋為輔的前、后雙向仿真技術，如圖1所示，其整個能量流動是從道路行駛工況發起，然后依次傳遞到整車、車輪、減速器、變速器、電機、電池，然后逐級向前傳遞反饋，形成閉環仿真系統，所以具有非常高的車輛仿真精度。

圖1 純電動車仿真系統架構

整車邏輯算法是以上一級車速請求作為系統的輸入，通過力學平衡方程（1）計算得到整車需要的牽引力和速度，并將求解得到的牽引力和速度輸出到車輪，車輪會將計算出的牽引力和極限反饋到整車作為判定，整車邏輯算法如圖2所示：

圖2 整車邏輯算法

電機邏輯算法模塊是以減速器模塊輸出的轉速和轉矩作為請求輸入，電機算法針對預置電機MAP及其外特性進行查表計算，并計算出需求的功率傳遞至電池模塊，電池模塊會依據電池實際的放電情況，計算出實際可以提供功率，并向前反饋到電機模塊處理，最終得到實際的轉矩和轉速輸出，電機邏輯算法如圖3所示。

圖3 電機邏輯算法

1.2 整車物理參數

整車物理參數對于動力系統的選擇及其匹配是非常重要的參考依據，動力匹配時需要準確地列出其整車物理參數以便電機的選型和匹配，詳細參數如表1所示：

表1 整車物理參數

1.3 整車性能需求

整車性能需求是衡量動力系統是否滿足整車設計的重要指標，也是動力系統選擇的重要參考，本文中整車性能需求表如表2所示：

表2 整車性能需求表

NEDC工況雖然具有國際普適性，但是與我國道路交通還有較大的區別，由于我國車流量密集程度高、剎車制動頻繁、車速相對較低，所以中國城市道路工況更好地反映出我國的道路實際工況，如圖4所示。

圖4 中國城市道路工況

1.4 適配電機參數

通過以上整車的物理參數及整車性能需求，選擇了一款永磁同步電機，其具體參數如下表3所示：

表3 電機特性

為了明確上述適配電機的各項指標能否滿足表2中對整車性能的需求，利用高級車輛仿真系統ADVISOR，對整車動力系統進行了全面地分析。

1.5 仿真結果

根據以上整車物理參數、電機特性參數及中國典型城市道路工況，利用高級車輛仿真系統ADVISOR，對整車動力性能進行了仿真計算，得到了以下運行結果。

圖5 整車工況跟隨狀態

整車要求實際運行工況曲線需要與道路工況完全跟隨，不允許有延時跟隨及速度偏差現象。從圖5中可以看出，工況跟隨曲線與城市工況曲線完全重合，說明整車所適配的電機很好地滿足工況曲線跟隨，滿足匹配要求。

通過仿真結果圖6可以看出，0-69km/h加速時間計算結果為17.2s，滿足整車22s的性能需求；最高車速計算值為76.4km/h，滿足整車69km/h的車速需求，最大爬坡度計算后為15%，達到設計標準。

圖6 整車性能計算結果

2 能耗對電機效率MAP敏感性研究

通過以上計算結果可以看出，適配電機滿足動力性需求，但是由于新能源汽車搭載的電池數量有限，且其能量密度遠遠低于燃油車，所以對能耗及行駛里程等信息更加敏感，針對以上問題，對比分析了兩款外特性指標參數相同，但效率MAP分布不同的電機，通過兩款電機的能耗和里程的不同貢獻值，判斷出兩款電機的優劣。

2.1 不同方案下的工況分布

為了分析電機能耗及行駛里程對電機效率MAP的敏感性，分別對兩款繞組匝數、永磁體用量及MAP分布不同的電機帶入ADVISOR模塊，進行了中國典型城市道路工況的仿真，得到了工況對應的效率分布落點，如圖7、8所示。

圖7 方案一效率MAP

圖8 方案二效率MAP

2.2 結果分析

通過兩方案MAP分布可以看出，方案二高效區域較廣且相對靠前， 且大部分工況點落在了高效區里面，工況與電機效率MAP的高效區耦合程度更深，使得整車能耗更加經濟，兩款電機方案最終的能耗及行駛里程結果如表4所示：

表4 能耗及行駛里程對比結果

通過表4可以看出，電機方案一能耗為0.42kWh/km，電機方案二能耗為0.38 kWh/km，相差10.5%，行駛里程相差9.1%，可以看出方案二的經濟表現明顯優于方案一，更加適合中國典型城市道路工況，能耗更經濟，續航里程更遠。

3 結論

本文以一臺8.5m新能源公交大巴為例，通過搭建完整的車輛仿真模型，并對其關鍵的仿真模塊進行了細致的闡述，且在中國典型城市道路工況的基礎之上，對適配電機進行了全面的動力性能分析以及能耗分析。在動力性能方面，通過高級車輛仿真平臺ADVISOR計算結果可以看出，適配電機的峰值轉矩、峰值轉速、峰值功率及額定功率等參數的選取是合理的，滿足整車設計需求；在能耗方面，通過對比兩款參數相同而效率MAP分布不同的電機發現，整車能耗及續航里程對效率MAP分布和道路工況有很強的敏感性，佐證了驅動電機的機外特性、效率MAP、車輛運行工況三者深度耦合的重要性，為新能源汽車驅動電機的設計，提供了一定的參考。