純電動汽車動力傳動參數的設計與計算

祖炳潔，馬馳，高坤

（050043 河北省 石家莊市 石家莊鐵道大學）

0 引言

傳統轎車一般依據汽車的軸距、排量、重量及配置等參數劃分級別。如按排量分為微型（排量<1 L）、小型（排量1～1.3 L）、緊湊型（排量1.3～1.6 L）、中型（排量1.6～2.4 L）、高級（排量2.3～3.0 L）和豪華（排量>3.0 L）等轎車級別。新能源汽車一般也沿用這種傳統的劃分方法。目前，新能源汽車主要包括混合動力電動汽車（HEV）、純電動汽車（EV）兩大類型[1]。本文根據某款微型轎車的能源改型需求，并盡量保持原車傳動系相對改動較小的原則，對其新型純電動汽車動力傳動系的選型、參數匹配做了完整方案設計。

1 純電動微型轎車設計要求

按照給定設計要求，某款微型轎車整車參數見表1。

表1 整車參數Tab.1 Vehicle parameters

將原車傳統系統改為純電驅動方式，改型后的傳動系方案如圖1 所示。

圖1 電機驅動橋組合-后驅動布置形式Fig.1 Motor drive axle assembly -rear drive arrangement

本純電動微型轎車動力性能設計指標見表2。

表2 純電動汽車動力性能指標Tab.2 Dynamic performance of pure electric vehicle

2 純電動微型轎車動力傳動系參數匹配與計算

2.1 動力傳動系工作策略與匹配原則

微型轎車主要在市區及市郊范圍內短途行駛。市內行駛需要頻繁地啟停、起步加速，此等工況要求足夠的轉矩支持。城市快速路及市郊范圍行駛速度較高，要求足夠的功率支持。按照汽車理論的設計要求，純電動汽車的機械特性應近似低速恒轉矩、高速恒功率的理想驅動特性[2]，如圖2 所示。

圖2 電機理想驅動特性Fig.2 Ideal driving characteristics of motor

2.2 驅動電機參數匹配與計算

2.2.1 電機額定功率計算

純電動汽車在城市封閉快速路及市郊道路行駛時，可以最高穩定車速作為電機額定功率的計算依據，此時汽車基本在平坦路面行駛，僅考慮空氣阻力與滾動阻力，其計算公式為

式中：A——迎風面積；CD——風阻系數；f——滾動阻力系數；m——整車質量，由表1 給定。按照“雙 100”設計標準，最高車速Ua取100 km/h、η取0.9。

代入式（1）計算得P1=10.83 kW，考慮到一定動力余量，取整為P1=12 kW。

2.2.2 電機峰值功率計算

電機峰值功率應在高速巡航、爬坡、起步加速以及超車加速4 種工況中比較計算，取其最大值做為峰值功率[3]。其中高速巡航功率前節已算出，為P1=12 kW。其他3 種工況為：

（1）滿載坡道工況

電機功率算式為

式中：α——爬坡度（給定設計值30%），坡道行駛速度取25 km/h。其余參數同上，計算得P2=23.27 kW。取整得P2=25 kW。

（2）超車加速工況

超車加速時，電動汽車從60 km/h 加速到80 km/h，電機處于恒功率階段的基速（nb）以上范圍（見圖2 所示）。此時加速度、行駛速度都是變量，對其加速功率直接求解比較困難。因此一般將電機爬坡時的峰值功率P2代入式（3）驗證加速性能是否滿足：

式中：V1=60 km/h，V2=80 km/h。經計算得超車加速時間t=7.14 s ≤15 s，顯然滿足加速性能。

（3）起步加速工況

起步加速時，電動汽車從0 km/h 加速到60 km/h，此時驅動電機處于恒轉矩階段，其輸出功率開始較小并不斷提高至基速點（nb）達到最大值。顯然基速（nb）之前的起步加速功率小于基速（nb）以上的恒功率值。

綜上比較4 種工況，顯然電機峰值功率出現在純電動汽車滿載爬坡時，其值為P2=25 kW。額定功率出現在高速穩定行駛工況，其值為P1=12 kW。

2.2.3 電機額定轉矩與峰值轉矩的計算

（1）額定轉矩計算

從微型轎車的成本考慮，驅動電機選擇峰值轉速不高于6 000 r/min 的普通電機。由此選定電機的額定轉速為3 000 r/min，峰值轉速為6 000 r/min。

根據式（4），驅動電機的額定轉矩可由額定功率與額定轉速計算

計算得額定轉矩為Te=46 N·m。

（2）峰值轉矩計算

峰值轉矩根據式（5）計算：

式中：λ——電機過載系數，一般取2～4，本次設計取較大值為3.5，以提高電機自身的過載能力,同時可簡化傳動系的變矩機構。由此求得峰值轉矩為157 N·m，取整為160 N·m。

（3）匯總上述計算結果，驅動電機的選型參數見表3，所選電機的機械特性如圖3 所示。

表3 驅動電機設計參數Tab.3 Driving motor design parameters

圖3 電機的機械特性曲線圖Fig.3 Mechanical characteristic curve of motor

2.3 傳動系參數的匹配計算

該車原有傳動系由主減速器與變速箱所構成。改裝為新能源純電動車后，鑒于電機本身靈活的調速性能和較高的過載能力，傳動系取消了變速箱、保留主減速器（主傳動比為i0=5.3），以確保該車最高車速和最大爬坡度的匹配要求[4]。由此，傳動系的總傳動比即為主減速器的速比，即i總=i0=5.3。前期計算電機峰值轉矩時已計算在內。

2.4 電池參數的匹配與計算

動力電池對于純電動汽車的動力性能和經濟性能至為重要，直接決定了純電動汽車的最高車速和續航里程。由于本車底盤空間所限，選擇能量密度高的鋰電池作為車載能源電池。

（1）電壓的選擇

從安全角度出發，車載電池組的最大放電電流不得超過300 A，其電壓與驅動電機的峰值功率存在以下關系：

計算得蓄電池組電壓為108 V 。

（2）容量的選擇

使用等速巡航的工況計算電池組的容量。當純電動汽車在平坦路面以100 km/h 勻速行駛時，所消耗的功率Pr為

并且，以此功率行駛的續駛里程至少為L=130 km，相應所耗費的能量為

式中：Ua=100 km/h，然后由放電公式計算蓄電池組的容量C。一般，S 取值0.6～0.8，此處取S=0.8。V——電池組的電壓。計算得C ≥184.84 A·h。考慮到變工況行駛的功率消耗，將電池組容量選為190 A·h。

3 建立純電動微型轎車動力傳動系仿真模型

綜上，純電動汽車動力傳動系統的各個部件參數可依據公式逐步求得，但依據上述算法，無法直觀判斷動力傳動系各部件參數之間的相互關系以及對整車的性能影響，只能依靠傳統的道路試驗。借助現代計算機輔助開發工具可以有效突破傳統設計方法的局限[5]。本項目通過ADVISOR軟件對純電動汽車進行整車建模，可以直接分析、觀測動力性能及其經濟性能（即續航里程）的表現，并能實時在線修改參數、實時輸出結果[6]。顯然，與傳統設計相比，現代設計方法體現出無可比擬的巨大優勢。

3.1 建立整車ADVISOR 仿真模型

依據ADVISOR 軟件對新能源汽車的強大仿真功能，首先對該車車身、驅動電機、蓄電池組、動力傳動系統、車輪及半軸等部件進行仿真建模，然后將以上部件模型作為整車的子系統首尾連接起來進行封裝，從而建立整車系統的仿真模型。整車頂層模型如圖4 所示。

圖4 整車仿真模型Fig.4 Vehicle simulation model

如果需要進行動力性能仿真，則需要勾選Acceleration Test 和Gradeability Test 兩個選項，并在其彈出窗口中設置汽車的試驗標準來進行加速性能和爬坡性能測試。點擊RUN 后，仿真模型開始運行、并顯示仿真結果。

3.2 仿真結果與分析

純電動汽車的性能指標主要包括動力性指標和經濟性指標。利用ADVISOR 的仿真功能，可以分析最大加速度、爬坡度、最高車速等動力性指標，以及車輛續駛里程、電池組 SOC 值等經濟性指標[7]。截取一幀本車型仿真分析的結果如圖5 所示。

圖5 仿真結果分析Fig.5 Analysis of simulation results

圖5 中，仿真結果的界面左側為仿真圖形，從上往下依次為循環工況行駛時速度和實際車速隨時間的變化圖、驅動電機的實際輸出轉速隨時間變化圖、驅動電機實際輸出轉矩隨時間變化圖、汽車總傳動比隨時間變化圖。界面右側為其動力性能與經濟性能的試驗結果，下面一行報錯主要是因為后續電池容量不足、導致無法完成循環里程。

由圖5 可以看出，此純電動汽車的加速能力較好，從0～60 km/h 的起步加速時間為4.5 s，60～80 km/h 的加速時間為3.4 s，其最高速度達到了102.6 km/h，最大爬坡度達到了30.3%，續航里程達到了140.2 km。

4 結論

仿真結果顯示，此款純電動微型轎車動力傳動系統的參數匹配合理，實現了預定的設計目標，較好地滿足了該車的動力性能及經濟性能。設計過程可供相應的電動汽車設計參考。